CN113188468B - 基于双芯少模光纤倾斜光栅的矢量弯曲传感系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于双芯少模光纤倾斜光栅的矢量弯曲传感系统，包括宽带光源、环形器、扇入扇出设备、双芯少模光纤和光谱仪；还提供矢量弯曲传感方法，由宽带光源将宽带光经环形器和扇入扇出设备输入双芯少模光纤中进行反射；反射光经环形器输出至光谱仪中，记录下弯曲前的共振峰反射率；将双芯少模光纤向某一个方向弯曲，由光谱仪记录下弯曲后的共振峰反射率；计算得到两个纤芯弯曲前后的反射率变化并代入矩阵方程中，同时获取弯曲方向角和曲率。在传感过程中，由于温度变化会引起共振峰的波长偏移，但对反射率的影响微乎其微，因此该方案在实现弯曲方向角和曲率传感的过程中，能避免温度对矢量弯曲传感的干扰，有效提高传感结果精度。

Description

基于双芯少模光纤倾斜光栅的矢量弯曲传感系统及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种基于双芯少模光纤倾斜光栅的矢量弯曲传感系统及方法。

背景技术

光纤光栅弯曲传感器因其具有尺寸小、抗电磁干扰、灵敏度高等优点，已经在智能结构健康监测、机器人姿态检测与控制、机械工程等领域中具有重要应用。

光纤光栅弯曲传感器存在的主要问题是在单个纤芯中写入光纤光栅构成的弯曲传感器，如：离轴布拉格光栅、偏心光纤光栅等，只能获取弯曲曲率而无法识别弯曲方向。虽然通过两个或以上单芯光纤光栅传感器能够实现曲率与弯曲方向的识别，但这对传感器的封装提出了巨大的挑战，并且当两个传感光栅的集成度不够高时，容易引起额外的测量误差。

目前主流的光纤弯曲传感是基于布拉格光纤光栅开展的，如公开号为CN1323320C的中国发明专利于2007年6月27日公开的光纤布拉格光栅，其实现原理为弯曲会导致布拉格光栅产生挤压或拉伸，引起反射波长偏移，通过偏移量得出弯曲信息。但在实际使用过程中，温度的变化也会导致布拉格光栅的反射波长偏移，所以容易对此类光纤弯曲传感器造成干扰。

发明内容

本发明的目的是解决现有的光纤弯曲传感由于温度的变化导致布拉格光栅的反射波长偏移，存在传感结果容易被干扰的技术缺陷，提供一种基于双芯少模光纤倾斜光栅的矢量弯曲传感系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

基于双芯少模光纤倾斜光栅的矢量弯曲传感系统，包括宽带光源、环形器、扇入扇出设备、光谱仪；还包括刻写了倾斜光栅的双芯少模光纤；所述扇入扇出设备包括第一输入口和第二输入口；其中：

所述宽带光源将宽带光输入所述环形器中；宽带光经由所述环形器通过所述扇入扇出设备第一输入口或第二输入口输入所述双芯少模光纤中，此时特定波长的光会被倾斜光栅反射；反射光经过所述环形器输出至所述光谱仪中，由所述光谱仪记录下当前双芯少模光纤对应输入口的纤芯的LP11共振峰反射率。

上述方案中，在双芯少模光纤不弯曲的情况下，利用光谱仪观察该纤芯中倾斜光栅的反射光谱，记录下LP11共振峰反射率；再将环形器的输出端接入扇入扇出设备的第二输入口，记录下另一个纤芯的LP11共振峰反射率；然后，把刻写了倾斜光栅的双芯少模光纤向某一个方向弯曲，用上述实现过程，观察两个纤芯中倾斜光栅反射光谱，分别记录LP11共振峰反射率；最后分别计算出两个纤芯共振峰反射率的变化量，根据测量原理获得弯曲方向角和曲率。

