CN109855555B - 一种可实现轴向应变补偿的光纤弯曲传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现轴向应变补偿的光纤弯曲传感器，传感器包括：单模光纤；第一偏芯光纤；第二偏芯光纤；两段偏芯光纤的纤芯与单模光纤纤芯对准，分别熔接于所述单模光纤的两端，且第一偏芯光纤和第二偏芯光纤的截面在几何上呈正交关系；两个中心波长不同的光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)，分别对称地写入于两个熔接点处，在弯曲时位于熔接点两侧的FBG产生不同的反射峰波长，从而等效形成四个FBG。本发明利用单模光纤在弯曲时其FBG的中心波长漂移仅受轴向应变的影响，来补偿在曲率解调时偏芯光纤引入的轴向应变，消除了传统曲率传感器存在的曲率测量误差，实现纯曲率值及弯曲方向的测量。

Description

一种可实现轴向应变补偿的光纤弯曲传感器

技术领域

本发明涉及一种可实现轴向应变补偿的光纤弯曲传感器。

背景技术

曲率是描述物体形状的一个重要参数，通过对曲率的测量可以了解物体形状的变化趋势。曲率传感器在结构体健康监测、航空航天、机器人学、表面形状测量等方面具有广泛的应用前景，其中基于光纤光栅的曲率传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强和准分布式测量等优点得到国内外学者的青睐。

Y.P.Wang等人提出的一种基于级联的长周期光纤光栅(Long PeriodFiberGrating,LPG)曲率传感器，用紫外曝光写入的LPG只受曲率的影响，而两个二氧化碳激光器写入的LPG用于解调弯曲方向(Y.P.Wang,Y.J.Rao.“ANovel Long Period Fiber GratingSensor Measuring Curvature and Determining Bend-Direction Simultaneously,”IEEE Sensors Journal,2005,5(5):839～843.)。此外，J.Kong等人提出了一种基于正交级联偏芯光纤布拉格光栅的二维弯曲传感器，该方案通过比较两个偏芯光纤的中心波长漂移来解调曲率和弯曲方向。(J.Kong,A.Zhou,C.Cheng,et al.“Two-Axis Bending SensorBased on Cascaded Eccentric Core Fiber Bragg Gratings,”IEEE PhotonicsTechnology Letters,2016,28(11):1237～1240.)。

然而在实际应用中，弯曲传感器在弯曲时往往伴随着附加的轴向应变，输出的传感信号是弯曲应变与轴向应变的共同作用结果。现有的弯曲传感器解调方案无法区分弯曲应变和轴向应变，因此曲率解调时存在误差。

为解决现有方案中存在的问题，本发明提出了一种可实现轴向应变补偿的光纤弯曲传感器，不但可以实现纯曲率测量，还能区分弯曲方向。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可实现轴向应变补偿的光纤弯曲传感器，解决现有技术无法区分弯曲应变和轴向应变导致曲率解调时存在误差的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种可实现轴向应变补偿的光纤弯曲传感器，包括：

单模光纤；

第一偏芯光纤，其纤芯与所述单模光纤的纤芯对准后熔接于所述单模光纤的其中一端；

第二偏芯光纤，其纤芯与所述单模光纤的纤芯对准后熔接于所述单模光纤的另外一端，且第一偏芯光纤和第二偏芯光纤的截面在几何上呈正交关系；

两个中心波长不同的FBG(Fiber Bragg Grating,光纤光栅)，分别对称写入两个熔接点处，位于熔接点两侧的FBG产生不同的反射峰波长；

当传感器弯曲时，所述第一偏芯光纤和所述第二偏芯光纤受到弯曲和轴向应变的共同影响，而所述单模光纤仅受到轴向应变影响，因此位于熔接点两侧的FBG的纤芯折射率和光栅周期将不同，产生不同的反射峰波长，从而等效形成4个FBG。

进一步地，所述两个中心波长不同的FBG的波长所具有的差异，使得在光纤弯曲时等效形成的四个FBG的反射谱不重叠。

进一步地，所述单模光纤的长度应大于其两端写入的FBG长度之和，确保两端的FBG在单模光纤中不重叠；在此基础上，单模光纤长度尽量短以确保两个熔接点处具有相同的曲率。

