CN111043986A - 一种测量光纤曲率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量光纤曲率的装置及方法。本发明提供一种测量光纤曲率的装置，包括：光源、光纤曲率测量模块、光谱仪、光纤环形器、布拉格光纤光栅、光功率计；该光源、该光纤曲率测量模块与该光谱仪依次连接；该光源、该光纤曲率测量模块、该光纤环形器和该布拉格光纤光栅依次连接；该光纤环形器还连接该光功率计，使得该光功率计测量该布拉格光纤光栅反射光的强度，且该布拉格光纤光栅反射光不会进入该光纤曲率测量模块。本发明还提供一种测量光纤曲率的方法，应用于该装置。本发明通过在光纤中嵌入一段空芯玻璃管形成反谐振反射波导结构，通过测得该结构输出光的光功率得到曲率。该装置及方法成本低、对温度不敏感，交叉灵敏度低，更准确。

Description

一种测量光纤曲率的装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤曲率传感技术领域，尤其涉及一种测量光纤曲率的装置及方法。

背景技术

准确的光纤曲率测量在工业生产和人民生活中的很多方面都具有广泛应用，具有十分重要的意义。

近年来，光纤曲率传感器由于其灵敏、可靠、形式灵活等诸多优势，被广泛关注和研究。曲率测量主要基于光纤传感器对光强或波长的响应。目前，温文倪等人提出了一种基于反共振效应单孔双偏芯光纤结合Mach-Zehnder干涉仪的光纤传感器。虽然无温度交叉干扰，曲率灵敏度随着曲率从0.94m^-1到2.1m^-1的增加只能达到-1.54dB/m^-1,其灵敏度有待提高且所用光纤结构复杂、成本较高。Pouneh Saffari等人提出了一个基于多芯光纤的LPG弯曲传感器，具有超高灵敏度对应用的低曲率值并且能检测到弯曲方向。他们的结果表明当曲率值在0到1m^-1范围内弯曲灵敏度高达3.57dB/m^-1。但所用光纤同样存在光纤结构复杂、成本高的缺陷。综上所述，结构简单、交叉灵敏度低且高灵敏度是传感器的研究前景。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种测量光纤曲率的装置，其特征在于：包括：光源1、光纤曲率测量模块2、光谱仪3、光纤环形器4、布拉格光纤光栅5、光功率计6；所述光源1、所述光纤曲率测量模块2与所述光谱仪3依次连接成第一光路；所述光源1、所述光纤曲率测量模块2、所述光纤环形器4和所述布拉格光纤光栅5依次连接成第二光路；所述光纤环形器4还连接所述光功率计6；所述光纤环形器4、所述布拉格光纤光栅5和所述光功率计6之间连接，所述光纤环形器4还连接所述光功率计6，使得所述光功率计6测量所述布拉格光纤光栅5反射光的强度，且所述布拉格光纤光栅5反射光不会进入所述光纤曲率测量模块2。

进一步的，所述光纤曲率测量模块2包括输入光纤7、输出光纤9、光纤固定平台10、光纤微位移平台11和空心玻璃管8；所述输入光纤7的一端、所述光纤固定平台10、所述空心玻璃管8、所述光纤微位移平台11、所述输出光纤9的一端依次相连；所述输入光纤7的另一端连接所述光源；所述输出光纤9的另一端连接所述光谱仪3/所述光纤环形器4。

进一步的，所述空心玻璃管内外径分别为75μm、125μm；所述空心玻璃管的长度为20-30mm；所述光纤固定平台10与所述光纤微位移平台11之间的距离为8-20cm。

进一步的，所述布拉格光纤光栅5的3dB带宽为0.2nm，反射率为85％-99％。

本发明的有益效果：通过在普通单模光纤中嵌入一段空芯玻璃管形成反谐振反射波导结构。然后通过监测反谐振反射波导结构输出光谱在谐振波长处的光功率变化可以解调得到光纤弯曲时的曲率信息。这种光纤曲率测量方法成本低、结构简单，探测简单可靠。此外，本发明的反谐振反射波导结构对温度不敏感，相较于传统干涉解调方法而言，交叉灵敏度大大降低，探测更加准确。

