CN109839080B - 一种白光干涉式纤维集成扭转传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种白光干涉式纤维集成扭转传感器，其主要特征是：该传感器是由双包层光纤1、螺旋四芯光纤2以及端面反射膜3等部分组成，集成于一根光纤上的扭转传感器。本发明所给出的传感器能够实现扭转角度以及扭转的方向同时测量，由于本发明的固有特性使其在高温条件下尤为适用。另外，还具有灵敏度高、结构紧凑以及成本低等优点。
Description
(一)技术领域
本发明属于光纤技术领域，具体涉及的是一种白光干涉式纤维集成扭转传感器。
(二)背景技术
扭转这个物理量是体现出设备、部件等内部情况的重要参数，所以对于扭转的测量一直是大家研究的重点对象。扭转传感器是对各种旋转的或者是非旋转的部件上对扭转力矩感知的检测。传统的扭转传感器均是基于电学或者电磁感应的原理而进行的扭转测量，此类传感器容易受到电磁干扰，且体积庞大。新生代基于光纤的扭转传感器多是基于光纤光栅的扭转传感器，具有其体积小、易弯折、重量轻等特点，更重要的是不受电磁干扰的特性备受青睐，被广泛应用于扭转的测量。发明专利CN105466362A提出了一种基于相移光纤布拉格光栅的扭转传感器，相移光纤布拉格光栅发生扭转后，透射谱的单个透射峰***成两个透射峰，然后对两个透射峰的幅值差值进行编码、解码进而得到扭转角度和扭转方向。申请人于2011年公开了一种基于非对称双芯光纤的扭转传感器(公告号：CN102288136B)，利用非对称的双芯光纤将参考臂和传感臂集成在一个光纤中，避免了复杂的光栅写入等繁杂的步骤，制作也更加低廉、方便，成本更低。
多芯光纤提出于上世纪七十年代，目的是为了解决降低光纤光缆的成本问题以及提高光纤光缆密集度的问题。随着多芯光纤技术的发展，多芯光纤的应用愈加广泛，不仅仅应用于光通信领域，更广泛的应用于光纤激光器、光纤光学器件以及光纤传感领域。
热扩散耦合技术提出于上世纪九十年代，目的在于解决不同光纤的对准、耦合等问题。近年来由于其成本低、插损低等特点得到了广泛的研究与发展，应用于光纤通信中的隔离器件以及滤波器件等。
本发明所提供的白光干涉式纤维集成扭转传感器解决了以往光纤扭转传感器机械强度差、解调依赖光谱仪导致***复杂，成本高昂等问题。可以实现扭转方向以及扭转角度同时测量，而且多芯光纤同时测量，可以消除环境温度、应力等其它因素的交叉影响。而且，由于传感器仅是一根多芯光纤并且是熔接而成，没有任何用于连接的接插件，所以在高温条件下几乎没有影响，尤其适用于高温条件下的扭转测量，其独特性是其它传感器***所不能替代的。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种白光干涉式纤维集成扭转传感器，可用于高温条件下的扭转测量。
本发明的目的是这样实现的：该光纤传感器是由双包层光纤1、螺旋四芯光纤2以及端面反射膜3等部分组成。双包层光纤1、螺旋四芯光纤2熔接在一起，在螺旋四芯光纤端面镀金属反射膜3，形成一种白光干涉式纤维集成扭转传感器。
本发明中使用了一种特殊的光纤——双包层光纤(光纤结构如图1所示)、菲涅尔反射定律以及热扩散效应。图1中所示的特殊光纤折射率分为三层，分别为n1、n2和n3，它们之间的关系是n1>n2>n3(假设螺旋四芯光纤纤芯以及包层折射率分别为n2和n3)。当一段这种特殊光纤与螺旋四芯光纤焊接到一起时，两端光纤连接面如图1所示，由于二者存在折射率差，光束在此处会有部分反射、部分投射，反射率R由菲涅尔反射定律可推导：
两光纤之间的折射率差约为0.01，通过公式(1)即可估算出光束在连接面反射率约为3.33*10-5。这说明在连接处仅有10-5量级的光信号发生反射，其余的光透射到螺旋四芯光纤中。