进一步地，偏芯光纤与单模光纤均只支持基模信号传输，且两者的纤芯直径相同。

进一步地，FBG的写入方式包括相位掩膜法、飞秒激光直写法或电弧放电制备法在内的任意一种，而熔接点两侧的FBG写入参数应一致

本发明的有益效果是：

本发明利用普通单模光纤在弯曲时其FBG的中心波长漂移仅受轴向应变的影响，来补偿在曲率解调时偏芯光纤引入的轴向应变，消除了传统曲率传感器存在的曲率测量误差，实现纯曲率值及弯曲方向的测量。此外，所发明传感器还具有结构简单、成本低等特点。

附图说明

图1为本发明的光纤弯曲传感器的结构示意图；

图2为本发明的光纤弯曲传感器沿Z轴方向弯曲的光纤剖面图；

图3为本发明的光纤弯曲传感器的截面示意图；

图4为本发明的光纤弯曲传感器弯曲时的FBG反射谱示意图；

图5为本发明的解调系统光路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种可实现轴向应变补偿的光纤弯曲传感器，解决现有技术无法区分弯曲应变和轴向应变导致曲率解调时存在误差的问题。

具体地，如图1～图3所示，一种可实现轴向应变补偿的光纤弯曲传感器，包括：

单模光纤；

第一偏芯光纤，其纤芯与所述单模光纤的纤芯对准后熔接于所述单模光纤的其中一端；

第二偏芯光纤，其纤芯与所述单模光纤的纤芯对准后熔接于所述单模光纤的另外一端，且第一偏芯光纤和第二偏芯光纤的截面在几何上呈正交关系；

两个中心波长不同的FBG，分别对称写入于两个熔接点(如图1所示，第一偏芯光纤与单模光纤之间的为熔接点1，第二偏芯光纤与单模光纤之间的为熔接点2)处，位于熔接点两侧的FBG产生不同的反射峰波长，当传感器弯曲时，所述第一偏芯光纤和所述第二偏芯光纤受到弯曲和轴向应变的共同影响，而所述单模光纤仅受到轴向应变影响，因此位于熔接点两侧的FBG的纤芯折射率和光栅周期将不同，产生不同的反射峰波长，从而等效形成4个FBG。这些因素将导致光纤纤芯折射率和光栅周期的变化，从而导致FBG反射谱中心波长的漂移，因此位于熔接点两侧的FBG产生不同的反射峰波长，从而等效形成4个FBG(即图中的FBG1、FBG2、FBG3和FBG4)。

优选地，在本实施例中，所述偏芯光纤和单模光纤的直径均为8.5μm，包层直径为125μm，所选用的两个偏芯光纤的纤芯距离光纤端面几何中心距离均为27μm；而每次写入的FBG长度在1-2cm范围内，每个FBG的长度在0.5-1cm范围内，对称的分布在熔接点的两侧。

其中，在本实施例中，FBG的写入方式包括相位掩膜法、飞秒激光直写法或电弧放电制备法在内的任意一种，而熔接点两侧的FBG写入参数应一致。

优选地，对于写入于两个熔接点的两个中心波长不同的FBG，采用相位掩膜法分别写入，并且近似对称的分布于熔接点两侧。

具体地，由于偏芯光纤的纤芯偏离其中性轴，当传感器弯曲时，其纤芯受弯曲和轴向拉力产生的应变而使FBG产生中心波长漂移；而普通单模光纤的纤芯位于其中性轴上，其纤芯中的FBG仅受轴向应变产生中心波长漂移。因此可以利用普通单模光纤中FBG的中心波长漂移量解调出传感器弯曲时所引入的轴向应变，并用于补偿偏芯光纤中FBG在弯曲时引入的轴向应变产生的中心波长漂移，再结合两个正交偏芯光纤补偿后的FBG中心波长漂移量解调出曲率和弯曲方向。具体地解调方式如实施例2中所示。

优选地，在本实施例中，为实现对FBG反射波长的准确监测，所述两个中心波长不同的FBG的波长所具有的差异应该为较大差异，从而使得在光纤弯曲时等效形成的四个FBG的反射谱不重叠。

并且偏芯光纤的纤芯与中性轴的偏移距离应尽可能远，以提高弯曲传感的灵敏度。

另外，在本实施例中，所述单模光纤的长度应大于其两端写入的FBG长度之和，确保两端的FBG在单模光纤中不重叠；在此基础上，单模光纤长度尽量短以确保两个熔接点处具有相同的曲率。

