CN110118539A - 一种克服温度干扰的光纤倾角传感器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种克服温度干扰的光纤倾角传感器，本发明属于光纤传感技术领域，包括在用于与普通单模光纤连接的一端插入光纤陶瓷插芯、且内含一段FBG的偏心光纤；所述FBG在偏心光纤中部分位于所述光纤陶瓷插芯包含范围内、另一部分伸出光纤陶瓷插芯的包含范围；所述偏心光纤的另一端连接有配重，是一种具有结构简单、成本低等特点、基于偏芯光纤光栅的温度不敏感型光纤倾角传感器及克服温度干扰的方法。

Description

一种克服温度干扰的光纤倾角传感器及方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种克服温度干扰的光纤倾角传感器及方法。

背景技术

光纤传感器是一种将被测对象的状态转变为可测的光信号的传感器。光纤传感器的工作原理是将光源入射的光束经由光纤送入传感单元，在调制器内与外界被测参数的相互作用，使光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为携带传感信息的光信号，再经过光纤送入光电器件、经解调器后获得被测参数。整个过程中，光束经由光纤导入，通过传感单元后再射出，其中光纤的作用首先是传输光束，其次是起到光调制器传感器的作用。如现有技术中，公开号为CN208140044U，公开时间为2018年11月23日，名称为“一种光纤倾角传感器”的中国实用新型专利文献，公开了一种光纤倾角传感器，底板上设置有第一夹块与第二夹块，第一夹块与第二夹块之间形成一卡口，第一夹块与第二夹块兼作挡块，卡口内配置有一重锤，重锤上端与悬臂梁的自由端相连接，悬臂梁的两侧分别设置有光纤光栅，底板配置有一倾角筒体，倾角筒体上方配置有顶盖，顶盖与悬臂梁的上端相连接，第一夹块、第二夹块、重锤与悬臂梁均布置在倾角筒体内。当浮盘发生倾斜时，光纤倾角传感器内的重锤会发生倾斜，使悬臂梁所受应力相应变化，悬臂梁两侧的光纤光栅所受挠曲应变也随之变化，通过变化的对应关系得知浮盘倾斜角度。

光纤传感器具有抗电磁干扰、体积小、重量轻、耐腐蚀、灵敏度高等诸多优点，已被国内外公认为最具有发展前途的高新技术产业之一。利用光纤光栅进行倾角或曲率测量也逐渐普遍，然而其主要缺点在于系统受外界环境的影响较大，光纤光栅对温度与应变同时敏感，因而存在交叉敏感的问题。为了解决这一问题，提出了多种方案。

例如，B. O. Guan等人提出的实现温度不敏感的光纤倾角传感器方案需要4个中心波长不同的光纤布拉格光栅（B. O. Guan，H. Y. Tam，and S. Y. Liu，“Temperatureindependent fiber Bragg grating tilt sensor”, IEEE Photon.Technol.Lett.16，224–226，2004），通过测量两组FBG的波长间隔实现温度不敏感的二维倾角测量。该方案需要多个FBG，且结构复杂。

而G. A. Miller等人提出基于多芯光纤布拉格光栅的倾斜传感器，该倾斜传感器需要在多个纤芯中写入光纤布拉格光栅，且传感信息的提取需要用到多芯光纤专用的扇入/扇出装置，增加了器件成本。

发明内容

本发明的目的在于针对现有方案中存在的问题，提出一种基于偏芯光纤光栅的温度不敏感型光纤倾角传感器，该传感器仅需在偏芯光纤中写入单个光纤布拉格光栅，并通过构造光栅反射谱分裂的方法，即可实现克服温度干扰的倾角测量。

本发明的一种克服温度干扰的光纤倾角传感器，其特征在于：包括一端插入光纤陶瓷插芯、且内含一段FBG（即光纤布拉格光栅Fiber Bragg Grating，也可写作光纤BRAGG光栅）的偏心光纤（也作偏芯光纤，eccentric-core fiber, ECF），偏心光纤在发生弯曲的时候，由于其纤芯不在中性轴上，因此由于弯曲其纤芯上会产生不同的应力表现，这样就可以采集到应力变化数据用于计算出倾斜角度；所述FBG在偏心光纤中部分位于所述光纤陶瓷插芯包含范围内、另一部分伸出光纤陶瓷插芯的包含范围；所述偏心光纤的另一端连接有配重，使偏心光纤带有配重的一端汇同其内未插入光纤陶瓷插芯中的FBG构成可弯曲的自由端；当传感器倾斜时，位于陶瓷插芯内部与外部的两部分FBG将受到不同的弯曲应变，原有FBG等效形成两个子FBG，产生不同的反射峰波长，反射谱分裂为两个峰。通过测量两个反射峰之间的波长间隔，实现对倾斜角度的解调。由于两个子FBG相互紧邻，具有相同的温度系数，因而两个反射峰的波长间隔不受温度的影响，所发明的光纤倾角传感器具有温度不敏感的特性。

