CN113701656B - 单通道循环串接式多芯光纤形状传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种单通道循环串接式多芯光纤形状传感器，其特征是：它由七芯光纤、七芯光纤Fan‑in器件、以及七芯光纤一端的45°锥体圆台组成；所述七芯光纤具有一个中间芯和三对正六边形分布的周边纤芯；45°锥体圆台能反射周边纤芯传输的光束，使其经过两次反射后进入对称的纤芯中反向传输；通过七芯光纤Fan‑in器件和纤端45°锥体圆台将七芯光纤的每个纤芯依次串接，实现将七个纤芯映射成一维拓扑光路的功能。本发明可用于三维形状传感，具有结构简单、单端自由、单通道使用的特点，能够广泛用于医疗器械、航天器机翼等设备的形状监测。

Description

单通道循环串接式多芯光纤形状传感器

技术领域

本发明涉及的是一种单通道循环串接式多芯光纤形状传感器，可用于智能结构的健康监测，还可用于机器人或者飞机机翼的蒙皮结构，实时检测其形状变化，属于分布式光纤形变传感技术领域。

背景技术

光纤形变传感是一种分布式传感技术，它利用光纤局部应变产生的后向散射信号来探测光纤的弯曲和扭转等信息，然后对这些信息进行处理以重构光纤的空间形变。这种技术在医疗、能源、国防、航空航天、结构安全监测以及其它智能结构等领域具有广泛的应用价值。

光纤形状传感按使用的光纤种类可以分为单模光纤合束方案和多芯光纤方案。单模光纤合束是将几根普通单模光纤合束封装，在形状传感器封装和标定方面有一定的复杂度和难度，但得益于其较大的纤芯间距，这类形状传感器具有更高的形状分辨率。多芯光纤形状传感器则利用一根多芯光纤替代单模光纤束，因此这类形状传感器的优势是更紧凑的体积，更佳的传感器一致性，封装和使用更为便捷。

专利CN110243301A提供了一种基于动态BOTDA的逐芯扫描式多芯光纤形状传感器，该发明采用光开关的方式实现多芯光纤的逐芯扫描探测，从而获取每个纤芯的布里渊散射光信号，再解调得到光纤的形状变化。在传感器的应用中，需要采用两个多通道光开关和两个多芯光纤扇出器件，并且需要将多芯光纤的两端均与BOTDA仪器连接，这限制了多芯光纤形状传感器的使用。例如，在多芯光纤形状传感器的医疗应用中，需要将传感器结合导管***体内，这就需要多芯光纤的一段保持自由无连接。

专利CN110243305B提出一种基于动态BOTDA的多芯循环串接式光纤形状传感器，该发明通过多芯光纤两端的扇入扇出器件的通道串接的形式，将多芯光纤的多个纤芯串成单个的通道，省去了两个光开关，简化了传感器结构，但是同样需要将多芯光纤的两端连接到BOTDA仪器上，无自由端，限制了形状传感的应用范围。

专利CN110243302B提出一种反射式多芯循环串接光纤形状传感器。该发明通过采用多个环形器和纤端的平面反射镜实现多芯光纤的每个纤芯的串接，并且实现了单端自由的目的。但是其传感器包括了多个环形器，不仅使传感器结构复杂，还增加了传输损耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、单端自由的单通道循环串接式多芯光纤形状传感器。

本发明的目的是这样实现的：

一种单通道循环串接式多芯光纤形状传感器，它由七芯光纤、七芯光纤Fan-in器件、以及七芯光纤一端的45°锥体圆台组成；所述七芯光纤具有一个中间芯和三对正六边形分布的周边纤芯；45°锥体圆台能反射周边纤芯传输的光束，使其经过两次反射后进入对称的纤芯中反向传输；通过七芯光纤Fan-in器件和纤端45°锥体圆台将七芯光纤的每个纤芯依次串接，实现将七个纤芯映射成一维拓扑光路的功能。

为了降低45°锥体圆台反射耦合损耗，使光束由一个周边纤芯向其对称周边纤芯高效耦合，所述的45°锥体圆台是优化的弧形反射锥体圆台。优选地，弧形锥体圆台的旋转对称面满足抛物面的方程，该形状下的表面能将光束反射聚焦，抵消光束在反射后传播过程中的衍射扩散效应，从而提高耦合效率。

