CN109099847A - 基于宏弯损耗效应和功率耦合的二维光纤位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于宏弯损耗效应和功率耦合的二维光纤位移传感器，平面上安装有Y轴移动板和X轴移动板；第一无源光纤和第二无源光纤均与有源光纤双绞，有源光纤的一端与LED光源连接后，先与第一无源光纤进行双绞，形成第一双绞纤维，其起始一段固定在Y轴移动板上，剩余部分弯曲形成宏弯耦合结构，第一无源光纤一端闲置，另一端与第一光功率计连接；有源光纤与第一无源光纤双绞结束后与第二无源光纤进行双绞，形成第二双绞纤维，其起始一段环绕第一双绞纤维的圆形段旋转一圈后，形成另一宏弯耦合结构，穿过第一双绞纤维下部，末尾一段固定于X轴移动板上，第二无源光纤与第二光功率计连接。本发明具有灵敏度高、响应快、分辨率高的特点。

Description

基于宏弯损耗效应和功率耦合的二维光纤位移传感器

技术领域

本发明涉及光纤宏弯耦合的应用领域，具体为一种基于宏弯损耗效应和功率耦合的二维光纤位移传感器，适用于工业上检测二维方向上的位移。

背景技术

在过去的几十年里，光纤传感器由于其检测速度、潜在的灵敏度、分辨率和对多条件检测的能力而取得了更实质性的研究成果。与传统的传感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、重量轻、灵敏度高等特点。根据光纤传感器的拓扑结构，将光纤传感器分为三大类:单点传感器、多点传感器和分布式传感器。在实际使用中有一种不同类型的光纤传感器在其中，位移传感器被广泛应用于固体力学物理量；机器人技术；位置监控；厚度；精密对准和轴向运动等不同的应用中。然而，在某些应用中，位移测量不只需要一个维度。

对于位移测量，使用不同类型的光纤作为传感元件，主要为单模玻璃光纤(GOFs)，但是它包括位移测量的复杂信号处理，需要昂贵的设备实验部件。塑料光纤(POFs)正在逐步取代玻璃光纤而提供更好的解决办法。比较GOFs和POFs可看出，POFs在可见区域的损耗较低，在生产和实验设备方面更灵活、更稳定、更经济。因此，由于POF位移传感器结构简单，响应速度快，具有较高的灵敏度、较低的成本和较高的精度，因而更适合于研究人员。

通常位移传感器都是一维传感器，但这里我们的重点为二维位移。对于一维位移传感器，提出了基于强度、三角测量、多普勒传感、干涉传感器、飞行时间和共焦的六种方法来实现最先进的性能。虽然这些方法都是一维位移测量，但在单方向测量上有着重要的作用。但是，对于一些现代技术的应用，仍有必要考虑更多的维度，如2D和3D。

为了实现二维位移测量，通常使用两套一维位移传感器来完成二维测量方法，但这种二维测量方法不仅增加了应用成本，而且使用上更加不便利，同时难以满足如此高的精度。而在光纤光栅、自混合干涉偶联、马赫-曾德尔干涉仪、激光系统测量二维位移测量等方面，已有大量的研究报道。因此二维位移传感器在现有的情况下产生是十分必要的。

发明内容

本发明为了解决二维位移的测量问题，提供了一种基于宏弯损耗效应和功率耦合的二维光纤位移传感器。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于宏弯损耗效应和功率耦合的二维光纤位移传感器，包括平面、有源光纤、第一无源光纤和第二无源光纤，所述平面上安装有Y轴移动板和X轴移动板；所述第一无源光纤和第二无源光纤均与有源光纤双绞，所述有源光纤的一端与LED光源连接后，首先与第一无源光纤进行双绞，形成第一双绞纤维，所述第一双绞纤维的起始一段固定在Y轴移动板上，剩余部分弯曲形成圆形状，形成宏弯耦合结构，第一无源光纤位于第一双绞纤维的起始一端闲置，另一端与第一光功率计连接；所述有源光纤与第一无源光纤双绞结束后与第二无源光纤进行双绞，形成第二双绞纤维，所述第二双绞纤维的起始一段环绕第一双绞纤维的圆形段旋转一圈后，形成另一宏弯耦合结构，穿过第一双绞纤维下部，末尾一段固定于X轴移动板上，所述第二双绞纤维的末尾段处的第二无源光纤与第二光功率计连接；所述有源光纤的另一端闲置；所述第二双绞纤维位于与第一双绞纤维的双绞更换处通过三聚体光纤固定。