其中，所述双芯少模光纤包括第一纤芯和第二纤芯；宽带光经由所述环形器通过所述扇入扇出设备第一输入口或第二输入口输入所述第一纤芯和第二纤芯中，获取两个纤芯的光谱。

其中，所述第一纤芯和第二纤芯为材料构成相近的纤芯，以双芯少模光纤的中心轴成对称分布，每个纤芯均能在工作波段内支持LP01模和LP11模两种模式的传输。

上述方案中，LP01模和LP11模两种模式均可产生共振峰，但只通过LP11共振峰进行传感。

其中，在所述第一纤芯和第二纤芯相同的纵向位置上均刻写了倾斜光栅；其中，刻写在所述第一纤芯和第二纤芯上的两个光栅的周期、长度均一致，且光栅平面分别在立体直角坐标系下关于x-z面、y-z面倾斜相同角度。

上述方案中，由于双芯少模光纤两个纤芯中倾斜光栅在刻写时，写入平面相互垂直，在弯曲测量过程中，一个光栅的弯曲灵敏度最小时，另一个光栅的弯曲灵敏度会出现最大值，因此本方案中所述的双芯少模光纤具备特殊结构，对于所有弯曲方向都能保持较高的弯曲灵敏度；另外，环境温度变化会引起共振峰的波长偏移，但对其反射率的影响却微乎其微，因此，该系统能够温度对矢量弯曲传感的干扰。

基于双芯少模光纤倾斜光栅的矢量弯曲传感系统的矢量弯曲传感方法，包括以下步骤：

S1：通过宽带光源将宽带光输入环形器中；

S2：宽带光经由环形器通过扇入扇出设备第一输入口输入双芯少模光纤中，此时特定波长的光会被倾斜光栅反射；反射光经过环形器输出至光谱仪中，由光谱仪记录下第一纤芯的LP11共振峰反射率；

S3：切换扇入扇出设备的输入口，将宽带光经由环形器通过扇入扇出设备第二输入口输入双芯少模光纤中，由光谱仪记录下第二纤芯的LP11共振峰反射率；

S4：将双芯少模光纤向某一个方向弯曲后，再次执行步骤S2和步骤S3，分别获取弯曲后的第一纤芯、第二纤芯的LP11共振峰反射率；

S5：计算弯曲前后两个LP11共振峰反射率变化数值，计算得到两个纤芯弯曲前后的反射率变化并代入弯曲方向角、曲率的关系式；

S6：根据关系式建立矩阵方程并进行求解，同时获取弯曲方向角和曲率，完成矢量弯曲传感。

其中，在所述步骤S2中，所述共振峰反射率R_μν表达式具体为：

其中，L是光栅长度，C是与归一化横向模场相关的比例常数，

分别是两个模式的归一化横向模场，Δn是光纤中光栅引起的折射率变化函数，Λ是光栅周期，θ是光栅的倾斜角度。

其中，基于双芯少模光纤倾斜光栅的矢量弯曲传感方法还包括以下步骤：

S7：在一定曲率范围内，向双芯少模光纤施加不同曲率；

S8：记录不同曲率下两个纤芯LP11共振峰反射率的变化，根据数据画出曲率与反射率的拟合关系曲线，并获取曲率与共振峰反射率之间的关系式；

S9：通过旋转双芯少模光纤(4)改变弯曲方向，重复上述步骤，可得到多条曲率与反射率之间的关系式，不同的弯曲角度对应不同斜率(弯曲灵敏度)，因此可画出弯曲方向角与弯曲灵敏度的拟合关系曲线，获取两个纤芯弯曲方向角与弯曲灵敏度之间的关系式。将灵敏度的定义式代入弯曲方向角与弯曲灵敏度之间的关系式，得出两个纤芯反射率变化和弯曲方向角、曲率之间的矩阵方程；

S10：通过光谱仪测得任意弯曲状态下两个纤芯倾斜光栅的共振峰反射率，并求出反射率相对于未弯曲时的变化量，代入矩阵方程中并进行求解，得出当前弯曲方向角与曲率。

其中，在所述步骤S7中，施加的曲率表达式具体为：

其中，l是未弯曲的光纤长度，Δl是移动的距离，c是施加的曲率。

其中，在所述步骤S8中，得到曲率与共振峰反射率的拟合关系曲线的过程具体为：

由于曲率变化与共振峰反射率变化是线性关系，因此，曲率和两个纤芯共振峰反射率的关系满足关系式：

R_1β＝S_1β·c+R₀

R_2β＝S_2β·c+R₀ (3)