本发明还提供一种测量光纤曲率的方法，使用在上述曲率测量装置上进行曲率测量；S1，通过所述光谱仪3，确定吸收峰处的波长；S2，缩短所述光纤微移动平台11与所述光纤固定平台10的间距；S3，计算出所述空心玻璃管8的曲率；S4，测量出所述布拉格光纤光栅5反射光的强度；S5，重复上述步骤S1至S4，将若干组曲率-强度数据标记在曲率-强度坐标图中；S6，确定所述曲率-强度数据的拟合曲线，得到曲率-强度拟合函数；S7，后续测得任意所述反射光的强度均代入所述曲率-强度拟合函数，求得所述曲率。

进一步的，还包括，在所述S1中，通过公式

得出全光谱上的谐振波长λ_dip；其中D为所述空芯玻璃管8管壁厚度；n为所述空芯玻璃管8的折射率；m为反谐振干涉级次。

进一步的，在所述S2中，所述光纤微移动平台11与所述光纤固定平台10的间距每次缩短200μm。

进一步的，还包括，在所述S3中，所述空心玻璃管的曲率通过公式

和

计算得出；其中d为所述光纤微移动平台11的移动距离；θ为所述空心玻璃管8的弯曲段圆弧的角度；L为所述弯曲段圆弧的弧长，即所述空心玻璃管8的长度；R为所述弯曲段圆弧的半径；C为所述曲率。

进一步的，还包括，在所述S6中，曲率在3.36-4.69m^-1范围的所述曲率-强度拟合函数为P＝9.607-15.33·C，线性度R²＝0.97639，以3.36-4.69m^-1范围为实际测量范围；其中P为所述光功率计6测量所述布拉格光纤光栅5反射光的强度。

进一步的，还包括，在所述S7中，当所述反射光的强度在所述曲率-强度拟合函数中对应多个所述曲率值时，按照实际所述光纤移动平台11的移动距离d对多个所述曲率值进行选择。

本发明的有益效果：通过上述测量光纤曲率的装置，配合通过监测反谐振反射波导结构输出光谱在谐振波长处的光功率变化可以解调得到光纤弯曲时的曲率信息，在得到部分曲率-强度数据后得出拟合曲线，即可通过强度数据得到对应的曲率。成本低、结构简单，光纤结构弯曲时处在谐振峰处的波长泄露导致光功率下降，探测此处的光功率方法简单可靠。此外，由于温度变化时本发明的反谐振反射波导结构的折射率变化不明显，因此输出功率对温度不敏感，相较于传统干涉解调方法而言，交叉灵敏度大大降低，探测更加准确。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种测量光纤曲率的装置示意图；

图2为本发明实施例提供的一种光纤曲率测量模块示意图；

图3为本发明实施例提供的一种光谱仪测得的波长-强度示意图；

图4为本发明实施例提供的一种曲率-强度拟合函数图；

图5为本发明实施例提供的一种测量光纤曲率的方法示意图；

1-光源，2-光纤曲率测量模块，3-光谱仪，4-光纤环形器，5-布拉格光纤光栅，6-光功率计，7-输入光纤，8-空芯玻璃管，9-输出光纤，10-光纤固定平台，11-光纤微位移平台。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、接口、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

图1为本发明实施例提供的一种测量光纤曲率的装置，包括：光源1、光纤曲率测量模块2、光谱仪3、光纤环形器4、布拉格光纤光栅5、光功率计6；所述光源1、所述光纤曲率测量模块2与所述光谱仪3依次连接成第一光路；所述光源1、所述光纤曲率测量模块2、所述光纤环形器4和所述布拉格光纤光栅5依次连接成第二光路；在所述第二光路中，所述光纤环形器4还连接所述光功率计6，使得所述光功率计6测量所述布拉格光纤光栅5反射光的强度，且所述布拉格光纤光栅5反射光不会进入所述光纤曲率测量模块2。

通过光纤曲率测量模块2直接感测与光纤贴合的曲率信息，曲率测量时，光纤曲率测量模块2通过光纤环形器4连接布拉格光纤光栅5，宽谱光信号经布拉格光纤光栅5反射返回被光功率计6探测器光功率信息，即强度；布拉格光纤光栅5的反射波长处在光纤曲率测量模块2的反谐振反射波导结构输出光谱的某一谐振峰处，如图3所示，随着曲率的增加，反谐振反射波导的反射峰处的光功率成线性下降趋势，通过监测反谐振反射波导结构输出光谱在谐振波长处的光功率变化可以调节得到光纤弯曲时的曲率。通过所述光纤曲率测量模块2初步得到曲率-强度拟合曲线及拟合函数，进而直接通过测量强度数据代入拟合函数以得到曲率信息。

