CN203785642U - 一种基于花生型结构的全光纤弯曲传感器 - Google Patents

一种基于花生型结构的全光纤弯曲传感器 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于花生型结构的全光纤弯曲传感器，属于光纤传感器技术领域，由宽带光源、环行器、花生型结构模块、布拉格光纤光栅、带通滤波器、光功率计组成；本实用新型将布拉格光纤光栅充当反射镜，与花生型结构模块构成传感器的传感头，利用弯曲只对包层模功率产生影响且包层模功率与弯曲曲率成线性关系，通过测得包层模功率实现弯曲测量。本实用新型具有测量范围大、耐腐蚀、结构简单、温度不敏感、成本低等优点。

Description

一种基于花生型结构的全光纤弯曲传感器
技术领域
本实用新型涉及一种光纤弯曲传感器，尤其涉及一种基于花生型结构的全光纤弯曲传感器，属于光纤传感领域。
背景技术
弯曲测量从安全监测到结构工程领域扮演着越来越重要的角色，随着光纤传感技术的发展，弯曲测量技术获得了很大的突破。与传统的弯曲传感器相比，光纤弯曲传感器具有精度高、结构紧凑、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点。目前，光纤弯曲传感器主要分为两大类：一种是基于波导突变结构的光纤弯曲传感器，如基于错位熔接的光纤弯曲传感器；另一种基于短周期光纤光栅和长周期光纤光栅混合结构的光纤弯曲传感器，如基于倾斜光纤光栅和长周期光纤光栅的混合结构弯曲传感器。基于波导突变结构的光纤弯曲传感器具有测量范围大、信噪比高等优点，但结构不坚固、复用性差、温度交叉影响大、测量精度低。基于短周期光纤光栅和长周期光纤光栅混合结构的光纤弯曲传感器测量精度高，但工艺复杂对环境要求严格，不适合埋入或者测量物体内部的变形。最重要的是，上述两种光纤弯曲传感器采用波长解调，都需要昂贵的光谱分析仪和后续的图像处理，导致成本很高，限制其实际应用。
发明内容
针对现有技术方案的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于花生型结构的全光纤弯曲传感器，该弯曲传感器具有测量范围大、耐腐蚀、结构简单、温度不敏感、成本低等优点。
本实用新型解决技术问题所采取的技术方案为：
一种基于花生型结构的全光纤弯曲传感器，其特征在于，包括宽带光源(1)、环行器(2)、花生型结构模块(3)、布拉格光纤光栅(4)、带通滤波器(5)、光功率计(6)；所述的宽带光源(1)与环行器一端口(100)相连，花生型结构模块(3)分别与环行器二端口(101)和布拉格光纤光栅(4)相连，环行器三端口(102)与带通滤波器(5)一端相连，带通滤波器(5)另一端与光功率计(6)相连；所述的布拉格光纤光栅(4)充当反射镜，与花生型结构模块(3)构成传感器的传感头；所述的带通滤波器(5)通过选择滤波范围利用光功率计(6)分别测量传感头反射回来的纤芯模功率和包层模功率，实现弯曲曲率测量。
所述的花生型结构模块(3)是在光纤的一端利用商用熔接机手动放电形成一个球，同理制作另一个球，将两段带球的光纤再利用熔接机熔接成花生型结构模块，其长度为0.3-3cm，双球直径为125-400μm。
本实用新型的有益效果为：
1、利用反射式强度调制的原理来测量曲率，不需要昂贵的光谱仪，成本低廉；
2、利用纤芯模功率只受温度的影响，而包层模功率同时受到温度、弯曲的影响，通过对包层模功率与纤芯模功率作减法运算，就能精确得到弯曲与包层模功率的关系，从而解决了温度交叉敏感效应。
附图说明
下面结合附图及其实施例对本实用新型作进一步说明。
图1为本实用新型基于花生型结构的全光纤弯曲传感器结构示意图。
1为宽带光源；2为环形器；3为花生型结构模块；4为布拉格光纤光栅；5为带通滤波器；6为光功率计；100为环行器一端口；101为环行器二端口；102为环行器三端口。
具体实施方式
以下结合本实用新型的结构和工作原理作详细说明：
图1中，一种基于花生型结构的全光纤弯曲传感器，包括宽带光源1、环行器2、花生型结构模块3、布拉格光纤光栅4、带通滤波器5、光功率计6；所述的宽带光源1与环行器一端口100相连，花生型结构模块3分别与环行器二端口101和布拉格光纤光栅4相连，环行器三端口102与带通滤波器5一端相连，带通滤波器5另一端与光功率计6相连；所述的布拉格光纤光栅4充当反射镜，与花生型结构模块3构成传感器的传感头；所述的带通滤波器(5)通过选择滤波范围利用光功率计(6)分别测量传感头反射回来的纤芯模功率和包层模功率，实现弯曲曲率测量。
一种基于花生型结构的全光纤弯曲传感器工作原理：
宽带光源1发出的光由环形器2进入花生型结构模块3，由于模场直径不匹配，激发出包层模，使部分光在包层中进行传输，剩余的光仍在纤芯中传输，且花生型结构模块3与布拉格光纤光栅4的距离很短，所以包层部分的光能量衰减有限，在经过布拉格光纤光栅4时，包层模被重新耦合到纤芯进行反向传输，构成第一个回路。同时剩余的纤芯模经过布拉格光纤光栅4时耦合到反向传输的纤芯模和包层模中，再次经过花生型结构模块3被重新耦合回到纤芯，形成第二个回路，所以在传感探头中，光传输形成两个从纤芯到包层再到纤芯的回路。由于包层模对外界弯曲敏感，当光纤传感头弯曲时，包层模场分布及其模式耦合特性受到影响，弯曲的越厉害，损耗越大，测量的包层模功率越小。反射的纤芯模和包层模经环形器三端口102和带通滤波器5后，由光功率计6测量输出光功率。其中带通滤波器5通过选择滤波范围利用光功率计6分别测量传感头反射回来的纤芯模功率和包层模功率，由于包层模功率与弯曲的曲率成线性关系，获得包层模功率即可获得外界的弯曲信息。
实施例
本实用新型基于花生型结构的全光纤弯曲传感器如图1所示，其中宽带光源1波长范围为1400-1600m，花生型结构模块3的长度为1cm，双球直径分别为209.459μm、194.260μm，布拉格光纤光栅4栅区长度1cm，中心波长1550nm，反射率为90％。
1400-1600nm宽带光源与环行器一端口(100)相连，1cm花生型结构模块3分别与环行器二端口101和1cm布拉格光纤光栅4相连，环行器三端口102与带通滤波器5一端相连，带通滤波器5另一端与光功率计6相连。1400-1600nm宽带光源1由环形器2进入花生型结构模块3，由于模场直径不匹配，激发出包层模，使部分光在包层中进行传输，剩余的光仍在纤芯中传输，且1cm花生型结构模块3与1cm布拉格光纤光栅4的距离很短，所以包层部分的光能量衰减有限，在经过1cm布拉格光纤光栅4时，包层模被重新耦合到纤芯进行反向传输，构成第一个回路。同时剩余的纤芯模经过1cm布拉格光纤光栅4时耦合到反向传输的纤芯模和包层模中，再次经过1cm花生型结构模块3被重新耦合回到纤芯，形成第二个回路，所以在传感探头中，光传输形成两个从纤芯到包层再到纤芯的回路。由于包层模对外界弯曲敏感，当光纤探头弯曲时，包层模场分布及其模式耦合能力受到影响，弯曲的越厉害，损耗越大，测到的包层模功率越小。反射光在环形器三端口102输出，并通过带通滤波器5，将传感器反射回来的纤芯模与包层模分开，得到反射式强度调制的包层模功率，带通滤波器5通过连接功率计6，可测得包层模功率值，由于包层模功率与曲率成线性关系，从而获得外界弯曲信息。
以上实施例只是本实用新型所有方案中优选方案之一，其它对基于花生型结构的全光纤弯曲传感器的简单改变都属于本实用新型所保护的范围。

