CN109827518B - 纤维集成干涉仪并联结构三维空间分布式形变传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维集成干涉仪并联结构三维空间分布式形变传感器，其主要特征是：该传感器是由两种螺旋多芯光纤1通过级联组成的，是通过焊接的方法将三维空间分布式形变传感器集成于一根光纤上的。本发明所给出的传感器是具备分布式三维空间结构的多芯光纤传感器阵列，每个传感器对应于测量离散的应变信息以及曲率信息，通过对这些信息进行解调与结构空间的三维形状进行拟合重构，以此建立白光干涉传感器阵列臂长位移参变量与所感测的空间三维形状之间的映射关系。由于本发明的固有特性使其也能适用在高温条件下。另外，该光纤传感器还具有灵敏度高、结构紧凑以及成本低等优点。
Description
(一)技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及的是一种纤维集成干涉仪并联结构的三维空间分布式形变传感器。
(二)背景技术
光纤形变传感是一种分布式传感技术，它利用光纤的局部形变产生的后向散射信号来对弯曲以及扭转等加以测量，进而对这些信息进行计算处理、重构光纤的三维空间形变信息。基于此，这项技术在医疗、国防、航空航天以及其它智能结构检测等领域有着广阔的应用前景。
1979年美国国家航空航天局(NASA)提出将光纤传感器植入飞行器的复合材料蒙皮中，构建智能结构、检测温度以及形变等信息。2010年，Froggatt等人提出基于瑞利后向散射的光纤形变传感器(美国专利号：US7772541B2)，传感器需要可调谐激光器(TLS)作为光源，需要光学频域反射系统(OFDR)对接收信号进行解调。2015年华中科技大学提出发明专利“一种三维形状测量方法”(专利号：CN 105371781A)提出一种基于分布式测量系统测量含有偏芯光纤的光纤纤芯的应力值，进而计算得到矢量、中间量、光纤链路的弯曲角度、绕率函数、曲率函数、切线向量进而最终得到三维空间曲线。2017年北京信息科技大学提出发明专利“一种基于啁啾光纤光栅的柔性材料空间形状的检测方法”(专利号：CN106500622A)，利用互成120度夹角的三根长啁啾光纤光栅获取检测点波长信号解算为应变信号，进而得到三维空间曲率。缺点是当长啁啾光纤光栅的数量增多时检测点光谱解调容易发生混叠。
本发明所提供的纤维集成干涉仪并联式三维空间分布式形变传感器具备分布式三维空间结构的多芯光纤传感器阵列，对应测量离散的应变信息以及曲率信息，通过对这些信息进行解调与结构空间的三维形状进行拟合重构，以此建立白光干涉传感器阵列臂长位移参变量与所感测的空间三维形状之间的映射关系。而且，由于传感器仅是一根多芯光纤并且是熔接而成，没有任何用于连接的接插件，所以在高温条件下几乎没有影响，尤其适用于高温条件下的三维空间分布式形变测量，其独特性是其它传感器系统所不能替代的。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种纤维集成干涉仪并联式三维空间分布式形变传感器，可用于三维空间形状变化的监控与检测。
本发明的目的是这样实现的：该光纤传感器是由两种螺旋多芯光纤1反复熔接级联组成的纤维集成干涉仪并联式三维空间分布式形变传感器。如图1(a)中是将螺旋四芯光纤1-1与螺旋氟化物包层四芯光纤1-2反复级联焊接组成。
本发明的基本原理是基于菲涅尔反射定律。图1(b)中所示螺旋四芯光纤1-1的纤芯与包层折射率分别为n4和n3，螺旋氟化物包层四芯光纤1-2的纤芯折射率为n3，纤芯包层折射率为n1，外包层折射率为n2。当二者焊接到一起时，两端光纤连接面如图1(a)所示，由于二者纤芯存在折射率差，光束在此处会有部分反射、部分透射，反射率R由菲涅尔反射定律可推导：
两光纤之间的折射率差约为0.01，通过公式(1)即可估算出光束在连接面反射率约为3.33×10-5。这说明在连接处仅有10-5量级的光信号发生反射，其余的光透射到螺旋氟化物包层四芯光纤1-2纤芯中。