优选地，为了适应传感器不同的应用环境，如液体环境中，所述的45°锥体圆台的表面镀有反射膜，以保证光束能发生全反射而不是折射。

所述的形状传感器获取的是一维的数据信息，将该一维数据信息进行分段映射和提取，得到七芯光纤每根纤芯对应的形变信息。

所述七芯光纤的六个周边纤芯的数据信息和中间纤芯的数据信息作差，可排除温度分布变化对光纤形状解调的影响。

所述的三对周边纤芯的数据信息可分成正向传输和反向传输的独立的两组，两组数据可相互校验，求平均后再解调光纤形状，以提高形状解调精度。

所述的七芯光纤除了纤端45°锥体圆台处外，其余形状传感处可制备成螺旋结构，使六个周边纤芯围绕中间芯圆周呈螺旋分布。

所述的形状传感器的解调设备为OFDR、

BOTDR或BOTDA。

与在先技术相比，本发明至少具备有以下优点：

(1)相比较于其他多芯光纤形状传感器，本发明具有单通道传输的特点，不需要多余的光开关或者多个光源对每个纤芯通道分别进行扫描。

(2)本发明利用多芯光纤端的反射结构完成纤芯串接的目的，结构简单。更重要的是其实现了单端自由，这使得光纤形状传感器在介入式医疗中的应用成为可能。

附图说明

图1为本发明所用七芯光纤的光纤端面结构图。

图2(a)为七芯光纤纤端45度锥体圆台反射结构的三维图，图2(b)为在(a)基础上优化得到的弧形锥体反射圆台的三维图。

图3为弧形锥体反射圆台的制备方法。

图4(a)为底角为45°的锥体圆台结构的轴剖面，图4(b)为弧形锥体反射结构的轴剖图。

图5(a)和(b)分别为多芯光纤纤端锥体圆台在弧形优化前后，光束在纤端的走向仿真结果图。

图6为本发明作为三维形状传感器的***图。

图7为一维数据序列分段映射到每根纤芯的情况示意图。其中(a)为BOTDR***获取的一维数据信息，(b)为映射得到的每根纤芯的形变信息，(c)为七芯光纤。

图8为本发明用于弯曲传感器的工作原理示意图：(a)横截面示意图(面N-N'为光纤弯曲的中性面，1为纤芯1相对于y轴的方位角，纤芯距包层中心的距离都为r，θ_b为光纤弯曲方向与y轴的夹角)；(b)光纤弯曲示意图。

图9为本发明用于扭转传感器的工作原理示意图：(a)传感原理示意图；(b)扭转多芯光纤示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

首先介绍传感器纤端的45°锥体圆台反射结构。

选用如图1所示的七芯光纤，具有一个中间芯和六个正六边形分布的边芯。为了减小纤芯件的串扰，可以在纤芯外加一层低折射率的隔离层。

如图2所示，在七芯光纤的纤端有旋转对称的锥体反射圆台。其中图2(a)是底角为45度的锥体反射圆台，而图2(b)是在(a)基础上优化得到的弧形锥体反射圆台。

弧形锥体反射圆台的制备方法如图3所示，具体描述如下：

步骤1：在七芯光纤1的纤端熔接一段无芯光纤2，切割平整。七芯光纤1的纤芯距离中心的距离d＝42μm，保留的无芯光纤2的长度约60μm。

步骤2：将七芯光纤1纤端的无芯光纤研磨成底角为45°的锥体圆台3。

步骤3：将步骤3中的45°锥体圆台3放在电极下进行高温抛光塑形，形成弧形锥体圆台4。

步骤4：在弧形锥体圆台的抛物面上镀制反射膜5，这里选择镀制金膜。

步骤5：将七芯光纤1的另一端和七芯光纤扇入扇出器件连接，选取一对边芯分别作为输入输出端，对纤端弧形锥体反射结构的品质进行评价，制备得到弧形优化的锥体纤端全反射器。

如图4(a)所示的是底角为45°的锥体圆台结构的轴剖面，虚线为纤芯b输出的三条光线在锥体圆台上经过两次反射后的走向。由于光线在离开纤芯b的束缚后会发生衍射效应，导致光束发散传输，因此三条光线在经过两次反射后并不能都被纤芯a收集，所以a、b纤芯的耦合连接损耗较大。

为了抵消光束在离开纤芯后的衍射扩散效应，需要将纤芯b出射后的光纤先做一个聚焦。这就需要将反射面优化为弧形的反射面。如图4(b)所示，为了实现光束在经过第二次反射后高效耦合进纤芯a，需要将第一次反射的聚焦点设置在光纤的轴线上为最优，可实现两个纤芯的对称互易耦合串接。

