CN108180866B - 光纤光栅矢量弯曲识别器 - Google Patents

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Abstract

一种光纤光栅矢量弯曲识别器，宽带光源和光谱分析仪与环形器相连，环形器与耦合器相连，耦合器与弯曲识别单元相连，弯曲识别单元为橡胶保护套管内封装有相互平行的第一具有下陷折射率包层光纤和第二具有下陷折射率包层光纤，第一具有下陷折射率包层光纤和第二具有下陷折射率包层光纤的纤芯上均刻写有光栅，第一具有下陷折射率包层光纤的光栅与第二具有下陷折射率包层光纤的光栅的方位角为90°。本发明具有分辨率高、结构紧凑、易于复用组网的优点。

Description

光纤光栅矢量弯曲识别器
技术领域
本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及到一种光纤光栅矢量弯曲识别器。
背景技术
矢量弯曲在诸多传感领域中都有着相当多的应用需求，并且都期望传感器能够在监测弯曲变化时，同时给出幅度大小和角度方向的信息，比如大型的桥梁、楼房的结构健康监测中，需要对建筑物的形变、倾斜状况进行分析，从而实现实时的诊断及预警；机器人和机械结构制造中，需要对弯曲、偏转方向进行监测，以便实现任意导向和方向控制的功能。
光纤光栅是通过一定的方法在光纤中形成周期性的折射率调制区域的一种光纤无源器件。凭借其体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、制作简单、精度高、易集成和分辨率高等优点，基于光纤光栅结构的传感器已被广泛用于测量温度、应变、磁场、电流和位移等物理量。在光纤光栅中不同的折射率的调制程度、周期、长度等一些结构参量，决定了光纤光栅的反射波长、透射波长以及反射率、带宽等特性。通过优化光纤光栅的刻写方法、以及更换使用不同的光纤类型可以改变光纤光栅的特性，从而形成各种具有特殊性能的光纤光栅器件。目前基于光纤光栅器件测量矢量弯曲的工作已有相关报道，其中包括利用普通光纤光栅结合机械结构实现传感，这类传感器的性能太过依赖于封装结构的材料，尺寸相对较大，同时一般基于波长解调，易受温度影响；还有应用倾斜光纤光栅的传感器，这类传感器由于倾斜光纤光栅的加工过程较长，反射能量较低，同时易受折射率变换影响，直接限制了它的实际应用能力。最为重要的是，目前还没有传感器能够直接实现矢量弯曲的幅度和角度的实时响应。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种设计合理、结构紧凑、不受电磁干扰、对矢量弯曲的幅度和角度实时响应的光纤光栅矢量弯曲识别器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：宽带光源和光谱分析仪与环形器相连，环形器与耦合器相连，耦合器与弯曲识别单元相连，弯曲识别单元为橡胶保护套管内封装有相互平行的第一具有下陷折射率包层光纤和第二具有下陷折射率包层光纤，第一具有下陷折射率包层光纤和第二具有下陷折射率包层光纤的纤芯上均刻写有光栅，第一具有下陷折射率包层光纤的光栅与第二具有下陷折射率包层光纤的光栅的方位角为90°。
作为一种优选的技术方案，所述的第一具有下陷折射率包层的光纤光栅与第二具有下陷折射率包层的光纤光栅的波长不相等。
作为一种优选的技术方案，所述的第一具有下陷折射率包层光纤的光栅周期为524nm～545nm、波长为1520～1580nm。
作为一种优选的技术方案，所述的第二具有下陷折射率包层光纤的光栅周期为524nm～545nm、波长为1520～1580nm。
作为一种优选的技术方案，所述的光栅位于距离纤芯中心线3～10μm处。
本发明的有益效果如下：
本发明采用在第一具有下陷折射率包层光纤和第二具有下陷折射率包层光纤纤芯偏离轴线位置处刻写光栅，令光栅产生的模式对光纤弯曲有了方向性响应，第一具有下陷折射率包层光纤的光栅与第二具有下陷折射率包层光纤的光栅的方位角为90°，第一具有下陷折射率包层光纤光栅与第二具有下陷折射率包层光纤光栅分为两个正交分量，一个监测矢量弯曲的x轴分量，另一个监测y轴分量，然后通过矢量合成得到弯曲矢量，本发明具有分辨率高、结构紧凑、易于复用组网的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中第一具有下陷折射率包层光纤光栅的结构示意图。
图3是第一具有下陷折射率包层光纤光栅对于光纤弯曲方向的角度响应分布图。
图4是第二具有下陷折射率包层光纤光栅对于光纤弯曲方向的角度响应分布图。
其中：弯曲识别单元1；光谱分析仪2；宽带光源3；环形器4；耦合器5；橡胶保护套管1-1；第一具有下陷折射率包层光纤1-2；第二具有下陷折射率包层光纤1-3；光栅1-2-1；纤芯1-2-2；纤环1-2-3。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。
实施例1
在图1中，本实施例的光纤光栅矢量弯曲识别器由弯曲识别单元1、光谱分析仪2、宽带光源3、环形器4、耦合器5连接构成。
宽带光源3和光谱分析仪2通过单模光纤与环形器4相连，环形器4通过单模光纤与耦合器5相连，耦合器5通过单模光纤与弯曲识别单元1相连，弯曲识别单元1为橡胶保护套管1-1内通过紫外固化胶封装有相互平行的第一具有下陷折射率包层光纤1-2和第二具有下陷折射率包层光纤1-3，第一具有下陷折射率包层光纤1-2的纤芯上距离纤芯中心线6μm处刻写有光栅，光栅周期为535nm、波长为1560nm，第二具有下陷折射率包层光纤1-3的纤芯上距离纤芯中心线6μm处刻写有光栅，光栅周期为530nm、波长为1550nm，由于具有下陷折射率包层光纤的纤芯折射率低于环芯折射率，使得光栅产生的模式对于光纤弯曲很灵敏，且第一具有下陷折射率包层光纤1-2和第二具有下陷折射率包层光纤1-3的光栅均相对于自身光纤轴线不对称，从而对于不同方向的弯曲所承受的应力影响不同，即令光栅产生的模式对光纤弯曲有了方向性响应，第一具有下陷折射率包层光纤1-2的光栅与第二具有下陷折射率包层光纤1-3的光栅的方位角为90°，将第一具有下陷折射率包层光纤1-2光栅与第二具有下陷折射率包层光纤1-3光栅分为两个正交分量，一个监测矢量弯曲的x轴分量，另一个监测y轴分量，然后通过矢量合成得到弯曲矢量。
宽带光源3发出的光经由环形器4单向传输至耦合器5，均匀分成两束传输至第一具有下陷折射率包层光纤1-2光栅和第二具有下陷折射率包层光纤1-3光栅，然后光被第一具有下陷折射率包层光纤1-2光栅和第二具有下陷折射率包层光纤1-3光栅反射，再经过耦合器5返回环形器4，最后传输至光谱分析仪2得到第一具有下陷折射率包层光纤1-2光栅和第二具有下陷折射率包层光纤1-3光栅的反射信号，当弯曲作用于本发明时，第一具有下陷折射率包层光纤1-2光栅和第二具有下陷折射率包层光纤1-3光栅的反射信号会发生相应的变化，即第一具有下陷折射率包层光纤1-2光栅和第二具有下陷折射率包层光纤1-3光栅对于光纤弯曲的方向相应在0～360°范围内的角度响应呈现正弦和余弦分布，如图3、4所示，通过矢量合成得到弯曲矢量的幅度和角度。
实施例2
在本实施例中，弯曲识别单元1为橡胶保护套管1-1内通过紫外固化胶封装有相互平行的第一具有下陷折射率包层光纤1-2和第二具有下陷折射率包层光纤1-3，第一具有下陷折射率包层光纤1-2的纤芯上距离纤芯中心线3μm处刻写有光栅，光栅周期为524nm、波长为1520nm，第二具有下陷折射率包层光纤1-3的纤芯上距离纤芯中心线3μm处刻写有光栅，光栅周期为524nm、波长为1530nm。其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。
实施例3
在本实施例中，弯曲识别单元1为橡胶保护套管1-1内通过紫外固化胶封装有相互平行的第一具有下陷折射率包层光纤1-2和第二具有下陷折射率包层光纤1-3，第一具有下陷折射率包层光纤1-2的纤芯上距离纤芯中心线10μm处刻写有光栅，光栅周期为545nm、波长为1570nm，第二具有下陷折射率包层光纤1-3的纤芯上距离纤芯中心线10μm处刻写有光栅，光栅周期为545nm、波长为1580nm。其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。