实施例2

基于实施例1的实现，本实施例还提供采用实施例1中所述的一种可实现轴向应变补偿的光纤弯曲传感器的解调方法，包括以下步骤：

获取单模光纤中FBG的中心波长漂移量；

利用所述单模光纤中FBG的中心波长漂移量解调出传感器弯曲时引入的轴向应变，并补偿两个偏芯光纤中FBG在弯曲时引入的轴向应变产生的中心波长漂移；

结合正交的第一偏芯光纤和第二偏芯光纤补偿后的FBG中心漂移量，解调出曲率和弯曲方向。

优选地，在本实施例中，所述补偿两个偏芯光纤中FBG在弯曲时由于纯弯曲作用产生的中心波长漂移的公式如下：

式中，Δλ_ECF为传感器弯曲时偏芯光纤中FBG总的波长漂移，

为偏芯光纤受轴向拉力引入的FBG波长漂移；具体地：

式中，

为偏芯光纤的轴向拉力引入的应变灵敏度，

为单模光纤受轴向拉力引入的应变灵敏度，Δλ_SMF为传感器弯曲时单模光纤中FBG的波长漂移。

优选地，在本实施例中，结合正交的第一偏芯光纤和第二偏芯光纤补偿后的FBG中心漂移量，解调出曲率C和弯曲方向θ的公式分别如下：

式中，λ_ECF1和λ_ECF2分别为第一偏芯光纤和第二偏芯光纤的原始中心波长，

和

分别为第一偏芯光纤和第二偏芯光纤补偿轴向应变后的FBG中心波长变化量，p_e为光弹系数，r为偏芯光纤纤芯距其截面几何中心的距离，弯曲方向θ为弯曲方向与偏芯光纤纤芯与其截面几何中心连线的夹角。

具体地，对于上述公式的理论分析如下：

当光纤弯曲时偏芯光纤会受到拉伸或压缩：

ΔL＝L′-L＝α·D (1)

其中L′和L分别是偏芯光纤纤芯变形后的长度和原始长度，α为弯曲后圆心角弧度，D是偏芯光纤弯曲时光纤中心到中性面的距离。

第一偏芯光纤和第二偏芯光纤由于弯曲所引发的应变和曲率的关系为：

其中ε₁和ε₂分别为第一偏芯光纤和第二偏芯光纤弯曲时所产生的应变，D₁和D₂是两个偏芯光纤纤芯距中性面的距离，R是弯曲时的曲率半径，C是其对应的曲率。

在本实施例中，定义弯曲方向角θ为弯曲方向、与第二偏芯光纤纤芯和其截面几何中心连线的夹角，r为偏芯光纤纤芯距其截面几何中心的距离，则θ和D₁D₂的关系可以表示为：

D₁＝r sinθ (4)

D₂＝r cosθ (5)

由于偏芯光纤和单模光纤的材质相同，其受轴向应变也相同。偏芯光纤的轴向拉力引入的应变灵敏度为

单模光纤受轴向拉力引入的应变的灵敏度为

则偏芯光纤和单模光纤受相同轴向应变时FBG的波长漂移量关系为：

式中，Δλ_SMF为传感器弯曲时单模光纤中FBG的波长漂移。

由公式(6)可知由纯弯曲导致偏芯光纤FBG的中心波长变化量为：

Δλ_ECF为传感器弯曲时偏芯光纤中FBG总的波长漂移，再根据光弹效应，偏芯光纤中的FBG反射谱由的中心波长变化为：

其中λ_ECF1和λ_ECF2分别为两根偏芯光纤的原始中心波长,p_e为光弹系数(取值近似为0.22)。

根据公式(7)和公式(8)可得到曲率值和弯曲方向为：

最后由光谱仪检测出传感器中4个FBG的反射谱(如图4所示)，结合公式(6)和

计算出仅由弯曲引起的偏芯光纤中FBG的中心波长漂移量，再根据公式(9)和公式(10)求出无轴向应变干扰下的曲率和弯曲方向。

实施例3

基于实施例1的实现，如图5所示，本实施例还提供一种可实现轴向应变补偿的光纤弯曲传感解调系统，包括：

宽带光源；

光环形器，端口1接收所述宽带光源的宽带信号；

如权利要求1～5中任意一项所述的光纤弯曲传感器，通过所述光环形器的端口1接收所述宽带信号，并将四个FBG的反射信号反射至光环形器的端口2最后从光环形器端口3输出。