其中，β＝0°，15°，...,360°，β表示弯曲方向角，R_1β、R_2β分别是第一纤芯、第二纤芯在弯曲角度为β测得的共振峰反射率，S_1β、S_2β分别是第一纤芯、第二纤芯在弯曲角度为β下的弯曲灵敏度，R₀是两个纤芯未弯曲时的共振峰反射率。

其中，在所述步骤S9中，根据β和S_1β、S_2β的值，画出弯曲方向角与两个倾斜光栅弯曲灵敏度的拟合关系曲线，其由正弦三角函数表示为：

S_1β＝b₁+A₁ sin(β-β₁)

S_2β＝b₂+A₂sin(β-β₂) (4)

其中，常数b₁、b₂、A₁、A₂、β₁、β₂均可从拟合关系曲线图中得到；由于弯曲灵敏度的定义式为

代入关系式(4)后，与式(3)联立，得到矩阵方程，具体表示为：

式中：ΔR₁、ΔR₂分别是两个纤芯的共振峰反射率相对于未弯曲时的变化量。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提出基于双芯少模光纤倾斜光栅的矢量弯曲传感系统及方法，在传感过程中由于弯曲的信息是由双芯少模倾斜光栅反射光谱中共振峰反射率提供，而共振峰的反射率不受温度变化的影响，因此该方案能实现对弯曲方向角和曲率传感的情况下，避免了温度对于矢量弯曲传感的影响，有效提高传感结果精度。

附图说明

图1为本发明所述系统示意图；

图2为双芯少模光纤倾斜光栅的三维结构示意图；

图3为本发明所述方法流程示意图；

图4为一实施例中双芯少模光纤倾斜光栅的侧视图；

图5为一实施例中双芯少模光纤倾斜光栅的俯视图；

图6为一实施例中双芯少模光纤倾斜光栅的横截面及弯曲方向坐标示意图；

其中：1、宽带光源；2、环形器；3、扇入扇出设备；4、双芯少模光纤；5、光谱仪。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，基于双芯少模光纤倾斜光栅的矢量弯曲传感系统，包括宽带光源1、环形器2、扇入扇出设备3、光谱仪5；还包括刻写了倾斜光栅的双芯少模光纤4；所述扇入扇出设备3包括第一输入口B和第二输入口C；其中：

所述宽带光源1将宽带光输入所述环形器2中；宽带光经由所述环形器2输出口A，再通过所述扇入扇出设备3第一输入口B或第二输入口C输入的所述双芯少模光纤4的中，此时特定波长的光会被倾斜光栅反射；反射光经过所述环形器2输出至所述光谱仪5中，由所述光谱仪5记录下当前双芯少模光纤4对应输入口的纤芯的LP11共振峰反射率。

在具体实施过程中，如图2所示，在双芯少模光纤4不弯曲的情况下，利用光谱仪5观察纤芯core1中倾斜光栅的反射光谱，记录下共振峰反射率；再将环形器2的输出端接入扇入扇出设备3的第二输入口C，记录下另一个纤芯core2的共振峰反射率；然后，把刻写了倾斜光栅的双芯少模光纤4向某一个方向弯曲，用上述实现过程，观察两个纤芯中倾斜光栅反射光谱，分别记录共振峰反射率；最后分别计算出两个纤芯共振峰反射率的变化量，根据测量原理获得弯曲方向角和曲率。

在具体实施过程中，所述共振峰反射率为LP11共振峰反射率。

更具体的，所述双芯少模光纤4包括第一纤芯和第二纤芯；所述第一输入口B与所述第一纤芯core1一端相连；所述第二输入口C与所述第二纤芯core2一端相连。宽带光经由所述环形器2通过所述扇入扇出设备3第一输入口B或第二输入口C输入所述第一纤芯和第二纤芯中，获取两个纤芯的光谱。

更具体的，所述第一纤芯core1和第二纤芯core2为材料构成相近的纤芯，以双芯少模光纤4的中心轴成对称分布，每个纤芯均能在工作波段内支持LP01模和LP11模两种模式的传输。