一般的，所述偏心光纤插入光纤陶瓷插芯的一端与普通单模光纤相连。所述普通单模光纤和偏心光纤均包括中间的纤芯以及包裹在所述纤芯外的包层，所述包层外还涂覆有涂敷层，包层与纤芯的折射率不同，将光信号封闭在纤芯中传输并起到保护纤芯的作用；所述普通单模光纤的纤芯在其包层中位于普通单模光纤的轴向中性轴上；普且通单模光纤和偏心光纤的纤芯和包层的直径均相同；所述偏心光纤的纤芯则未处于其包层的轴向中性轴上；且所述普通单模光纤和偏心光纤的纤芯对齐，所述FBG写入在偏心光纤的纤芯中。

所述纤芯的材质为含有掺杂剂的高纯二氧化硅，所述掺杂剂包括五氧化二磷和二氧化锗中的一种或多种，五氧化二磷和二氧化锗等作为掺杂剂的功能是增加折射率。

所述包层的材质为掺杂了氟和/或硼的高纯二氧化硅，氟和/或硼的高纯二氧化硅作为掺杂剂的功能是降低折射率，且所述包层的外径为125μm。

所述FBG是采用相位掩膜写入或飞秒激光写入的方式写入偏心光纤的纤芯中；所述FBG的长度应为1cm~3cm，且位于陶瓷插芯包含范围内的与伸出光纤陶瓷插芯包含范围外的FBG长度相等。

所述FBG的反射率在10%~30%，确保分裂后的两个反射峰幅值清晰可辨，且两个反射峰的幅值近似相等。

所述配重为环氧树脂重物小球，配重增大倾斜时的光纤弯曲度来提高灵敏度，选用“环氧树脂重物小球”的原因是制作工艺简单，只需要将液体的环氧树脂滴在光纤末端，一段时间后环氧树脂将固化，牢固的粘在光纤上，并且环氧树脂小球重量合适，不易折断光纤。

本发明还公开了一种光纤倾角传感器克服温度干扰的方法，其特征在于：

将内含一段FBG的偏心光纤的一端插入光纤陶瓷插芯中并与普通单模光纤连接，其中偏心光纤和普通单模光纤的纤芯对齐，而所述FBG的一部分随偏心光纤插入光纤陶瓷插芯中，在偏心光纤的另一端加上一个配重，使偏心光纤带有配重的一端汇同其内未插入光纤陶瓷插芯中的FBG构成可弯曲的自由端；

当传感器倾斜时，偏心光纤的自由端发生弯曲，偏心光纤中的FBG，随偏心光纤插入光纤陶瓷插芯中的部分与另一部分受到不同的弯曲应变，反射波长发生改变，使原FBG等效形成两个子FBG，收集等效形成的两个子FBG反射峰波长，位于陶瓷插芯内部的FBG不受光纤倾斜而产生应变，反射波长保持不变；而位于陶瓷插芯外部的FBG受光纤倾斜引入的应变，获得分裂为两个反射峰的反射谱，测量两个反射峰之间的波长间隔，实现对倾斜角度的计算，位于陶瓷插芯内部与外部的两部分FBG，由于相互紧邻，因而具有相同的温度系数，当温度发生改变时，两反射峰向同一方向漂移，但波长间隔保持不变，因而该倾角传感器具有温度不敏感的特性。

由于偏心光纤是纤芯偏离包层中心的非对称结构，而常规的光纤仪器接口都是普通的单模光纤，因此使用偏心光纤首要考虑的就是偏心光纤中光的输入输出问题，解决的方法就是将偏心光纤端头与普通单模光纤进行连接，由普通单模光纤将光导入/导出偏芯光纤，而偏心光纤与普通光纤一般有两种连接方法：即对芯熔接的方法和包层对准熔接后拉锥的方法。

本发明所提供的这种光纤倾角传感器，将偏心光纤中的一段FBG分为两部分，利用偏芯光纤在温度变化时两段FBG的中心波长漂移相同，消除了温度对光纤光栅传感的影响，之后通过测量两个子FBG反射峰之间的波长间隔，实现对光纤倾斜角度的计算。此外，传统的温度不敏感光纤倾角传感器大多需要多个FBG，或基于多芯光纤的倾斜传感器需要扇入/扇出（Fan In/Out）装置，而本发明中的传感器仅需一段包含单个FBG的偏芯光纤，且传感信息通过普通单模光纤就可以提取，具有结构简单、成本低等特点。