本发明是为了检测二维位移而发明的，其主要包括一个平面以及三根光纤，一根光纤作为光源(有源光纤AF)，另外两根光纤（无源光纤PF）与第一根进行双绞。由于要检测二维位移，因此在平面上设有沿X轴方向移动的X轴移动板和沿Y轴方向移动的Y轴移动板，有源光纤的一端与LED光源连接后，首先与第一无源光纤进行双绞，形成第一双绞纤维，第一双绞纤维的起始一段固定在Y轴移动板上，则Y轴移动板移动时则可以拉动第一双绞纤维，第一双绞纤维的剩余部分弯曲形成圆形状后形成宏弯耦合结构，在拉动Y轴移动板过程中，使第一双绞纤维的圆形部分宏弯半径减小，有源光纤内的光可以大量耦合入第一无源光纤，而第一无源光纤的起始一端闲置，另一端与第一光功率计连接，通过第一光功率计来检测宏弯耦合入第一无源光纤内的光强，根据检测出的光强变化，从而检测Y轴方向的位移；有源光纤在与第一无源光纤双绞结束后与第二无源光纤继续进行双绞，形成了第二双绞纤维，第二双绞纤维的起始一段环绕第一双绞纤维的圆形段旋转一圈后，形成另一宏弯耦合结构，然后穿过第一双绞纤维下部，末尾一段固定于X轴移动板上，则拉动X轴移动板时，即可使第二双绞纤维的圆形部分的宏弯半径减小，第二双绞纤维的末尾段处的第二无源光纤与第二光功率计连接，则有源光纤内的光由于宏弯半径减小，光可以大量耦合入第二无源光纤，通过第二光功率计来检测宏弯耦合入第二无源光纤的光强，根据检测出的光强变化，从而检测X轴方向的位移。有源光纤另一端闲置。第二双绞纤维位于与第一双绞纤维的双绞更换处通过三聚体光纤固定，其为了防止X轴方向和Y轴方向拉动时相互干扰。

基于宏弯损耗效应和功率耦合的二维光纤位移传感器的二维测量方法，包括如下步骤：

①LED光源发出光，第一双绞纤维内，有源光纤的光强耦合入第一无源光纤，第一光功率计内检测到光强；第二双绞纤维内，有源光纤的光强耦合入第二无源光纤，第二光功率计内检测到光强；

②X轴移动板位于X轴上，Y轴移动板位于Y轴上，保持Y轴移动板固定，拉动X轴移动板，则第二双绞纤维的宏观弯曲半径随着X轴位移的增加而减小，则第二光功率计内检测到的光强开始增大，通过第二光功率计内检测到光强变化来检测X轴位移的变化；

③保持X轴移动板固定，拉动Y轴移动板，则第一双绞纤维的宏观弯曲半径随着Y轴位移的增加而减小，则第一光功率计内检测到的光强开始增大，通过第一光功率计内检测到光强变化来检测Y轴位移的变化。

④同时拉动X轴移动板和Y轴移动板，则第一双绞纤维和第二双绞纤维的宏观弯曲半径随着X轴和Y轴位移的增加而减小，第一光功率计和第二光功率计内检测到的光强均开始增大，通过第一光功率计和第二光功率计内检测到光强变化来检测X轴和Y轴位移的变化；若X轴和Y轴的位移其中一个或者两个均由大变小，则可以通过对应的光功率计检测对应的光强变化来检测各个方向的位移变化。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明首次在单个光纤上实现了两次旋扭，首次采用双绞线结构制作检测二维位移传感器，首次利用宏观弯曲现象检测两个方向的位移；与光源耦合的有源光纤在X轴和Y轴位移的变化上旋扭了两次。二维位移传感器在工业上的应用非常广泛。它可以用于打印机来控制运送的位置，用于桥梁检测水平和垂直位置变化，用于机器人，用于土木工程的不同应用中，例如：结构健康监测中能够了解结构的损坏机理是至关重要且非常有意义的，用于识别和修正计算模型。提高防灾减灾能力。该设计具有灵敏度高、响应快、分辨率高的特点；它在结构健康监测方面具有很大的潜力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为X轴方向上的位移与光功率对应特性图。