更具体的，在所述第一纤芯core1和第二纤芯core2相同的纵向位置上均刻写了倾斜光栅；其中，刻写在所述第一纤芯core1和第二纤芯core2上的两个光栅的周期、长度均一致，且光栅平面分别在立体直角坐标系下关于x-z面、y-z面倾斜相同角度。

在具体实施过程中，由于双芯少模光纤4两个纤芯中倾斜光栅在刻写时，写入平面相互垂直，在弯曲测量过程中，但一个光栅的弯曲灵敏度最小时，另一个光栅的弯曲灵敏度会出现最大值，因此本方案中所述的双芯少模光纤4具备特殊结构，对于所有弯曲方向都能保持较高的弯曲灵敏度；另外，环境温度变化会引起共振峰的波长偏移，但对其反射率的影响却微乎其微，因此，该系统能够免受温度对矢量弯曲传感的干扰。

实施例2

更具体的，在实施例1的基础上，如图3所示，基于双芯少模光纤倾斜光栅的矢量弯曲传感系统的矢量弯曲传感方法，包括以下步骤：

S1：通过宽带光源1将宽带光输入环形器2中；

S2：宽带光经由环形器2通过扇入扇出设备3第一输入口输入双芯少模光纤4中，此时特定波长的光会被倾斜光栅反射；反射光经过环形器2输出至光谱仪5中，由光谱仪5记录下第一纤芯的LP11共振峰反射率；

S3：切换扇入扇出设备3的输入口，将宽带光经由环形器2通过扇入扇出设备3第二输入口输入双芯少模光纤4中，由光谱仪5记录下第二纤芯的LP11共振峰反射率；

S4：将双芯少模光纤4向某一个方向弯曲后，再次执行步骤S2和步骤S3，分别获取弯曲后的第一纤芯、第二纤芯的LP11共振峰反射率；

S5：计算弯曲前后两个LP11共振峰反射率变化数值，计算得到两个纤芯弯曲前后的反射率变化并代入弯曲方向角、曲率的关系式；

S6：根据关系式建立矩阵方程并进行求解，同时获取弯曲方向角和曲率，完成矢量弯曲传感。

更具体的，在所述步骤S2中，所述共振峰反射率R_μν表达式具体为：

其中，L是光栅长度，C是与归一化横向模场相关的比例常数，

分别是两个模式的归一化横向模场，Δn是光纤中光栅引起的折射率变化函数，Λ是光栅周期，θ是光栅的倾斜角度。

更具体的，基于双芯少模光纤倾斜光栅的矢量弯曲传感方法还包括以下步骤：

S7：在一定曲率范围内，向双芯少模光纤4施加不同曲率；

S8：记录不同曲率下两个纤芯LP11共振峰反射率的变化，根据数据画出曲率与反射率的拟合关系曲线，并获取曲率与共振峰反射率之间的关系式；

S9：通过旋转双芯少模光纤4改变弯曲方向，重复上述步骤，可得到多条曲率与反射率之间的关系式，不同的弯曲角度对应不同斜率(弯曲灵敏度)，因此可画出弯曲方向角与弯曲灵敏度的拟合关系曲线，获取两个纤芯弯曲方向角与弯曲灵敏度之间的关系式。将灵敏度的定义式代入弯曲方向角与弯曲灵敏度之间的关系式，得出两个纤芯反射率变化和弯曲方向角、曲率之间的矩阵方程；

S10：通过光谱仪5测得任意弯曲状态下两个纤芯倾斜光栅的共振峰反射率，并求出反射率相对于未弯曲时的变化量，代入矩阵方程中并进行求解，得出当前弯曲方向角与曲率。

在具体实施过程中，通过求解建立矩阵方程，使得本方案在实际应用过程中，仅需测得当前两个纤芯倾斜光栅的共振峰反射率，并求出反射率相对于未弯曲时的变化量，代入矩阵方程即可得到当前的弯曲方向角和曲率，有效提升了传感效率，其整个过程弯曲灵敏度高，不受温度的影响，传感精度相较于现有技术有了明显的提升。