在弯曲的作用下，偏心光纤光栅的反射光波长随着弯曲曲率的大小及弯曲方向变化而变化，当θ为90°和270°时，光栅分别达到正/负弯曲最敏感方向，而在0°和180°时，此时光栅位于中性面上，对于弯曲不敏感。利用偏心光纤中FBG对弯曲大小及弯曲方向的敏感特性，可用其来进行一维方向性弯曲传感。

附图说明

本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：

图1是本发明的一种结构示意图；

图2为本发明的光纤结构示意图；

图3为本发明光纤倾角传感器弯曲时反射率示意图；

图中：

1、普通单模光纤；2、光纤陶瓷插芯；3、偏心光纤；4、FBG；5、配重；6、纤芯；7、包层；8、涂敷层。

具体实施方式

下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。

实施例1

本实施例公开了一种克服温度干扰的光纤倾角传感器，如图1所示，包括一端插入光纤陶瓷插芯2、且内含一段FBG4的偏心光纤3，偏心光纤3在发生弯曲的时候，由于其纤芯6不再中性轴上，因此由于弯曲其纤芯6上会产生不同的应力表现，这样就可以采集到应力变化数据用于矫正；所述FBG4在偏心光纤3中部分位于所述光纤陶瓷插芯2包含范围内、另一部分伸出光纤陶瓷插芯2的包含范围；所述偏心光纤3的另一端连接有配重5，使偏心光纤3带有配重5的一端汇同其内未插入光纤陶瓷插芯2中的FBG4构成可弯曲的自由端；当传感器倾斜时，位于陶瓷插芯内部与外部的两部分FBG4将受到不同的弯曲应变，原有FBG4等效形成两个子FBG4，产生不同的反射峰波长，反射谱分裂为两个峰。通过测量两个反射峰之间的波长间隔，实现对倾斜角度的解调。由于两个子FBG4相互紧邻，具有相同的温度系数，因而两个反射峰的波长间隔不受温度的影响，所发明的光纤倾角传感器具有温度不敏感的特性。

实施例2

本实施例公开了一种克服温度干扰的光纤倾角传感器，在实施例1的基础上，进一步的，所述偏心光纤3插入光纤陶瓷插芯2的一端与普通单模光纤1连接的，并且如图2所示，所述普通单模光纤1和偏心光纤3均包括中间的纤芯6以及包裹在所述纤芯6外的包层7，所述包层7外还涂覆有涂敷层8，包层7与纤芯6的折射率不同，将光信号封闭在纤芯6中传输并起到保护纤芯6的作用；所述普通单模光纤1的纤芯6在其包层7中位于普通单模光纤1的轴向中性轴上，所述偏心光纤3的纤芯6则未处于其包层7的轴向中性轴上；且所述普通单模光纤1和偏心光纤3的纤芯6对齐，所述FBG4写入在偏心光纤3的纤芯6中，而所述纤芯6的材质为含有掺杂剂的高纯二氧化硅，所述掺杂剂包括五氧化二磷和二氧化锗中的一种或多种，五氧化二磷和二氧化锗等作为掺杂剂的功能是增加折射率；所述包层7的材质为掺杂了氟和/或硼的高纯二氧化硅，氟和/或硼的高纯二氧化硅作为掺杂剂的功能是降低折射率，且所述包层7的外径为125μm。普通单模光纤1和偏心光纤3的纤芯和包层的直径均相同。

优选地，所述FBG4是采用相位掩膜写入或飞秒激光写入的方式写入偏心光纤3的纤芯6中的；所述FBG4的长度应为1cm~3cm，且位于陶瓷插芯包含范围内的与伸出光纤陶瓷插芯2包含范围外的FBG4长度相等；所述FBG4的反射率在10%~30%，确保分裂后的两个反射峰幅值清晰可辨；所述配重5为环氧树脂重物小球，配重5增大倾斜时的光纤弯曲度来提高灵敏度，选用“环氧树脂重物小球”的原因是制作工艺简单，只需要将液体的环氧树脂滴在光纤末端，一段时间后环氧树脂将固化，牢固的粘在光纤上，并且环氧树脂小球重量合适，不易折断光纤。