光谱仪，通过所述光环形器的端口3接收所述反射信号，测量四个FBG的反射谱。

优选地，在本实施例中，光环形器的端口2连接至光纤弯曲传感器的第一偏芯光纤或第二偏芯光纤。并且宽带光源与光环形器的端口1之间、光环形器的端口2与第一偏芯光纤之间或者光环形器的端口2与第二偏芯光纤之间、光环形器的端口3与光谱仪之间，均采用普通单模光纤连接，为了避免与传感器中的单模光纤混淆，在下文中称之为链路单模光纤。

以光环形器的端口2连接至光纤弯曲传感器的第一偏芯光纤为例，在实际测量时，宽带光源发出的宽带信号经光环形器端口1进入链路单模光纤，链路单模光纤与第一偏芯光纤的纤芯相熔接，实现光信号注入到光纤弯曲传感器中，4个FBG的反射信号由第一偏芯光纤通过链路单模光纤送入光环形器2端口并由3端口输出，最后由光谱仪测量4个FBG的反射谱。

由于在弯曲时偏芯光纤中的FBG受到弯曲应变和轴向应变而产生中心波长的漂移，而普通单模光纤的FBG的中心波长漂移只与轴向应变有关，即可通过普通单模光纤FBG的中心波长漂移得出轴向应变进而使用实施例2中的公式(6)计算出所对应的偏芯光纤由轴向应变所引起的FBG中心波长漂移作为轴向应变补偿。从补偿后两个相互正交的偏芯光纤FBG的中心波长漂移情况并通过实施例2中的公式(9)、(10)分别解调出曲率及弯曲方向。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种可实现轴向应变补偿的光纤弯曲传感器，其特征在于：包括：

单模光纤；

第一偏芯光纤，其纤芯与所述单模光纤的纤芯对准后熔接于所述单模光纤的其中一端；

第二偏芯光纤，其纤芯与所述单模光纤的纤芯对准后熔接于所述单模光纤的另外一端，且第一偏芯光纤和第二偏芯光纤的截面在几何上呈正交关系；

两个中心波长不同的FBG，分别对称写入两个熔接点处，位于熔接点两侧的FBG产生不同的反射峰波长；

当传感器弯曲时，所述第一偏芯光纤和所述第二偏芯光纤受到弯曲和轴向应变的共同影响，而所述单模光纤仅受到轴向应变影响，因此位于熔接点两侧的FBG的纤芯折射率和光栅周期将不同，产生不同的反射峰波长，从而等效形成4个FBG；

由于偏芯光纤的纤芯偏离其中性轴，当传感器弯曲时，其纤芯受弯曲和轴向拉力产生的应变而使FBG产生中心波长漂移；而单模光纤的纤芯位于其中性轴上，其纤芯中的FBG仅受轴向应变产生中心波长漂移；因此利用单模光纤中FBG的中心波长漂移量解调出传感器弯曲时所引入的轴向应变，并用于补偿偏芯光纤中FBG在弯曲时引入的轴向应变产生的中心波长漂移，再结合两个正交偏芯光纤补偿后的FBG中心波长漂移量解调出曲率和弯曲方向。

2.根据权利要求1所述的一种可实现轴向应变补偿的光纤弯曲传感器，其特征在于：所述两个中心波长不同的FBG的波长所具有的差异，使得在光纤弯曲时等效形成的四个FBG的反射谱不重叠。

3.根据权利要求1所述的一种可实现轴向应变补偿的光纤弯曲传感器，其特征在于：所述单模光纤的长度应大于其两端写入的FBG长度之和，确保两端的FBG在单模光纤中不重叠；在此基础上，单模光纤长度尽量短以确保两个熔接点处具有相同的曲率。

4.根据权利要求1所述的一种可实现轴向应变补偿的光纤弯曲传感器，其特征在于：偏芯光纤与单模光纤均只支持基模信号传输，且两者的纤芯直径相同。

5.根据权利要求1所述的一种可实现轴向应变补偿的光纤弯曲传感器，其特征在于：FBG的写入方式包括相位掩膜法、飞秒激光直写法或电弧放电制备法在内的任意一种，而熔接点两侧的FBG写入参数应一致。

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