对螺旋四芯光纤进行加热，使螺旋四芯光纤纤芯产生热扩散效应。在热扩散效应下，纤芯掺杂离子向包层进行热扩散，进而引起纤芯周围的折射率发生变化，造成的效果等效为四根纤芯向四周进行扩散(如图1中所示)。当纤芯向四周扩散到一定程度时，引起螺旋四芯光纤中心纤芯的光向另外三个纤芯发生耦合作用，使光耦合到另外三个光纤芯中。螺旋四芯光纤另一端镀金属膜，使四根纤芯的光按原路返回并在热扩散区进行耦合，使边缘三个光纤芯中的光场再次耦合到中心纤芯中并返回到双包层光纤中。返回的双包层的反射光信号与两光纤交界面直接反射的光信号在解调仪中发生干涉。
本发明的基本原理是基于白光干涉原理，螺旋四芯光纤中偏芯和中间芯对于扭转量的响应不同的特性。
螺旋线长度计算公式
式中θ为光纤扭转角度(弧度制)，L为光纤长度，r为边芯距离中间芯距离。当螺旋四芯光纤上出现一个沿着光纤轴线的扭转，处于中心位置的中心芯的长度不会发生变化，处于边缘的边芯由于扭转的作用而伸长或者缩短：当扭转方向与螺旋四芯光纤螺旋方向相同时边芯由于扭转的作用而变长，反之当扭转方向与螺旋四芯光纤螺旋方向相反时边芯由于扭转的作用而变短。
白光干涉式纤维集成扭转传感器的结构还可以是以下几种形式：一段双包层光纤与螺旋偏双芯光纤焊接在一起，并且在螺旋偏双芯光纤的另一端镀高反射膜；一段双包层光纤与螺旋三芯光纤焊接在一起，并且在螺旋三芯光纤的另一端镀高反射膜；一段氟化物包层光纤与螺旋七芯光纤焊接在一起，并且在螺旋七芯光纤的另一端镀高反射膜：
(1)一段螺旋偏双芯光纤与双包层光纤焊接在一起(如图3所示)，原理与螺旋四芯光纤类似，分别在两个光纤焊接处产生一组反射信号，在高反膜处产生另一组反射信号。螺旋偏芯光纤经过热扩散处理，使得纤芯光场能量可以耦合到两个边芯中，同时边芯的光场能量也能通过热扩散部分返回到中心纤芯中。但由于使用的螺旋偏双芯光纤中心纤芯作为基准，边芯作为测量，所以此种结构下的弯曲传感器并不能去掉温度和应力带来的影响，故而影响测量精度。
(2)一段螺旋三芯光纤与双包层光纤焊接在一起(如图4所示)，原理与螺旋四芯光纤类似，分别在两个光纤焊接处产生一组反射信号，在高反膜处产生另一组反射信号。螺旋三芯光纤经过热扩散处理，使得纤芯光场能量可以耦合到两个边芯中，同时边芯的光场能量也能通过热扩散部分返回到中心纤芯中。三个纤芯折射率不会完全相同，即会产生三组干涉信号，通过解调即可得出扭转的方向以及扭转角度。
(3)一段螺旋七芯光纤与氟化物掺杂包层光纤焊接在一起(如图5所示)，由于氟化物包层光纤纤芯折射率较螺旋七芯光纤纤芯折射率低，二者存在折射率差，进而在焊接处会产生一组反射信号，另外在高反膜处产生另一组反射信号。螺旋七芯光纤经过热扩散处理，使得纤芯光场能量可以耦合到六个边芯中，同时六个边芯的光场能量也能通过热扩散部分返回到中心纤芯中。七个纤芯折射率不会完全相同，即会产生七组干涉信号，通过解调即可得出扭转的方向以及扭转角度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)灵敏度高，消除温度、应力的交叉敏感影响。由于四个纤芯的长度变化对温度、应力响应趋势是一致的，所以在实际应用中，通过三个偏芯与中央纤芯传感信号“相减”就可以消除温度、应力的影响，提高测量精度。
(2)耐高温性能更佳。传统的连接方式在高温条件下受到温度影响严重，本发明直接将两端光纤焊接在一起，排除了连接器受温度影响的因素，极大的提高了传感器的耐高温性能。
(3)结构紧凑。由于一种白光干涉式纤维集成扭转传感器集成于一根光纤之内，传感器整体体积大幅度减小，结构更加紧凑，使用更加便捷。
为了进一步说明本发明给出的基于一种白光干涉式纤维集成扭转传感器的基本工作原理，下面结合附图给出更加细致的说明。
(四)附图说明
图1是白光干涉式纤维集成扭转传感器结构示意图。图中传感器是由双包层光纤1、螺旋四芯光纤2以及端面反射膜3等部分组成。如图所示，双包层光纤1分为三层，中心纤芯折射率为n1，第二层的折射率为n2，最外层的折射率为n3，三层折射率关系为n1>n2>n3；而螺旋四芯光纤2四根纤芯折射率约为n2，与双包层光纤1的第二层折射率相同，其中一个纤芯位于中心，另外三个芯呈正三角分均匀分布在中间芯周围。