在上述实施例的基础上，图2为本发明实施例提供的一种光纤曲率测量模块示意图，所述光纤曲率测量模块2包括输入光纤7、输出光纤9、光纤固定平台10、光纤微位移平台11和空心玻璃管8；所述输入光纤7的一端、所述光纤固定平台10、所述空心玻璃管8、所述光纤微位移平台11、所述输出光纤9的一端依次相连；所述输入光纤7的另一端连接所述光源；所述输出光纤9的另一端连接所述光谱仪3/所述光纤环形器4。

通过移动所述光纤微位移平台11改变所述空心玻璃管8的曲率，恒定室温25摄氏度，微位移平台每移动200μm记录一次传感器的输出光谱。如图3所述，在5.93m^-1到6.64m^-1的曲率范围内，谐振波长1183.1nm处的透射谱存在凹陷。可以看出，在1183.1nm处，透射功率随曲率的增大而减小。

使用公式

得出全光谱上的谐振波长λ_dip；其中D为所述空芯玻璃管8管壁厚度；n为所述空芯玻璃管8的折射率；m为反谐振级次。所述光纤微移动平台11与所述光纤固定平台10的间距每次缩短200μm。所述空心玻璃管的曲率通过公式

和

计算得出；其中d为所述光纤微移动平台11的移动距离；θ为所述空心玻璃管8的弯曲段圆弧的角度；L为所述弯曲段圆弧的弧长，即所述空心玻璃管8的长度；R为所述弯曲段圆弧的半径；C为所述曲率。

在上述实施例的基础上，图4为本发明实施例提供的一种曲率-强度拟合函数图。从1.48m^-1到7.43m^-1的曲率范围内的这种有损倾斜处的传输强度数据如图4所示。随着所述光纤微移动平台11的移动距离d的增大，传感器的曲率增大，干涉光束在玻璃管周围的传播状态发生变化，传感器的dip功率(也就是损耗功率)随着弯曲有明显的强度响应。我们可以看到，总的dip功率随着曲率的增大而波动，这与我们之前的理论是一致的。更重要的是，这里的波动近似为正弦变化。

由正弦拟合线验证:2.56-4.69m^-1，4.91-6.64m^-1，6.81-7.43m^-1。采用线性拟合：最大曲率灵敏度为-15.33dB/m^-1，范围为3.63-4.69m^-1，拟合函数为P＝9.607-15.33·C，线性度R²为0.97639，其中P为所述光功率计6测量所述布拉格光纤光栅5反射光的强度。在4.91-5.74m^-1、5.93-6.64m^-1和6.64-7.43m^-1范围内的灵敏度分别为10.11dB/m^-1、13.32dB/m^-1、10.82dB/m^-1。

图5为本发明实施例提供的一种测量光纤曲率的方法示意图，使用在上述任一项实施例所述的装置上，S1，通过所述光谱仪3，确定吸收峰处的波长；S2，缩短所述光纤微移动平台11与所述光纤固定平台10的间距；S3，计算出所述空心玻璃管8的曲率；S4，测量出所述布拉格光纤光栅5反射光的强度；S5，重复上述步骤S1至S4，将若干组曲率-强度数据标记在曲率-强度坐标图中；S6，画出所述曲率-强度数据的拟合曲线，得到曲率-强度拟合函数；S7，后续测得任意所述反射光的强度均代入所述曲率-强度拟合函数，求得所述曲率。

在上述一种测量光纤曲率的方法的实施例基础上，本实施例还包括在所述S1中，通过公式

得出全光谱上的谐振波长λ_dip；其中D为所述空芯玻璃管8管壁厚度；n为所述空芯玻璃管8的折射率；m为反谐振级次。在所述S2中，所述光纤微移动平台11与所述光纤固定平台10的间距每次缩短200μm。在所述S3中，所述空心玻璃管的曲率通过公式

和

计算得出；其中d为所述光纤微移动平台11的移动距离；θ为所述空心玻璃管8的弯曲段圆弧的角度；L为所述弯曲段圆弧的弧长，即所述空心玻璃管8的长度；R为所述弯曲段圆弧的半径；C为所述曲率。在所述S6中，曲率在3.36-4.69m^-1范围的所述曲率-强度拟合函数为P＝9.607-15.33·C，线性度R²＝0.97639，以3.36-4.69m^-1范围为实际测量范围；其中P为所述光功率计6测量所述布拉格光纤光栅5反射光的强度。在所述S7中，当所述反射光的强度在所述曲率-强度拟合函数中对应多个所述曲率值时，按照实际所述光纤移动平台11的移动距离d对多个所述曲率值进行取舍，根据移动距离d的大小确定同一强度值具体对应哪个曲率值。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种测量光纤曲率的装置，其特征在于：包括：光源(1)、光纤曲率测量模块(2)、光谱仪(3)、光纤环形器(4)、布拉格光纤光栅(5)、光功率计(6)；