Claims (3)

1.一种光纤光栅矢量弯曲识别器，宽带光源（3）和光谱分析仪（2）与环形器（4）相连，环形器（4）与耦合器（5）相连，耦合器（5）与弯曲识别单元（1）相连，其特征在于所述的弯曲识别单元（1）为：橡胶保护套管（1-1）内封装有相互平行的第一具有下陷折射率包层光纤（1-2）和第二具有下陷折射率包层光纤（1-3），第一具有下陷折射率包层光纤（1-2）和第二具有下陷折射率包层光纤（1-3）的纤芯折射率均低于环芯折射率，第一具有下陷折射率包层光纤（1-2）和第二具有下陷折射率包层光纤（1-3）的纤芯上均刻写有光栅且第一具有下陷折射率包层光纤（1-2）和第二具有下陷折射率包层光纤（1-3）的光栅均相对于自身光纤轴线不对称，第一具有下陷折射率包层光纤（1-2）的光栅与第二具有下陷折射率包层光纤（1-3）的光栅的方位角为90°。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅矢量弯曲识别器，其特征在于：所述的第一具有下陷折射率包层光纤（1-2）的光栅周期为524nm～545nm、波长为1520～1580nm，第二具有下陷折射率包层光纤（1-3）的光栅周期为524nm～545nm、波长为1520～1580nm，第一具有下陷折射率包层的光纤光栅与第二具有下陷折射率包层的光纤光栅的波长不相等。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅矢量弯曲识别器，其特征在于：所述的光栅位于距离纤芯中心线3～10μm处。
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