更具体的，在所述步骤S7中，施加的曲率表达式具体为：

其中，l是未弯曲的光纤长度，Δl是移动的距离，c是施加的曲率。

更具体的，在所述步骤S8中，得到曲率与共振峰反射率的拟合关系曲线的过程具体为：

由于曲率变化与共振峰反射率变化是线性关系，因此，曲率和两个纤芯共振峰反射率的关系满足关系式：

R_1β＝S_1β·c+R₀

R_2β＝S_2β·c+R₀ (3)

其中，β＝0°，15°，...,360°，β表示弯曲方向角，R_1β、R_2β分别是第一纤芯、第二纤芯在弯曲角度为β测得的共振峰反射率，S_1β、S_2β分别是第一纤芯、第二纤芯在弯曲角度为β下的弯曲灵敏度，R₀是两个纤芯未弯曲时的共振峰反射率。

更具体的，在所述步骤S9中，根据β和S_1β、S_2β的值，画出弯曲方向角与两个倾斜光栅弯曲灵敏度的拟合关系曲线，其由正弦三角函数表示为：

S_1β＝b₁+A₁ sin(β-β₁)

S_2β＝ b₂+A₂sin(β-β₂) (4)

其中，常数b₁、b₂、A₁、A₂、β₁、β₂均可从拟合关系曲线图中得到；由于弯曲灵敏度的定义式为

代入关系式(4)后，与式(3)联立，得到矩阵方程，具体表示为：

式中：ΔR₁、ΔR₂分别是两个纤芯的共振峰反射率相对于未弯曲时的变化量。

实施例3

更具体的，结合实施例1和实施例2，通过实施例3阐述具体将该系统实现矢量弯曲传感的具体步骤：

选用工作波长覆盖1500nm至1600nm的宽带光源1和光谱仪5，双芯少模光纤4经过扇入扇出设备3与环形器2相连，环形器2另一头与光谱仪5相连。反射的光会经扇入扇出设备3，由环形器2输出至光谱仪。所述的双芯少模光纤4倾斜光栅，可以利用现有成熟的相位掩模刻写技术刻写，刻写时光束透过相位掩模板首先聚焦于core1中并曝光一定的长度，形成倾斜光栅TFBG1。core1刻写完毕后，再将双芯少模光纤4绕光纤中心轴旋转90°，调节聚焦光束聚焦于另一个纤芯core2中，在相同纵向位置上用同样的方法刻写另一个倾斜光栅TFBG2，所刻写的TFBG1、TFBG2的长度、光栅周期以及调制深度相同，刻写的两个双芯少模光纤4倾斜光栅的三维结构示意图如图2所示。通过图4侧视、图5俯视示意图，不难发现TFBG1在z-y平面内关于y轴倾斜，TFBG2在z-x平面内关于x轴倾斜，两者倾斜的角度一致。

将刻写了倾斜光栅的双芯少模光纤4笔直地固定在三维线性平移台上，去除纵向应力和扭转，开启宽带光源1，从光谱仪5中获取未弯曲的TFBG1、TFBG2光谱并记录下二者的反射率，双模光纤中倾斜光栅反射率由下式确定：

式中：L是光栅长度，C是与归一化横向模场相关的比例常数，

分别是两个模式的归一化横向模场，Δn是光纤中光栅引起的折射率变化函数，Λ是光栅周期，θ是光栅的倾斜角度。

固定其中一台平移台，平移另一台三维线性平移台，在一定曲率范围内，向双芯少模光纤4施加不同曲率，施加的曲率由下式确定：

式中：l是未弯曲的光纤长度，Δl是平移台移动的距离，c是施加的曲率。

因为弯曲会导致双模光纤中模式间电场重叠积分减小，从而导致LP11共振峰反射率降低，所以可以记录不同曲率下LP11共振峰反射率的变化，并根据数据画出曲率与反射率的拟合关系曲线，由Zhao Y,Wang C,Yin G等人对单芯少模光纤倾斜光栅的弯曲实验可知(Zhao Y,Wang C,Yin G,et al.Simultaneous directional curvature andtemperature sensor based on a tilted few-mode fiber Bragg grating[J].Appliedoptics,2018,57(7):1671-1678.)，曲率的变化与LP11共振峰的反射率变化是线性关系，于是，曲率和两个纤芯LP11共振峰反射率的关系满足以下关系式：

