CN204740023U - 一种双锥形光纤倾角传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种双锥形光纤倾角传感器，包括第一光纤锥、第二光纤锥和一光纤，所述第一光纤锥的一端被固定，所述第一光纤锥的另一端连接所述光纤的一端，所述光纤的另一端连接所述第二光纤锥的一端，所述第二光纤锥的另一端被固定。本实用新型的有益效果为：通过光纤连接两段光纤锥，在成本上可以得到极大的降低；当合理控制锥形区的锥腰半径，可以提高倾角传感器的传感精度。

Description

一种双锥形光纤倾角传感器

技术领域

本实用新型涉及一种光纤倾角传感器，具体涉及一种双锥形光纤倾角传感器。

背景技术

在建筑与机械工程领域，通常需要检测结构的定向倾斜角度，因此需要发展结构简单、成本低廉、高精度的倾角传感器。光纤传感器具有体积小、传输距离远、不受电磁干扰等特点，十分便于倾角测量方面的应用，目前已经提出了各种基于光纤的倾角传感器，但是，大部分光纤倾角传感器都是基于光纤光栅的，如光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅等。在光纤光栅中，倾斜通常使光纤产生应力应变效应，进而引起光波长或功率的变化，通过测量光波长或功率的变化就可以得到倾斜角度的数据，但是这种传感器测量出来的精度较低，不能满足实际应用的需求。

实用新型内容

针对上述问题中存在的不足之处，本实用新型提供一种降低光纤倾角传感器的成本，获得更高的倾角传感精度的双锥形光纤倾角传感器。

为实现上述目的，本实用新型提供一种双锥形光纤倾角传感器，包括第一光纤锥、第二光纤锥和一光纤，所述第一光纤锥的一端被固定，所述第一光纤锥的另一端连接所述光纤的一端，所述光纤的另一端连接所述第二光纤锥的一端，所述第二光纤锥的另一端被固定。

作为本实用新型进一步改进，所述第一光纤锥的第一锥形区的锥腰半径与所述第二光纤锥的第二锥形区的锥腰半径相等。

本实用新型的有益效果为：通过光纤连接两段光纤锥，在成本上可以得到极大的降低；当合理控制锥形区的锥腰半径，可以提高倾角传感器的传感精度。

附图说明

图1为本实用新型一种双锥形光纤倾角传感器的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型实施例的一种双锥形光纤倾角传感器，包括第一光纤锥、第二光纤锥和一光纤，第一光纤锥的一端被固定，第一光纤锥的另一端连接光纤的一端，光纤的另一端连接第二光纤锥的一端，第二光纤锥的另一端被固定。其中，第一光纤锥的第一锥形区W₁的锥腰半径与第二光纤锥的第二锥形区W₂的锥腰半径相等，即第一锥形区W₁的横截面的面积和第二锥形区W₂的横截面的面积相等。

具体使用时：双锥形光纤倾角传感器中，纤芯模和包层模的相位差为：

${\mathrm{\Φ}}_m=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Δn}}_{eff}^m\·L---\left(1\right)$

式中，为纤芯模和第m阶包层模的有效折射率之差，λ为光波长，L为第一锥形区W₁和第二锥形区W₂的距离。当Φ_m＝(2p+1)(p为整数)时，可得干涉谱取极小值时对应的波长值：

${\mathrm{\λ}}_p^m=\frac{2}{2p+1}{\mathrm{\Δn}}_{eff}^m\·L---\left(2\right)$

当整个双锥形光纤倾角传感器倾斜一定角度时，由于物体的重力作用，锥形区受到压缩或拉伸，锥形区的应变矢量可表示如下：

$\stackrel{\→}{\mathrm{\ϵ}}(\±\mathrm{\θ})=\frac{mg\·sin(\±\mathrm{\θ})}{AE}---\left(3\right)$

式中，第一锥形区W₁的横截面的面积和第二锥形区W₂的横截面的面积均为A，E为光纤材料的杨氏模量，g为重力加速度，倾斜角的正和负分别对应于向左和右倾斜。

由于双锥形光纤倾角传感器结构的不对称性，当倾斜角分别为+θ和－θ时，光纤锥形区的应变也不同。干涉谱的频移Δλ与倾斜角和应变矢量有关，根据等式(1)和(2)，可得：

$\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}}=\frac{\∂L}{L}+\frac{1}{{\mathrm{\Δn}}_{eff}^m}\frac{\∂\left(\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}^m\right)}{\∂\mathrm{\ϵ}}\stackrel{\→}{\mathrm{\ϵ}}---\left(4\right)$

由于双锥形光纤两端被固定，两锥形区的间距变化可近似忽略。为材料的有效光弹系数，当光纤拉伸时矢量为负，当光纤压缩时矢量为正，因此，双锥形光纤倾角传感器中产生的波长变化可计算如下：

$\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{\mathrm{\λ}}\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{\λ}}\≈p_{e1}\frac{mg\·sin\left(\mathrm{\θ}\right)}{A_{1}E}-p_{e2}\frac{mg\·\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{A_{2}E}---\left(5\right)$

当双锥形光纤倾角传感器水平放置时,Δλ/λ为0。当双锥形光纤倾角传感器向右倾斜时，第一锥形区W₁被拉伸，第二锥形区W₂被压缩，θ＜0，Δλ/λ＜0，谱线发生蓝移。当双锥形光纤倾角传感器向左倾斜时，第一锥形区W₁被压缩，第二锥形区W₂被拉伸，θ＞0，Δλ/λ＞0，谱线发生红移。

基于上述分析，应变矢量取决于倾斜角和倾斜方向，测量干涉频谱的红移和蓝移可以确定倾斜角度和方向。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种双锥形光纤倾角传感器，其特征在于，包括第一光纤锥、第二光纤锥和一光纤，所述第一光纤锥的一端被固定，所述第一光纤锥的另一端连接所述光纤的一端，所述光纤的另一端连接所述第二光纤锥的一端，所述第二光纤锥的另一端被固定。

2.根据权利要求1所述的双锥形光纤倾角传感器，其特征在于，所述第一光纤锥的第一锥形区的锥腰半径与所述第二光纤锥的第二锥形区的锥腰半径相等。