CN109839071B - 纤维集成干涉仪串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串联结构三维空间分布式形变传感器，其主要特征是：该传感器是由双包层光纤1、螺旋多芯光纤2等部分串联组成，集成于一根光纤上的三维空间分布式形变传感器。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，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，使其即便是在高温条件下也可以正常工作。另外，该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串联结构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串联结构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。而且，由于传感器仅是一段多芯光纤与一段双包层光纤反复串联熔接而成，没有任何用于连接的接插件，由于该光纤传感器结构的对称性，每根纤芯的光程所处的环境温度可以视为相同，因此温度对每根纤芯光程的影响都近似相同，使得其传感特性不受环境温度的影响。该光纤传感器具有耐高温特性，即是在高温条件下几乎不受影响，因此特别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串联结构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：该光纤传感器是由双包层光纤1、螺旋多芯光纤2等部分反复串联组成的纤维集成干涉仪串联结构三维空间分布式形变传感器。
本发明的基本原理是基于菲涅尔反射定律以及热扩散效应。图1中所示双包层光纤1折射率分为三层，分别为n1、n2和n3，它们之间的关系是n1>n2>n3(假设螺旋多芯光纤2纤芯以及包层折射率分别为n2和n3)。当一段这种双包层光纤1与螺旋多芯光纤2焊接到一起时，两端光纤连接面如图1所示，由于二者纤芯存在折射率差，光波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多芯光纤2中间芯2-a中。
螺旋多芯光纤2在螺旋之前为普通掺杂多芯光纤，要先进行热扩散然后再螺旋。以螺旋四芯光纤2-1为例：先对四芯光纤进行加热，使四芯光纤纤芯产生热扩散效应，再扭转成螺旋四芯光纤2-1。在热扩散效应下，纤芯掺杂离子向包层进行热扩散，进而引起纤芯周围的折射率发生变化，造成的效果等效为四根纤芯各自向四周进行扩散(如图1中所示)。当纤芯向四周扩散到一定程度时，引起四芯光纤中心纤芯2-1a的光向另外三个边芯2-1b/2-1c/2-1d发生耦合作用，使光信号耦合到另外三个光纤芯中。
螺旋四芯光纤2-1另一端与双包层光纤1熔接在一起，连接处如图1中所示，由于四芯光纤的边芯2-1b/2-1c/2-1d的折射率与双包层光纤1最外层包层1-c折射率存在差值，使得部分光沿边芯2-1b/2-1c/2-1d返回并在热扩散区进行耦合，使边芯2-1b/2-1c/2-1d中的光场再次耦合到中心纤芯2-1a中并返回到双包层光纤1中。其反射率依公式(1)可得
螺旋四芯光纤2-1中返回的光束携带了光纤的弯曲以及扭转信息，上文提到双包层光纤1与螺旋四芯光纤2-1熔接处有反射光束，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。
纤维集成干涉仪串联结构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：由双包层光纤1与螺旋七芯光纤2-2反复串联焊接组成；由氟化物包层单芯光纤1-1与螺旋四芯光纤2-1反复串联焊接组成；由氟化物包层单芯光纤1-1与螺旋七芯光纤2-2反复串联焊接组成：氟化物包层单芯光纤1-1与螺旋四芯光纤2-1反复串联焊接组成(如图2所示)，由于氟化物包层单芯光纤1-1纤芯折射率较螺旋四芯光纤2-1纤芯折射率低，二者存在折射率差，进而在焊接处会产生一组反射信号，另外在螺旋四芯光纤2-1与氟化物包层单芯光纤1-1焊接处处产生另一组反射信号。螺旋四芯光纤2-1经过热扩散处理，使得纤芯2-1a光场能量可以耦合到三个边芯2-1b/2-1c/2-1d中，同时三个边芯2-1b/2-1c/2-1d的光场能量也能通过热扩散部分返回到中心纤芯2-1a中。三个纤芯2-1b/2-1c/2-1d折射率不会完全相同，即会产生三组干涉信号，通过解调即可得出弯曲方向、弯曲角度以及扭转等信息。双包层光纤1与螺旋七芯光纤2-2反复串联焊接组成(如图3所示)以及氟化物包层单芯光纤1-1与螺旋七芯光纤2-2反复串联焊接组成(如图4所示)工作原理与之相类似。
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串联结构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串联结构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是纤维集成干涉仪串联结构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，由双包层光纤1、螺旋四芯光纤2-1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；下部是双包层光纤1以及螺旋四芯光纤2-1的横截面图以及折射率分布图。如图所示，双包层光纤1分为三层，中心纤芯折射率为n1，第二层的折射率为n2，最外层的折射率为n3，三层折射率关系为n1>n2>n3；而螺旋四芯光纤2四根纤芯折射率约为n2，与双包层光纤1的第二层折射率相同，其中一个纤芯2-1a位于中心，另外三个芯2-1b/2-1c/2-1d呈正三角分均匀分布在中间芯周围，其中芯2-1b/2-1c/2-1d到光纤中心的距离为r2，双包层光纤1的第二层半径为r1，r1<r2。