R_1β＝S_1β·c+R₀，(β＝0°，15°，...,360°)

R_2β＝S_2β·c+R₀，(β＝0°，15°，...,360°) (3)

式中：β是图6中定义的弯曲方向角，R_1β、R_2β分别是TFBG1、TFBG2在弯曲角度为β下测得的LP11共振峰反射率，S_1β、S_2β分别是TFBG1、TFBG2在弯曲角度为β下的弯曲灵敏度，R₀是两个纤芯未弯曲时的LP11共振峰反射率。

然后，同步调节左右两个平移台旋转光纤，以15°间隔改变β，并重复上述步骤，可得到多条曲率与反射率之间的关系式。可以发现，不同的β对应着不同的斜率(S_1β、S_2β)，因此可以找出弯曲灵敏度与弯曲方向间的关系。根据β和S_1β、S_2β的值，可画出弯曲方向与两个倾斜光栅弯曲灵敏度的拟合关系曲线，该曲线可以由正弦三角函数表达：

S_1β＝b₁+A₁ sin(β-β₁)

S_2β＝b₂+A₂sin(β-β₂) (4)

式中：常数b₁、b₂、A₁、A₂、β₁、β₂均可从拟合关系图中获取。

由于弯曲灵敏度的定义式为

代入关系式(4)后，与式(3)联立，可得到以下矩阵方程：

式中：ΔR₁、ΔR₂分别是两个纤芯的LP11共振峰反射率相对于未弯曲时的变化量。

在具体实施过程中，将刻写了倾斜光栅的双芯少模光纤4向任意角度弯曲，通过光谱仪测得当前两个纤芯倾斜光栅的LP11共振峰反射率，并求出反射率相对于未弯曲时的变化量，代入(5)式，解此矩阵方程，即可得出当前弯曲方向角β与曲率c。

这种双芯少模光纤4倾斜光栅的矢量弯曲检测系统能够同时识别弯曲方向与曲率，并且有两根纤芯高度集成于一根光纤中，两根光纤测得的弯曲信息十分一致，大大减少了测量误差。并且，由于温度变化会引起LP11共振峰的波长偏移，对反射率的影响却微乎其微，因此该系统能够有效避免温度对矢量弯曲传感的干扰。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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它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。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于双芯少模光纤倾斜光栅的矢量弯曲传感系统，包括宽带光源(1)、环形器(2)、扇入扇出设备(3)、光谱仪(5)；其特征在于，还包括刻写了倾斜光栅的双芯少模光纤(4)；所述扇入扇出设备(3)包括第一输入口和第二输入口；其中：

所述宽带光源(1)将宽带光输入所述环形器(2)中；宽带光经由所述环形器(2)通过所述扇入扇出设备(3)第一输入口或第二输入口输入所述双芯少模光纤(4)中，此时特定波长的光会被倾斜光栅反射；反射光经过所述环形器(2)输出至所述光谱仪(5)中，由所述光谱仪(5)记录下当前双芯少模光纤(4)对应输入口的纤芯的LP11共振峰反射率；

所述双芯少模光纤(4)包括第一纤芯和第二纤芯；宽带光经由所述环形器(2)通过所述扇入扇出设备(3)第一输入口或第二输入口输入所述第一纤芯和第二纤芯中，获取两个纤芯的光谱；

在所述第一纤芯和第二纤芯相同的纵向位置上均刻写了倾斜光栅；其中，刻写在所述第一纤芯和第二纤芯上的两个光栅的周期、长度均一致，且光栅平面分别在立体直角坐标系下关于x-z面、y-z面倾斜相同角度；

所述第一纤芯和第二纤芯为材料构成相近的纤芯，以双芯少模光纤(4)的中心轴成对称分布，每个纤芯均能在工作波段内支持LP01模和LP11模两种模式的传输。

2.一种利用权利要求1所述的基于双芯少模光纤倾斜光栅的矢量弯曲传感系统的矢量弯曲传感方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过宽带光源(1)将宽带光输入环形器(2)中；