设计的准则主要有两点：

(1)选择抛物面作为反射面函数形状，这是因为离轴抛物面具有将平行光束聚焦于一点的特性。

(2)为了使光束为45°反射，需要抛物线(母线)满足A点切线与水平线的夹角为45°，即A点处的斜率为-1。

综上，所述的弧形锥体圆台结构的旋转对称抛物面母线满足抛物线方程：

其中r为光纤的径向，z为光纤的轴向，d为多芯光纤周边纤芯距离中心的距离，周边纤芯的中心与弧形的交点坐标为A(42，0)。

图5(a)和(b)分别为多芯光纤纤端锥体圆台在弧形优化前后，光束在纤端的走向仿真结果图。可以看出优化前，b纤芯输出的光束在锥台结构发生两次反射后并不能完全耦合进a纤芯。优化后，光束由b纤芯输出后经过第一次反射后聚焦于光纤的轴线上再发散，对称地经过第二次反射，完全耦合进入a纤芯。由此可见优化效果显著。

其次，以基于BOTDR三维动态形状传感为例，介绍本发明作为三维形状传感器的结构和工作原理。

如图6所示的是本发明作为三维形状传感器的***图。七芯光纤1的一端连接七芯光纤扇入扇出器件6，另一端制备弧形优化的锥体圆台反射结构4。扇入扇出器件6对应纤芯a的输入端和BOTDR7的输出连接，然后将扇入扇出器件6剩下的六个输入端依次循环串接，结合纤端的弧形优化的锥体圆台反射结构的反射，最终得到的BOTDR7输出的脉冲在七芯光纤内的传输路径为：a→a’→b’→b→c→c’→d’→d→e→e’→f’→f→g→g’。

在这样的连接中，串接的各个纤芯的布里渊散射信号如图7(a)所示。可以将该一维的信号按照不同纤芯展开，如图7(b)所示。展开的信号可以按照传输方向分成相互校验的两组，分别为a、c、e、g纤芯和b、d、f、g纤芯两组。这两组数据均可以用于三维形状还原解调。

选取其中一组纤芯(a、c、e、g)来说明用于形状传感的机理：

采用BOTDR进行光纤分布式测量是通过将入射光调制成脉冲实现的。光纤沿线每点的位置可以由脉冲光在光纤中的传播时间确定，而沿线每点布里渊频移的改变量Δv_B由光纤该点所处受到的应力和环境温度决定：

Δv_B＝C_ε·Δε+C_T·ΔT (2)

式中：C_ε为布里渊频移应变系数，C_T为布里渊频移温度系数，Δε为应力变化量，ΔT为温度变化量。在不考虑温度变化时，式(2)可简化为：

在纯弯曲条件下，对于圆截面弹性梁，轴向应变和曲率之间存在以下关系：

在公式(4)中，ε为基于BOTDR光纤形状传感器感测位置承受轴向表面线应变值，ρ为传感器感测位置的曲率半径，C为对应的曲率，D为传感器到中性面的距离。在给定D、C的情况下，能够求出传感光纤的应变。从公式(3)和(4)可看出，应变与布里渊频移的改变量Δv_B成正比，所以曲率C与Δv_B成正比。这样，通过监测布里渊频移的改变量Δv_B的大小就可以得到光纤曲率C的变化情况。

如图8所示，选取的四个芯光纤主要由一个位于包层中心的中央纤芯g和三个以正三角形的形式排列的纤芯(a、c、e)组成。当光纤沿着NN'轴作曲率半径为ρ的弯曲时，由图8(a)中的几何关系可以得到纤芯i到中性面的距离：

D_i＝r_i sin(θ_b-2π/3-θ_i) (5)

把式(5)代入式(4)及式(3)中，就可分别得到纤芯i上的布里渊频移的改变量Δv_B与曲率半径ρ的关系：

在实际BOTDR弯曲传感***中，布里渊频移的改变量Δv_B/v_B可以通过实验数据得到，这样，公式(6)中仅有三个未知量ρ、θ_b和θ_i(这里，根据纤芯排布，θ₁、θ₂和θ₃存在固定的位置关系)，所以通过联立三个纤芯对应的方程(公式(6))就可求解出这三个未知量，根据光纤局部的弯曲半径和弯曲方向就可以得到光纤局部形态变化数据，借助于这些形态变化数据就可以重构光纤整体的三维形变。

在这种数据差分运算过程中，由于七芯光纤的直径很小，四根纤芯的环境温度可视为近似相同。三个周边纤芯(a、c、e)经过与中间芯g差分运算后，就自动消除了每个纤芯沿着光纤轴向的应变，同时也自动消除了由于环境温度变化所产生的影响。获得的是七芯光纤的纯弯曲和纯扭转的信息，因此，提高了三维形变光纤传感器的稳定性和可靠性。