图3为Y轴方向上的位移与光功率对应特性图。

图中标记如下：

1-LED光源，2-第一光功率计，3-第二光功率计，4-Y轴方向的位移，5-X轴方向的位移，6-固定在X轴移动板上的双绞纤维，7-三聚体光纤，8-固定在Y轴移动板上的双绞纤维，9-第二无源光纤，10-Y轴移动板，11-X轴移动板，12-第一无源光纤，13-有源光纤，14-第一双绞纤维，15-第二双绞纤维，16-平面。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种基于宏弯损耗效应和功率耦合的二维光纤位移传感器，如图1所示：包括平面16、有源光纤13、第一无源光纤12和第二无源光纤9，所述平面16上安装有Y轴移动板10和X轴移动板11；所述第一无源光纤12和第二无源光纤9均与有源光纤13双绞，所述有源光纤13的一端与LED光源1连接后，首先与第一无源光纤12进行双绞，形成第一双绞纤维14，所述第一双绞纤维14的起始一段固定在Y轴移动板10上，剩余部分弯曲形成圆形状，形成宏弯耦合结构，第一无源光纤12位于第一双绞纤维14的起始一端闲置，另一端与第一光功率计2连接；所述有源光纤13与第一无源光纤12双绞结束后与第二无源光纤9进行双绞，形成第二双绞纤维15，所述第二双绞纤维15的起始一段环绕第一双绞纤维14的圆形段旋转一圈后，形成另一宏弯耦合结构，然后穿过第一双绞纤维14下部，末尾一段固定于X轴移动板11上，所述第二双绞纤维15的末尾段处的第二无源光纤9与第二光功率计3连接；所述有源光纤13的另一端闲置；所述第二双绞纤维15位于与第一双绞纤维14的双绞更换处通过三聚体光纤7固定。

基于宏弯损耗效应和功率耦合的二维光纤位移传感器的二维测量方法，包括如下步骤：

①LED光源1发出光，第一双绞纤维14内，有源光纤13的光强耦合入第一无源光纤12，第一光功率计2内检测到光强初始值；第二双绞纤维15内，有源光纤13的光强耦合入第二无源光纤9，第二光功率计3内检测到光强初始值；

②X轴移动板11位于X轴上，Y轴移动板10位于Y轴上，保持Y轴移动板10固定，拉动X轴移动板11，则第二双绞纤维15的宏观弯曲半径随着X轴位移的增加而减小，则第二光功率计3内检测到的光强开始增大，通过第二光功率计3内检测到光强变化来检测X轴位移的变化；

③保持X轴移动板11固定，拉动Y轴移动板10，则第一双绞纤维14的宏观弯曲半径随着Y轴位移的增加而减小，则第一光功率计2内检测到的光强开始增大，通过第一光功率计2内检测到光强变化来检测Y轴位移的变化。

④同时拉动X轴移动板11和Y轴移动板10，则第一双绞纤维14和第二双绞纤维15的宏观弯曲半径随着X轴和Y轴位移的增加而减小，第一光功率计2和第二光功率计3内检测到的光强均开始增大，通过第一光功率计2和第二光功率计3内检测到光强变化来检测X轴和Y轴位移的变化；若X轴和Y轴的位移其中一个或者两个均由大变小，则可以通过对应的光功率计检测对应的光强变化来检测各个方向的位移变化。