类似的，螺旋氟化物包层四芯光纤1-2的另一端与另一段螺旋四芯光纤1-1熔接在一起，连接处如图1(a)中所示，由于螺旋四芯光纤1-1的纤芯1-1a/1-1b/1-1c/1-1d的折射率与螺旋氟化物包层四芯光纤1-2的纤芯1-2a/1-2b/1-2c/1-2d折射率存在差值，使得光束在两个光纤的连接处再次发生部分反射、部分透射。其反射率依公式(1)可得
反射光束携带了光纤的弯曲以及扭转信息，上文提到螺旋四芯光纤1-1与螺旋氟化物包层四芯光纤1-2熔接处也有反射光束，通过白光扫描解调系统解调两者干涉后的信号就可以得到传感器的弯曲以及扭转信息。
纤维集成干涉仪并联式三维空间分布式形变传感器的结构还可以是以下几种形式：由左螺旋四芯光纤1-3与右螺旋四芯光纤1-4反复级联焊接组成(如图2所示)；由螺旋七芯光纤1-5与螺旋氟化物包层七芯光纤1-6反复级联焊接组成(如图3所示)。
纤维集成干涉仪并联式三维空间分布式形变传感器，其特征是：传感器内部并行多个独立的纤维集成分布式光纤白光干涉传感器。
纤维集成干涉仪并联式三维空间分布式形变传感器，其特征是：具备传感器信号解调算法，用于实现空间三维形变的实时响应，软件解调计算以及三维重构流程如图4所示。
纤维集成干涉仪并联式三维空间分布式形变传感器，其特征是：采用多芯光纤分束式连接器来实现多芯光纤的每个纤芯的光输入、输出信号的分离。多芯光纤分束式连接器原理示意图如图5(a)所示。多芯光纤分束式连接器制备过程如下：将石英套管3打孔，用于嵌入双包层单模光纤2(折射率分布如图5(b)，具有三层折射率结构，依次为外包层2-1、内包层2-2以及纤芯2-3)，嵌入完毕后对石英套管3进行熔融拉锥，使双包层单模光纤2的纤芯2-3逐渐减小至模式截止，内包层2-2逐渐转化为光波的主要传输层。当锥腰处双包层单模光纤2的内包层2-2的传输模式与螺旋四芯光纤1-1的传输模式相匹配时停止拉锥；在锥腰处将石英套管3截断并与螺旋四芯光纤1-1焊接，得到多芯光纤分束式连接器。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)灵敏度高，消除温度的交叉敏感影响。由于四个纤芯的长度变化对温度响应趋势是一致的，所以在实际应用中，通过三个偏芯与中央纤芯传感信号“相减”就可以消除温度的影响，提高测量精度、消除温度交叉敏感影响。
(2)耐高温性能更佳。传统的连接方式在高温条件下受到温度影响严重，本发明直接将两端光纤焊接在一起，排除了连接器受温度影响的因素，极大的提高了传感器的耐高温性能。
(3)结构紧凑。由于一种纤维集成干涉仪并联式三维空间分布式形变传感器集成于一根光纤之内，传感器整体体积大幅度减小，结构更加紧凑，使用更加便捷。
为了进一步说明本发明给出的基于一种纤维集成干涉仪并联式三维空间分布式形变传感器的基本工作原理，下面结合附图给出更加细致的说明。
(四)附图说明
图1是纤维集成干涉仪并联式三维空间分布式形变传感器结构示意图。图中上部是传感器示意图，由螺旋四芯光纤1-1、螺旋氟化物包层四芯光纤1-2等部分组成；中部两个虚线方框内部是两处焊点的细节放大图；下部是螺旋四芯光纤1-1以及螺旋氟化物包层四芯光纤1-2的横截面图以及折射率分布图。
图2是左螺旋四芯光纤1-3与右螺旋四芯光纤1-4级联焊接在一起组成传感器示意图。
图3是螺旋七芯光纤1-5与氟化物包层螺旋七芯光纤1-6级联焊接在一起组成传感器示意图。
图4是三维形变的数据重构与图形显示软件结构框图。
图5是多芯光纤分束式连接器原理示意图。
图6是传感器处于弯曲状态的参考坐标图以及传感器弯曲传感原理示意图。
图7是螺旋多芯光纤1扭曲传感原理示意图。
图8是微元ds中光纤应变坐标关系示意图。
图9是传感器各点光强分析原理示意图。
图10是传感器各点光强的Matlab仿真图。
(五)具体实施方式
下面结合附图实施举例对本发明做更详细地描述：
实施例：图1是纤维集成干涉仪并联式三维空间分布式形变传感器结构示意图，也是该传感器具体实施方式。
为了分析螺旋四芯光纤1-1的四根光纤芯由于弯曲而产生的光程差，建立如图6所示螺旋四芯光纤1-1处于弯曲状态的参考坐标。对于图6中的螺旋四芯光纤1-1弯曲坐标系统，假设一节螺旋四芯光纤1-1的长度为L，外围三根纤芯1-1b/1-1c/1-1d到中心纤芯1-1a的距离为r。
光程计算由下式决定：