本实施例所提供的这种光纤倾角传感器，将偏芯光纤中的一段FBG4分为两部分，利用偏芯光纤在温度变化时两段FBG4的中心波长漂移相同，消除了温度对光纤光栅传感的影响，之后通过测量两个子FBG4反射峰之间的波长间隔，实现对光纤倾斜角度的解调。此外，传统的温度不敏感光纤倾角传感器大多需要多个FBG4，或基于多芯光纤的倾斜传感器需要扇入/扇出（Fan In/Out）装置，而本发明中的传感器仅需一段包含单个FBG4的偏芯光纤，且传感信息通过普通单模光纤1就可以提取，具有结构简单、成本低等特点。

实施例3

本实施例公开了一种克服温度干扰的光纤倾角传感器，如图1所示，包括一段包含光纤光栅FBG4的偏芯光纤、陶瓷插芯、环氧树脂重物小球；其纤芯6不在中性轴上，包含一段2cm长的FBG4；将偏芯光纤插入陶瓷插芯中，令FBG4的一部分位于陶瓷插芯内并用粘胶固定，另一部分则位于陶瓷插芯外，并在其自由端固定一环氧树脂重物小球；当传感器倾斜时，位于陶瓷插芯内部与外部的两部分FBG4将受到不同的弯曲应变，原有FBG4等效形成两个子FBG4，产生不同的反射峰波长，反射谱分裂为两个峰。

优选地，所述偏芯光纤的纤芯6直径为8.5μm，包层7直径为125μm，纤芯6距光纤中性轴距离为35μm，偏芯光纤自由端长度为3cm；写入FBG4的长度为2cm，且位于陶瓷插芯内部与外部的FBG4长度近似相等；所述偏芯光纤中FBG4的反射率为20%，确保分裂后的两个反射峰幅值相等，清晰可辨，由于位于陶瓷插芯内部与外部的两部分FBG4相互紧邻，因而具有相同的温度系数，当温度发生变化时，两反射峰向同一方向漂移，但波长间隔保持不变，从而消除了温度对光纤光栅传感的影响。FBG4的两个反射峰之间波长间隔与光纤的倾斜角度成线性关系，通过测量两个反射峰之间的波长间隔，可实现对光纤倾斜角度的解调。

通过测量两个反射峰之间的波长间隔，实现对倾斜角度的解调。由于两个子FBG4相互紧邻，具有相同的温度系数，因而两个反射峰的波长间隔不受温度的影响，所发明的光纤倾角传感器具有温度不敏感的特性；此外，所发明的光纤倾角传感器与传统的温度不敏感光纤倾角传感器不同，并不需要扇入、扇出装置及多个FBG4，仅需一段包含FBG4的偏芯光纤，具有结构简单、成本低等特点。

环氧树脂重物小球本质就是配重5，增大倾斜时的光纤弯曲度来提高灵敏度。可以放在从权里面说明。这里选用环氧树脂重物小球的原因是制作工艺简单，只需要将液体的环氧树脂滴在光纤末端，一段时间后环氧树脂将固化，牢固的粘在光纤上。并且环氧树脂小球重量合适，不易折断光纤。其他方法很难固定在光纤上，且重量也不易调节，容易损坏光纤。

将包含FBG4的偏芯光纤插入陶瓷插芯，使FBG4的一部分位于陶瓷插芯内部并用粘胶固定；另一部分位于陶瓷插芯外部，可自由弯曲，并在其自由端固定一环氧树脂重物小球。

当传感器未倾斜时，位于陶瓷插芯内部与外部的两部分FBG4受到相同的应变，其反射峰只有一个中心波长；当传感器倾斜时，位于陶瓷插芯内部与外部的两部分FBG4受到不同的弯曲应变，位于陶瓷插芯内部的FBG4不受光纤倾斜而产生应变，反射波长保持不变；而位于陶瓷插芯外部的FBG4受光纤倾斜引入的应变，反射波长发生改变，原有的FBG4等效形成两个子FBG4，位于陶瓷插芯内的FBG4不受光纤倾斜的影响，而位于陶瓷插芯外部的FBG4受到光纤倾斜引起的弯曲应变，反射峰的中心波长发生漂移，因此反射谱分裂为两个峰；FBG4的两个反射峰之间波长间隔与光纤的倾斜角度成线性关系，通过测量两个反射峰之间的波长间隔，可实现对光纤倾斜角度的解调；位于陶瓷插芯内部与外部的两部分FBG4，由于相互紧邻，因而具有相同的温度系数，当温度发生改变时，两反射峰向同一方向漂移，但波长间隔保持不变，因而该倾角传感器具有温度不敏感的特性。进一步的，所述偏芯光纤中的FBG4长度应在1cm~3cm之间，且位于陶瓷插芯内部与外部的FBG4长度应近似相等，FBG4反射率应在10%~30%之间，确保分裂后的两个反射峰幅值清晰可辨。