所述光源(1)、所述光纤曲率测量模块(2)与所述光谱仪(3)依次连接成第一光路；

所述光源(1)、所述光纤曲率测量模块(2)、所述光纤环形器(4)和所述布拉格光纤光栅(5)依次连接成第二光路；所述光纤环形器(4)还连接所述光功率计(6)；

所述光纤环形器(4)、所述布拉格光纤光栅(5)和所述光功率计(6)之间连接，使得所述光功率计(6)测量所述布拉格光纤光栅(5)反射光的强度，且所述布拉格光纤光栅(5)反射光不会进入所述光纤曲率测量模块(2)。

2.根据权利要求1所述的一种测量光纤曲率的装置，其特征在于：

所述光纤曲率测量模块(2)包括输入光纤(7)、输出光纤(9)、光纤固定平台(10)、光纤微位移平台(11)和空心玻璃管(8)；

所述输入光纤(7)的一端、所述光纤固定平台(10)、所述空心玻璃管(8)、所述光纤微位移平台(11)、所述输出光纤(9)的一端依次相连；

所述输入光纤(7)的另一端连接所述光源；

所述输出光纤(9)的另一端连接所述光谱仪(3)/所述光纤环形器(4)。

3.根据权利要求2所述的一种光纤曲率测量装置，其特征在于：

所述空心玻璃管内外径分别为75μm、125μm；

所述空心玻璃管的长度为20-30mm；

所述光纤固定平台(10)与所述光纤微位移平台(11)之间的距离为8-20cm。

4.根据权利要求2所述的一种测量光纤曲率的装置，其特征在于：

所述布拉格光纤光栅(5)的3dB带宽为0.2nm，反射率为85％-99％。

5.一种测量光纤曲率的方法，其特征在于：使用在上述权利要求2至4任一项所述的装置上，进行曲率测量；

S1，通过所述光谱仪(3)，确定吸收峰处的波长；

S2，缩短所述光纤微移动平台(11)与所述光纤固定平台(10)的间距；

S3，计算出所述空心玻璃管(8)的曲率；

S4，测量出所述布拉格光纤光栅(5)反射光的强度；

S5，重复上述步骤S1至S4，将若干组曲率-强度数据标记在曲率-强度坐标图中；

S6，确定所述曲率-强度数据的拟合曲线，得到曲率-强度拟合函数；

S7，后续测得任意所述反射光的强度均代入所述曲率-强度拟合函数，求得所述曲率。

6.根据权利要求5所述的一种测量光纤曲率的方法，其特征在于：还包括，

在所述S1中，通过公式

得出全光谱上的谐振波长λ_dip；

其中D为所述空芯玻璃管(8)管壁厚度；

n为所述空芯玻璃管(8)的折射率；

m为反谐振干涉级次。

7.根据权利要求5所述的一种测量光纤曲率的方法，其特征在于：

在所述S2中，所述光纤微移动平台(11)与所述光纤固定平台(10)的间距每次缩短200μm。

8.根据权利要求5所述的一种测量光纤曲率的方法，其特征在于：还包括，

在所述S3中，所述空心玻璃管的曲率通过公式

和

计算得出；

其中d为所述光纤微移动平台(11)的移动距离；

θ为所述空心玻璃管(8)的弯曲段圆弧的角度；

L为所述弯曲段圆弧的弧长，即所述空心玻璃管(8)的长度；

R为所述弯曲段圆弧的半径；

C为所述曲率。

9.根据权利要求5所述的一种测量光纤曲率的方法，其特征在于：还包括，

在所述S6中，曲率在3.36-4.69m^-1范围的所述曲率-强度拟合函数为P＝9.607-15.33·C，线性度R²＝0.97639，以3.36-4.69m^-1范围为实际测量范围；

其中P为所述光功率计(6)测量所述布拉格光纤光栅(5)反射光的强度。

10.根据权利要求5所述的一种测量光纤曲率的方法，其特征在于：还包括，

在所述S7中，当所述反射光的强度在所述曲率-强度拟合函数中对应多个所述曲率值时，按照实际所述光纤微移动平台(11)的移动距离d对多个所述曲率值进行选择。

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