Claims (2)

1.一种基于花生型结构的全光纤弯曲传感器，其特征在于，包括宽带光源(1)、环行器(2)、花生型结构模块(3)、布拉格光纤光栅(4)、带通滤波器(5)、光功率计(6)；所述的宽带光源(1)与环行器一端口(100)相连，花生型结构模块(3)分别与环行器二端口(101)和布拉格光纤光栅(4)相连，环行器三端口(102)与带通滤波器(5)一端相连，带通滤波器(5)另一端与光功率计(6)相连；所述的布拉格光纤光栅(4)充当反射镜，与花生型结构模块(3)构成传感器的传感头；所述的带通滤波器(5)通过选择滤波范围利用光功率计(6)分别测量传感头反射回来的纤芯模功率和包层模功率，实现弯曲曲率测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于花生结构的全光纤弯曲传感器，其特征在于所述的花生型结构模块(3)是在光纤的一端利用商用熔接机手动放电形成一个球，同理制作另一个球，将两段带球的光纤再利用熔接机熔接成花生型结构模块，其长度为0.3-3cm，双球直径为125-400μm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103925887A (zh) * 2014-04-16 2014-07-16 中国计量学院 一种基于花生型结构的全光纤弯曲传感器
CN105928469A (zh) * 2016-06-07 2016-09-07 华中科技大学 一种高灵敏可判别弯曲方向的无温度交叉灵敏的光纤曲率传感器
CN106949850A (zh) * 2017-03-29 2017-07-14 哈尔滨工业大学 一种高灵敏度高精度的光纤形状传感测量方法及***

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