图2是一段双包层光纤与螺旋偏双芯光纤焊接在一起组成白光干涉式扭转传感***示意图。
图3是一段双包层光纤与螺旋三芯光纤焊接在一起组成白光干涉式扭转传感***示意图。
图4是一段氟化物包层光纤与螺旋七芯光纤焊接在一起组成白光干涉式扭转传感***示意图。
图5是使用该传感器搭建的一个白光干涉式扭转传感***。
(五)具体实施方式
下面结合附图实施举例对本发明做更详细地描述：
实施例：参见图5，图中是一个基于本发明的应用——白光干涉式纤维集成扭转传感***。将传感器接入一个干涉解调仪，对四路白光干涉信号进行解调。图中宽谱光源7、信号处理单元4、光纤环形器5、光程差扫描器6组成白光干涉式扭转传感***。光程差扫描器6的结构可以是Michlson干涉仪、MZ干涉仪、Fizeau干涉仪以及Sagnac干涉仪等组成的光程差扫描器，解调从白光干涉式纤维集成扭转传感器中返回的白光干涉信号。图5中测试数据曲线示意图，图中第一组为正常情况下的数据曲线，第二组为传感器逆螺旋四芯光纤螺旋方向进行扭转后的曲线，相当于解螺旋，导致边芯和中间芯的长度差变小；第三组为传感器沿螺旋四芯光纤螺旋方向进行扭转后的曲线，相当于增加螺旋，导致边芯和中间芯的长度差变大。
Claims (1)
1.一种白光干涉式纤维集成扭曲传感器，其主要特征是：该传感器是由双包层光纤(1)、螺旋四芯光纤(2)以及端面反射膜(3)组成，双包层光纤(1)、螺旋四芯光纤(2)熔接在一起，在螺旋四芯光纤(2)端面镀金属反射膜，形成一种白光干涉式纤维集成扭曲传感器，由于双包层光纤(1)与螺旋四芯光纤(2)的纤芯存在折射率差，因此光束在熔接处会有部分反射、部分透射，反射率R由菲涅尔反射定律计算得到，两光纤之间折射率差为0.01时，光束在熔接处反射率为3.33*10-5，其余的光透射到螺旋四芯光纤(2)中，螺旋四芯光纤(2)中心纤芯的光向另外三个纤芯发生耦合作用，使光耦合到另外三个光纤芯中，螺旋四芯光纤(2)另一端镀金属反射膜(3)，使四根纤芯的光按原路返回并在热扩散区进行耦合，使边缘三个光纤芯中的光场再次耦合到中心纤芯中并返回到双包层光纤(1)中，返回的双包层光纤(1)的反射光信号与两光纤交界面直接反射的光信号在解调仪中发生干涉，基于白光干涉原理，螺旋四芯光纤(2)中偏芯和中间芯对于扭转量的响应不同的特性，当螺旋四芯光纤(2)上出现一个沿着光纤轴线的扭转，处于中心位置的中心芯的长度不会发生变化，处于边缘的边芯由于扭转的作用而伸长或者缩短：当扭转方向与螺旋四芯光纤(2)螺旋方向相同时边芯由于扭转的作用而变长，反之当扭转方向与螺旋四芯光纤(2)螺旋方向相反时边芯由于扭转的作用而变短。
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Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN111624701A (zh) * | 2020-05-10 | 2020-09-04 | 桂林电子科技大学 | 一种多芯光纤微准直器 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1250516A (zh) * | 1997-03-17 | 2000-04-12 | 加拿大宇航局 | 拓扑和运动测量工具 |
| CN1447139A (zh) * | 2002-03-22 | 2003-10-08 | 住友电气工业株式会社 | 拼接光纤的方法和多光纤元件 |
| CN102003944A (zh) * | 2010-09-29 | 2011-04-06 | 哈尔滨工程大学 | 共路补偿的多尺度准分布式白光干涉应变测量装置及方法 |
| CN104503079A (zh) * | 2014-12-15 | 2015-04-08 | 哈尔滨工程大学 | 一种双光路集成在同一根光纤中的Michelson干涉仪型光程相关器 |