图2是氟化物包层单芯光纤1-1与螺旋四芯光纤2-1串联焊接在一起组成传感器示意图。
图3是双包层光纤1与螺旋七芯光纤2-2串联焊接在一起组成传感器示意图。
图4是氟化物包层单芯光纤1-1与螺旋七芯光纤2-2串联焊接在一起组成传感器示意图。
图5是螺旋四芯光纤2-1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6是螺旋四芯光纤2-1扭曲传感原理示意图。
图7是微元ds中光纤应变坐标关系示意图
图8是三维形变的数据重构与图形显示软件结构框图。
(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是纤维集成干涉仪串联结构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2-1的四根光纤芯由于弯曲而产生的光程差，建立如图5所示螺旋四芯光纤2-1处于弯曲状态的参考坐标。对于图中的螺旋四芯光纤2-1弯曲坐标系统，假设螺旋四芯光纤2-1热耦合处到四芯光纤端面的长度为L，外围三根纤芯2-1b/2-1c/2-1d到中心纤芯2-1a的距离为r。
光程计算由下式决定：
L＝neffl (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5中的几何关系可以得到纤芯i到中性面的距离：
Di＝risin(θb-2π/3-θi) (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6所示，螺旋四芯光纤2-1中三个偏芯2-1b/2-1c/2-1d和中心纤芯2-1a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2-1上出现一个沿着光纤轴线的扭转，处于中心位置的中心芯2-1a的长度不会发生变化，处于边缘的边芯2-1b/2-1c/2-1d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2-1螺旋方向相同时边芯2-1b/2-1c/2-1d由于扭转的作用而变长，反之当扭转方向与螺旋四芯光纤2-1螺旋方向相反时边芯2-1b/2-1c/2-1d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7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5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) (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。
如图8，整个过程可以表述为：采用白光扫描解调系统测量螺旋四芯光纤2-1的四根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串联结构三维空间分布式形变传感器，其主要特征是：该传感器是由双包层光纤1、螺旋多芯光纤2串联而成，双包层光纤1、螺旋多芯光纤2熔接在一起，反复串联，形成一种纤维集成干涉仪串联结构三维空间分布式形变传感器，双包层光纤1折射率分为三层，分别为n1、n2和n3，它们之间的关系是n1>n2>n3，螺旋多芯光纤2的纤芯以及包层折射率分别为n2和n3，当双包层光纤1与螺旋多芯光纤2焊接到一起时， 由于二者纤芯存在折射率差，光波在熔接处会有部分反射、部分透射，根据两个纤芯的折射率差，在熔接处仅有10-5量级的光信号发生反射，其余的光透射到螺旋多芯光纤2的中间芯中，在热扩散效应下，螺旋多芯光纤2的各个纤芯掺杂离子向包层进行热扩散，进而引起各个纤芯周围的折射率发生变化，造成的效果等效为各个纤芯各自向四周进行扩散，纤芯扩散到一定程度时，引起螺旋多芯光纤2中间芯的光向另外几个边芯耦合，使光信号耦合到另外几个边芯中，螺旋多芯光纤2的另一端与另一段双包层光纤1熔接在一起，由于螺旋多芯光纤2的边芯的折射率与双包层光纤1最外层包层的折射率存在差值，使得部分光沿边芯返回并在热扩散区进行耦合，使边芯的光场再次耦合到中间芯中并返回到双包层光纤1中，螺旋多芯光纤2中返回的光束携带了光纤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串联结构三维空间分布式形变传感器，其特征是：纤维集成干涉仪串联结构三维空间分布式形变传感器的结构可以是下述几种形式：
(1)由双包层光纤与螺旋四芯光纤反复串联焊接组成；
(2)由双包层光纤与螺旋七芯光纤反复串联焊接组成；
(3)由氟化物包层单芯光纤与螺旋四芯光纤反复串联焊接组成；
(4)由氟化物包层单芯光纤与螺旋七芯光纤反复串联焊接组成。
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Application publication date: 20190604 Assignee: Beijing Fibo Optoelectronics Technology Co.,Ltd. Assignor: GUILIN University OF ELECTRONIC TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980045289 Denomination of invention: Fiber integrated interferometer series structure three-dimensional spatial distributed deformation sensor Granted publication date: 20210406 License type: Common License Record date: 20231102 |
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