本发明用于扭转传感机理如下：

图9(a)给出了节距为L_p，螺旋芯距离光纤中心为r的螺旋芯光纤在外加扭转下发生θ_t的扭转角。从图中可看出，螺旋纤芯的长度由L变为L_ε，因此根据图中的几何关系，可以得到螺旋纤芯轴向应变ε与单位节距上的扭转角θ_t之间的关系：

把公式(7)带入公式(3)中就可得到螺旋纤芯上的布里渊频移量与扭转角θ_t的关系：

从公式(8)可看出，一般情况下，影响基于BOTDR多芯光纤扭转传感灵敏度的主要因素为螺距与纤芯到光纤中央的距离之比L_p/r。对于图9(a)和图9(b)所示的螺旋多芯光纤，由于三个螺旋纤芯到光纤中央的距离都相等，因此这里只用考察光纤扭转螺距L_p对扭转传感灵敏度的影响，而中央纤芯对扭转不灵敏，仅起着补偿温度或光纤纵向拉伸的作用。对于同轴度良好的螺旋芯光纤，由于三个螺旋纤芯的螺距L_p相同，因此三个纤芯上的布里渊频移的改变量Δv_B/v_B对光纤扭转的响应是一致的，也就是说光纤扭转引起三个纤芯上布里渊频移的改变量是相同的。对于非扭转多芯光纤，纤芯的螺距L_p可以看成无穷大，此时该光纤对扭转传感的灵敏度趋近于零(见式(8))。但是，一旦采用扭转光纤，光纤对扭转传感的灵敏度将迅速提高，并且纤芯螺距L_p越小，灵敏度越高。因此，本发明可以采用螺旋七芯光纤来提高对空间扭转应变的探测能力。当然，考虑到纤芯弯曲损耗等因素，纤芯螺距L_p不能过小，一般需要毫米量级以上。从图9(b)可看出，利用在光纤沿线获得的布里渊频移的改变量Δv_B/v_B，就可以求得沿光纤每个位置的应变量，从而得到若干光纤局部形态参数，利用获得的若干光纤局部形态变化数据，就能够重构光纤整体的三维形变。

上述的内容仅选取七芯光纤的一组纤芯(a、c、e、g)来说明用于形状传感的机理，实际上在本发明提出的七芯光纤形状传感器依靠纤端的反射锥体圆台结构，可以组成正向和反向的两组形状传感信号，可以通过对两组信号求平均的方式，进行形状校验和提高形状还原精度。

在说明书和附图中，已经公开了本发明的典型实施方式。本发明不限于这些示例性实施方式。具体术语仅仅用作通用性和说明性意义，并不是为了限制本发明的受保护的范围。

Claims (8)

1.一种单通道循环串接式多芯光纤形状传感器，其特征是：它由七芯光纤、七芯光纤Fan-in器件、以及七芯光纤一端的45°锥体圆台组成；所述七芯光纤具有一个中间芯和三对正六边形分布的周边纤芯；45°锥体圆台能反射周边纤芯传输的光束，使其经过两次反射后进入对称的纤芯中反向传输；通过七芯光纤Fan-in器件和纤端45°锥体圆台将七芯光纤的每个纤芯依次串接，实现将七个纤芯映射成一维拓扑光路的功能。

2.根据权利要求1所述的一种单通道循环串接式多芯光纤形状传感器，其特征是：所述的45°锥体圆台是优化的弧形反射锥体圆台。

3.根据权利要求1～2任一项所述的一种单通道循环串接式多芯光纤形状传感器，其特征是：所述的45°锥体圆台的表面镀有反射膜。

4.根据权利要求1所述的一种单通道循环串接式多芯光纤形状传感器，其特征是：所述的形状传感器获取的是一维的数据信息，将该一维数据信息进行分段映射和提取，得到七芯光纤每根纤芯对应的形变信息。

5.根据权利要求1或4所述的一种单通道循环串接式多芯光纤形状传感器，其特征是：所述七芯光纤的六个周边纤芯的数据信息和中间纤芯的数据信息作差，可排除温度分布变化对光纤形状解调的影响。

6.根据权利要求1或4所述的一种单通道循环串接式多芯光纤形状传感器，其特征是：所述的三对周边纤芯的数据信息分成正向传输和反向传输的独立的两组，两组数据相互校验，求平均后再解调光纤形状，以提高形状解调精度。

7.根据权利要求1所述的一种单通道循环串接式多芯光纤形状传感器，其特征是：所述的七芯光纤除了纤端45°锥体圆台处外，其余形状传感处制备成螺旋结构，使六个周边纤芯围绕中间芯圆周呈螺旋分布。

8.根据权利要求1述的一种单通道循环串接式多芯光纤形状传感器，其特征是：所述的形状传感器的解调设备为OFDR、BOTDR或BOTDA。

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