| CN105954236A (zh) * | 2016-03-10 | 2016-09-21 | 哈尔滨工程大学 | 一种纤维集成多螺旋芯光纤spr传感阵列芯片 |
| CN106959077A (zh) * | 2017-03-06 | 2017-07-18 | 哈尔滨工程大学 | 一种多芯光纤光栅万向弯曲传感器 |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1054712A (ja) * | 1996-08-08 | 1998-02-24 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 回転体の回転角度検出方法 |
| US7800758B1 (en) * | 1999-07-23 | 2010-09-21 | Faro Laser Trackers, Llc | Laser-based coordinate measuring device and laser-based method for measuring coordinates |
| JP5184876B2 (ja) * | 2007-12-21 | 2013-04-17 | 日本電信電話株式会社 | 光ファイバセンサ及び光ファイバセンサを用いた歪み及び温度測定方法 |
| CN101881858B (zh) * | 2010-06-11 | 2012-07-11 | 哈尔滨工程大学 | 可实现微小粒子旋转的卫星式螺旋多芯光纤微光手及制法 |
| CN102499648B (zh) * | 2011-11-16 | 2013-11-06 | 清华大学 | 一种基于菲涅尔光谱仪的频域光学相干层析成像*** |
| US9366810B2 (en) * | 2012-08-29 | 2016-06-14 | Ofs Fitel, Llc | Double-clad, gain-producing fibers with increased cladding absoroption while maintaining single-mode operation |
| CN203704884U (zh) * | 2014-01-07 | 2014-07-09 | 中国计量学院 | 一种基于偏振测定的内嵌式光纤扭曲传感器 |
| CN105823496A (zh) * | 2015-01-22 | 2016-08-03 | 西安金和光学科技有限公司 | 一种线形光纤感测装置 |
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1250516A (zh) * | 1997-03-17 | 2000-04-12 | 加拿大宇航局 | 拓扑和运动测量工具 |
| CN1447139A (zh) * | 2002-03-22 | 2003-10-08 | 住友电气工业株式会社 | 拼接光纤的方法和多光纤元件 |
| CN102003944A (zh) * | 2010-09-29 | 2011-04-06 | 哈尔滨工程大学 | 共路补偿的多尺度准分布式白光干涉应变测量装置及方法 |
| CN104503079A (zh) * | 2014-12-15 | 2015-04-08 | 哈尔滨工程大学 | 一种双光路集成在同一根光纤中的Michelson干涉仪型光程相关器 |
| CN105954236A (zh) * | 2016-03-10 | 2016-09-21 | 哈尔滨工程大学 | 一种纤维集成多螺旋芯光纤spr传感阵列芯片 |
| CN106959077A (zh) * | 2017-03-06 | 2017-07-18 | 哈尔滨工程大学 | 一种多芯光纤光栅万向弯曲传感器 |
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