FBG4的两个反射峰之间波长间隔与光纤的倾斜角度成线性关系，通过测量两个反射峰之间的波长间隔，可实现对光纤倾斜角度的解调；位于陶瓷插芯内部与外部的两部分FBG4，由于相互紧邻，因而具有相同的温度系数，当温度发生改变时，两反射峰向同一方向漂移，但波长间隔保持不变，因而该倾角传感器具有温度不敏感的特性；所述偏芯光纤中的FBG4长度应在1cm~3cm之间，且位于陶瓷插芯内部与外部的FBG4长度应近似相等；所述偏芯光纤中的FBG4反射率应在10%~30%之间，确保分裂后的两个反射峰幅值清晰可辨；通过改变纤芯6距光纤中性轴的距离、光纤自由端长度、重物小球质量等参数，可灵活改变传感器的灵敏度。

Claims (9)

1.一种克服温度干扰的光纤倾角传感器，其特征在于：包括一端插入光纤陶瓷插芯（2）、且内含一段FBG（4）的偏心光纤（3）；所述FBG（4）在偏心光纤（3）中部分位于所述光纤陶瓷插芯（2）包含范围内、另一部分伸出光纤陶瓷插芯（2）的包含范围；所述偏心光纤（3）的另一端连接有配重（5）。

2.如权利要求1所述的一种克服温度干扰的光纤倾角传感器，其特征在于：所述偏心光纤（3）包括中间的纤芯（6）以及包裹在所述纤芯（6）外的包层（7），所述包层（7）外还涂覆有涂敷层（8）；所述偏心光纤（3）的纤芯（6）则未处于其包层（7）的轴向中性轴上；所述FBG（4）写入在偏心光纤（3）的纤芯（6）中。

3.如权利要求1或2所述的一种克服温度干扰的光纤倾角传感器，其特征在于：所述纤芯（6）的材质为含有掺杂剂的高纯二氧化硅，所述掺杂剂包括五氧化二磷和二氧化锗中的一种或多种。

4.如权利要求3所述的一种克服温度干扰的光纤倾角传感器，其特征在于：所述包层（7）的材质为掺杂了氟和/或硼的高纯二氧化硅，且所述包层（7）的外径为125μm。

5.如权利要求1所述的一种克服温度干扰的光纤倾角传感器，其特征在于：所述FBG（4）是采用相位掩膜写入或飞秒激光写入的方式写入偏心光纤（3）的纤芯（6）中的；所述FBG（4）的长度应为1cm~3cm，且位于陶瓷插芯包含范围内的与伸出光纤陶瓷插芯（2）包含范围外的FBG（4）长度相等。

6.如权利要求1所述的一种克服温度干扰的光纤倾角传感器，其特征在于：所述FBG（4）的反射率在10%~30%。

7.如权利要求1所述的一种克服温度干扰的光纤倾角传感器，其特征在于：所述配重（5）为环氧树脂重物小球。

8.一种光纤倾角传感器克服温度干扰的方法，其特征在于：

将且内含一段FBG（4）的偏心光纤（3）的一端插入光纤陶瓷插芯（2）中并与普通单模光纤（1）连接，其中偏心光纤（3）和普通单模光纤（1）的纤芯（6）对齐，而所述FBG（4）的一部分随偏心光纤（3）插入光纤陶瓷插芯（2）中，在偏心光纤（3）的另一端加上一个配重（5），使偏心光纤（3）带有配重（5）的一端汇同其内未插入光纤陶瓷插芯（2）中的FBG（4）构成可弯曲的自由端；

当传感器倾斜时，偏心光纤（3）的自由端发生弯曲，偏心光纤（3）中的FBG（4），随偏心光纤（3）插入光纤陶瓷插芯（2）中的部分与另一部分受到不同的弯曲应变，使原FBG（4）等效形成两个子FBG（4），收集等效形成的两个子FBG（4）反射峰波长，获得分裂为两个反射峰的反射谱，测量两个反射峰之间的波长间隔，实现对倾斜角度的计算。

9.如权利要求8所述的一种光纤倾角传感器克服温度干扰的方法，其特征在于：所述偏心光纤（3）和普通单模光纤（1）之间是通过对芯熔接或包层对准熔接后拉锥的方法连接并纤芯（6）对齐的。