本实施例中，LED光源的输出功率设置为30mW，光源分辨率为1nW，耦合光功率在纳米瓦范围内，足以检测位移的变化，如图1所示，第一双绞纤维14测量Y轴的位移，第二双绞纤维15测量X轴的位移，本实施例中的X轴和Y轴的量程均为0~160mm。

本实施例中同时拉动X轴移动板11和Y轴移动板10，位移阶跃变化在10mm，第二光功率计3检测到X轴位移的变化，第一光功率计2检测到Y轴位移的变化，实验重复三次，位移为0mm时，光纤的弯曲半径最大，辐射很小，因此接收的功率非常小，当位移达到10mm时，弯曲半径变小，损耗增加，有源光纤13的辐射功率开始增加，使第一无源光纤12和第二无源光纤9耦合功率增大，得到如图2所示的光功率与X轴位移的对应特性图和图3所示的光功率与Y轴位移的对应特性图，取得的结果在两个方向上的0~160mm之间具有较好的一致性，图2和图3中对耦合光功率根据位移变化进行了标定。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于宏弯损耗效应和功率耦合的二维光纤位移传感器，其特征在于：包括平面（16）、有源光纤（13）、第一无源光纤（12）和第二无源光纤（9），所述平面（16）上安装有Y轴移动板（10）和X轴移动板（11）；所述第一无源光纤（12）和第二无源光纤（9）均与有源光纤（13）双绞，所述有源光纤（13）的一端与LED光源（1）连接后，首先与第一无源光纤（12）进行双绞，形成第一双绞纤维（14），所述第一双绞纤维（14）的起始一段固定在Y轴移动板（10）上，剩余部分弯曲形成圆形状，形成宏弯耦合结构，第一无源光纤（12）位于第一双绞纤维（14）的起始一端闲置，另一端与第一光功率计（2）连接；所述有源光纤（13）与第一无源光纤（12）双绞结束后与第二无源光纤（9）进行双绞，形成第二双绞纤维（15），所述第二双绞纤维（15）的起始一段环绕第一双绞纤维（14）的圆形段旋转一圈后，形成另一宏弯耦合结构，然后穿过第一双绞纤维（14）下部，末尾一段固定于X轴移动板（11）上，所述第二双绞纤维（15）的末尾段处的第二无源光纤（9）与第二光功率计（3）连接；所述有源光纤（13）的另一端闲置；所述第二双绞纤维（15）位于与第一双绞纤维（14）的双绞更换处通过三聚体光纤（7）固定。

2.权利要求1所述的基于宏弯损耗效应和功率耦合的二维光纤位移传感器的二维测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

①LED光源（1）发出光，第一双绞纤维（14）内，有源光纤（13）的光强耦合入第一无源光纤（12），第一光功率计（2）内检测到光强初始值；第二双绞纤维（15）内，有源光纤（13）的光强耦合入第二无源光纤（9），第二光功率计（3）内检测到光强初始值；

②X轴移动板（11）位于X轴上，Y轴移动板（10）位于Y轴上，保持Y轴移动板（10）固定，拉动X轴移动板（11），则第二双绞纤维（15）的宏观弯曲半径随着X轴位移的增加而减小，则第二光功率计（3）内检测到的光强开始增大，通过第二光功率计（3）内检测到光强变化来检测X轴位移的变化；

③保持X轴移动板（11）固定，拉动Y轴移动板（10），则第一双绞纤维（14）的宏观弯曲半径随着Y轴位移的增加而减小，则第一光功率计（2）内检测到的光强开始增大，通过第一光功率计（2）内检测到光强变化来检测Y轴位移的变化；

④同时拉动X轴移动板（11）和Y轴移动板（10），则第一双绞纤维（14）和第二双绞纤维（15）的宏观弯曲半径随着X轴和Y轴位移的增加而减小，第一光功率计（2）和第二光功率计（3）内检测到的光强均开始增大，通过第一光功率计（2）和第二光功率计（3）内检测到光强变化来检测X轴和Y轴位移的变化；若X轴和Y轴的位移其中一个或者两个均由大变小，则可以通过对应的光功率计检测对应的光强变化来检测各个方向的位移变化。