L＝neffl\*MERGEFORMAT (3)
式中，L为位移台扫描距离，neff为光纤的有效折射率，l为光纤长度。
轴向应变引起光程变化为：
式中：ε为外加应变，Δl为光纤长度变化量。
光纤长度受外界信号调制产生变化，解调出光纤长度变化Δl便可得到被测量。由上式可得到：
在纯弯曲条件下，对于圆截面弹性梁，轴向应变和曲率之间存在以下关系：
在公式(6)中，ε为传感器感测位置承受轴向应变值，ρ为传感器感测位置的曲率半径，C为对应的曲率，D为传感器到中性面的距离。在给定D、C的情况下，能够求出传感器的轴向应变。从公式(5)和(6)可看出，应变与光纤的长度变化Δl成正比，所以曲率C与Δl成正比。这样，通过监视光纤长度变化Δl的大小就可以得到光纤曲率C的变化情况。
当光纤沿着NN'轴作曲率半径为ρ的弯曲时，由图6中的几何关系可以得到纤芯i到中性面的距离：
Di＝ri sin(θb-2π/3-θi)\*MERGEFORMAT (7)把式(7)代入式(5)、(6)中，就可分别得到纤芯i上的光纤长度变化Δli与曲率半径ρ的关系：
式中neffi是纤芯i上的等效折射率。
在实际多芯光纤白光干涉弯曲传感系统中，光纤长度变化Δli可以通过实验数据得到，这样，公式(8)中仅有三个未知量Δli、θb和θi(这里，根据四芯光纤纤芯排布，θ1、θ2和θ3存在固定的位置关系)，所以通过联立三个纤芯对应的光纤长度变化方程(公式(8))就可求解出这三个未知量，进而解算出光纤局部的弯曲半径和弯曲方向。
关于扭转信号的解调如图7所示，螺旋四芯光纤1-1中三个偏芯1-1b/1-1c/1-1d和中心纤芯1-1a对于扭转量的响应不同的特性。由示意图可以看出，螺旋线长度计算公式
式中θt为光纤扭转角度(弧度制)，Lp为光纤长度，r为边芯距离中间芯距离。当螺旋四芯光纤1-1上出现一个沿着光纤轴线的扭转，处于中心位置的中心芯1-1a的长度不会发生变化，处于边缘的边芯1-1b/1-1c/1-1d由于扭转的作用而伸长或者缩短：当扭转方向与螺旋四芯光纤1-1螺旋方向相同时边芯1-1b/1-1c/1-1d由于扭转的作用而变长，反之当扭转方向与螺旋四芯光纤1-1螺旋方向相反时边芯1-1b/1-1c/1-1d由于扭转的作用而变短。
由传感器探测得到的光纤形变参量是离散的数据，需采用插值方法(线性插值、二次插值或者B样条插值)实现数据的连续化，以此得到光纤的曲率以及挠率的连续变化函数κ(s)和τ(s)。进而根据光纤的曲率和挠率的连续变化数据重构光纤所在的三维空间位置函数
为了便于分析，如图8所示，定义沿着光纤弯曲方向的单位切向量
沿着光纤弯曲方向的单位法向量
和负法向量
这里
由弗朗内—塞雷(Frenet-Serret)公式可得：
而弗朗内—塞雷公式的一个重要特征是，
和
可以表示成其积分形式：
一旦标定好传感器的各项参数，确定初始位置(即
和
已知)，联立以上两个公式就可以求出传感器的空间位置函数，重构传感器形变轮廓：
通过弗朗内—塞雷(Frenet-Serret)公式可以将传感阵列的弯曲和扭转抽象为空间三维曲线，将光纤类比为线性基尔霍夫杆，表现为弹性均匀、结构对称、圆形截面密度均匀，于是光纤在三维空间的框架和自然曲线框架之间的关系将保持不变。而光纤曲率和扭转的连续变化函数κ(s)和τ(s)可通过下述方法确定。在传感器进行形状检测的过程中，光纤由于弯曲和扭转使整根传感光纤干涉阵列变成复杂的曲线。
根据四个纤芯的几何关系，如图6所示。纤芯上干涉仪的应变和光纤曲率的关系如下式给出：
纤芯i的局部曲率为
式中εi为第i个干涉仪臂的应变值。
每个纤芯的局部曲率矢量的大小都依赖于其测量的应变和距离光纤中心的径向距离，而矢量方向取决于纤芯的角度偏移。对于4个纤芯的多芯光纤，曲率向量的矢量被定义为
弯曲方向被定义为
对于离散的曲率和弯曲方向采用三次样条插值法对整条光纤的曲率和弯曲方向进行插值，而挠率函数是弯曲角度函数的微分
κ(s)＝θ′(s)\*MERGEFORMAT (17)一旦确定了光纤曲率和扭转的连续变化函数κ(s)和τ(s)，以及传感器的初始位置(即
和
)，就可以由式(11)和(12)重构出传感光纤在空间的三维形状了。