S2：宽带光经由环形器(2)通过扇入扇出设备(3)第一输入口输入双芯少模光纤(4)中，此时特定波长的光会被倾斜光栅反射；反射光经过环形器(2)输出至光谱仪(5)中，由光谱仪(5)记录下第一纤芯的LP11共振峰反射率；

S3：切换扇入扇出设备(3)的输入口，将宽带光经由环形器(2)通过扇入扇出设备(3)第二输入口输入双芯少模光纤(4)中，由光谱仪(5)记录下第二纤芯的LP11共振峰反射率；

S4：将双芯少模光纤(4)向某一个方向弯曲后，再次执行步骤S2和步骤S3，分别获取弯曲后的第一纤芯、第二纤芯的LP11共振峰反射率；

S5：计算弯曲前后两个LP11共振峰反射率变化数值，计算得到两个纤芯弯曲前后的反射率变化并代入弯曲方向角、曲率的关系式；

S6：根据关系式建立矩阵方程并进行求解，同时获取弯曲方向角和曲率，完成矢量弯曲传感；

在所述步骤S2中，所述共振峰反射率R_μν表达式具体为：

其中，L是光栅长度，C是与归一化横向模场相关的比例常数，

分别是两个模式的归一化横向模场，Δn是光纤中光栅引起的折射率变化函数，Λ是光栅周期，θ是光栅的倾斜角度。

3.根据权利要求2所述的矢量弯曲传感方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S7：在一定曲率范围内，向双芯少模光纤(4)施加不同曲率；

S8：记录不同曲率下两个纤芯LP11共振峰反射率的变化，根据数据画出曲率与反射率的拟合关系曲线，并获取曲率与共振峰反射率之间的关系式；

S9：通过旋转双芯少模光纤(4)改变弯曲方向，重复上述步骤，可得到多条曲率与反射率之间的关系式，不同的弯曲角度对应不同斜率，即弯曲灵敏度，因此可画出弯曲方向角与弯曲灵敏度的拟合关系曲线，获取两个纤芯弯曲方向角与弯曲灵敏度之间的关系式；将灵敏度的定义式代入弯曲方向角与弯曲灵敏度之间的关系式，得出两个纤芯反射率变化和弯曲方向角、曲率之间的矩阵方程；

S10：通过光谱仪(5)测得任意弯曲状态下两个纤芯倾斜光栅的共振峰反射率，并求出反射率相对于未弯曲时的变化量，代入矩阵方程中并进行求解，得出当前弯曲方向角与曲率。

4.根据权利要求3所述的矢量弯曲传感方法，其特征在于，在所述步骤S7中，施加的曲率表达式具体为：

其中，l是未弯曲的光纤长度，Δl是移动的距离，c是施加的曲率。

5.根据权利要求4所述的矢量弯曲传感方法，其特征在于，在所述步骤S8中，得到曲率与共振峰反射率的拟合关系曲线的过程具体为：

由于曲率变化与共振峰反射率变化是线性关系，因此，曲率和两个纤芯共振峰反射率的关系满足关系式：

R_1β＝S_1β·c+R₀

R_2β＝S_2β·c+R₀ (3)

其中，β＝0°，15°，...,360°，β表示弯曲方向角，R_1β、R_2β分别是第一纤芯、第二纤芯在弯曲角度为β测得的共振峰反射率，S_1β、S_2β分别是第一纤芯、第二纤芯在弯曲角度为β下的弯曲灵敏度，R₀是两个纤芯未弯曲时的共振峰反射率。

6.根据权利要求5所述的矢量弯曲传感方法，其特征在于，在所述步骤S9中，根据β和S_1β、S_2β的值，画出弯曲方向角与两个倾斜光栅弯曲灵敏度的拟合关系曲线，其由正弦三角函数表示为：

S_1β＝b₁+A₁sin(β-β₁)

S_2β＝b₂+A₂sin(β-β₂) (4)

其中，常数b₁、b₂、A₁、A₂、β₁、β₂均可从拟合关系曲线图中得到；由于弯曲灵敏度的定义式为

代入关系式(4)后，与式(3)联立，得到矩阵方程，具体表示为：

式中：ΔR₁、ΔR₂分别是两个纤芯的共振峰反射率相对于未弯曲时的变化量。

Images