纤维集成干涉仪并联式三维空间分布式形变传感器的信号强度特性分析如下：由于传感器的并行式结构，相互之间没有耦合与干扰，分析其中一路情况，另外几路情况与之相类似。如图9所示，假设由多芯光纤分束器输出至传感器的光强为I0，两光纤熔接处的反射率为Ri(i＝1，2，3……)，透射率为Ti，光通过熔接处时的损耗因子为βi，光纤弯曲损耗因子为γi，第i个与第i+1个螺旋多芯光纤1连接处的透射光强可以表示为
反射光强为
依公式(18)、(19)用matlab仿真结果如图10所示。
如图4，整个过程可以表述为：采用白光扫描解调系统测量螺旋多芯光纤1的纤芯中干涉仪阵列的干涉臂长变化，通过TCP/IP网络接口传送给计算机，编写计算机程序对采集的数据缓存数据、计算数据，通过臂长的差值计算出所受应变的数值，进而计算干涉仪阵列各点的曲率和挠率等参数，对整条多芯光纤的三维形态进行反演，进行坐标拟合、坐标融合，最后利用3D图形实时显示出来。
Claims (2)
1.一种纤维集成干涉仪并联式三维空间分布式形变传感器，其主要特征是：该传感器是由两种螺旋多芯光纤(1)级联而成，螺旋四芯光纤(1-1)与螺旋氟化物包层四芯光纤(1-2)熔接在一起，反复级联，形成一种纤维集成干涉仪并联式三维空间分布式形变传感器，螺旋四芯光纤(1-1)的纤芯与包层折射率分别为n4和n3，螺旋氟化物包层四芯光纤(1-2)的纤芯折射率为n3，纤芯包层折射率为n1，外包层折射率为n2，当二者焊接到一起时，由于二者纤芯存在折射率差，光束在熔接处会有部分反射、部分透射，反射率R由菲涅尔反射定律计算，两光纤之间的折射率差为0.01时，光束在连接面反射率为3.33*10-5，螺旋氟化物包层四芯光纤(1-2)的另一端与另一段螺旋四芯光纤(1-1)熔接在一起，由于螺旋四芯光纤(1-1)的纤芯(1-1a)/(1-1b)/(1-1c)/(1-1d)的折射率与螺旋氟化物包层四芯光纤(1-2)的纤芯(1-2a)/(1-2b)/(1-2c)/(1-2d)折射率存在差值，使得光束在两个光纤的连接处再次发生部分反射、部分透射，反射光束携带了光纤的弯曲以及扭转信息，通过白光扫描解调系统解调前后两个熔接面的反射信号干涉后的信号就可以得到传感器的弯曲以及扭转信息。
2.根据权利要求1所述的一种纤维集成干涉仪并联式三维空间分布式形变传感器，其特征是：采用多芯光纤分束式连接器来实现多芯光纤的每个纤芯的光输入、输出信号的分离，多芯光纤分束式连接器制备过程如下：将石英套管(3)打孔，用于嵌入双包层单模光纤(2)，双包层单模光纤(2)具有三层折射率结构，依次为外包层(2-1)、内包层(2-2)以及纤芯(2-3)，嵌入完毕后对石英套管(3)进行熔融拉锥，使双包层单模光纤(2)的纤芯(2-3)逐渐减小至模式截止，内包层(2-2)逐渐转化为光波的主要传输层，当锥腰处双包层单模光纤(2)的内包层(2-2)的传输模式与螺旋四芯光纤(1-1)的传输模式相匹配时停止拉锥；在锥腰处将石英套管(3)截断并与螺旋四芯光纤(1-1)焊接，得到多芯光纤分束式连接器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
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Application publication date: 20190531 Assignee: Beijing Fibo Optoelectronics Technology Co.,Ltd. Assignor: GUILIN University OF ELECTRONIC TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980045289 Denomination of invention: Fiber Integrated Interferometer Parallel Structure 3D Spatial Distributed Deformation Sensor Granted publication date: 20210928 License type: Common License Record date: 20231102 |