CN208238813U - 螺旋型光纤扭转传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种螺旋型光纤扭转传感器，特别是能够对扭转参量的大小和方向同时高精度测量的光纤传感器。该传感器主要由沿左手螺旋方向旋转360°的光纤螺旋组成，由于光纤螺旋结构导致的双折射特性，因此该结构形成了一个马赫‑曾德尔(M‑Z)干涉仪。当该传感器受到扭转作用时，由双折射效应使得光纤螺旋结构中的快光和慢光传输速度不同，产生的光程差将引起干涉峰的漂移。测量干涉峰的漂移量大小和漂移方向，即可实现扭转参数的大小和方向的高精度同时测量。这种螺旋型光纤扭转传感器具有结构灵巧、制作简便、性能优良、性价比高等优点，将其与光纤光栅结合，亦可实现扭转角、扭应力、扭矩等与温度的双参数同时测量。

Description

螺旋型光纤扭转传感器

技术领域

本实用新型涉及一种光纤传感器，能够对扭转进行正、负两个不同方向的感测，属于光纤传感技术领域。

背景介绍

扭转参数(扭转角、扭矩等)是工业生产、产品制作、安全维护等领域中的重要监控参量，人们现已开发出多种类型的扭转传感器。其中，光纤因其具有质量轻、柔韧性好、抗电磁干扰、易设计加工、材料来源丰富等优点，现已成为新型扭转传感器设计和研制的优选材料。近些年，随着工程仪器仪表测试和桥梁建筑监测的需求日渐提高，光纤扭转传感的研发迅速得到发展。在工程实际应用中，很多情况下不仅需要测量扭转参数的大小，同时还需要获知扭转作用的方向，即实现扭转矢量的大小和方向的同时测量至关重要，这属于新颖的光学检测技术。

然而，在实际工程应用中，一些待测材料体积很小，而尺寸较大的传感器不适宜在其表面粘贴或者内部嵌入。研究表明：利用光纤螺旋制作技术可以研制结构紧凑、感测灵敏的扭转传感器，进而实现扭转参数的大小和方向的同时测量。

本实用新型是一种新型的可同时测量扭转参数的大小和方向的光纤扭转传感器。检索结果表明，目前尚没有采用光纤螺旋结构制作可同时进行扭转参数的大小和方向测量的螺旋型光纤扭转传感器的专利报道。

发明内容

本实用新型的目的旨在设计出一种可同时进行扭转参数的大小和方向测量的高灵敏度光纤扭转传感器，所提供的螺旋型光纤扭转传感器，包括传感部分和测量部分。传感部分由光纤螺旋结构构成，如图1(a)所示；其特征是利用氢氧焰技术对单模光纤进行灼烧，使其在高温下变为熔融状态，在灼烧的同时，将光纤的一端用旋转盘沿左手螺旋方向旋转360°，使光纤熔融部分形成一个完整的螺旋，如图1(b)所示；撤掉氢氧焰待光纤冷却，使光纤螺旋永久固定，如图1(c)所示。

利用图1所示的传感器，可以对扭转参数的大小和方向同时进行测量。传感器测量部分的连接方式：传感头(1)的两个连接点，其一通过传输光纤(2)与光源(3)连接，其二通过传输光纤(2)与光探测器(4)相接，如图2所示。

单模光纤拉制技术已经成熟，国内已实现了批量生产，目前在市场上很容易购得。在本实用新型中，利用氢氧焰对光纤灼烧并进行旋转操作，形成的光纤螺旋结构是一个马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪。当光纤螺旋结构(即传感头)受到外界扭转作用时，将改变干涉仪中的快光和慢光的光程差，进而导致干涉峰的漂移。测量干涉峰的漂移量及飘移方向，能够实现对扭转参量的大小和方向的高精度同时测量。

本实用新型所述的传感头是具有沿轴向旋转360°的光纤螺旋结构；所述的传输光纤为单模光纤；所述的光源为宽带光源或可调谐光纤激光器；所述的光探测器为光谱仪或多波长计；所述的传感器工作环境温度为0℃～80℃之间。

感测原理：

在制作光纤螺旋结构时，光纤横截面上的侧向应力发生变化，引起光纤折射率的改变，导致其具有双折射特性。该双折射的快轴与光纤弯曲半径方向一致，而慢轴则垂直于弯曲平面。当一束光从光纤螺旋结构的一端入射时，快光和慢光同时传输且速度不同，在螺旋结构的另一端重新汇合并累积了一定的光程差，由此会产生干涉现象。该光纤螺旋结构的干涉机理类似于M-Z干涉仪，其两个干涉臂则由两个偏振模式所代替。

在光纤螺旋结构中，传输的快光和慢光的相位差可以表示为

式中，λ表示波长，干涉谐振峰的波长则由下式表示

式中，m是任意整数，不同的m值对应不同阶数的干涉。

理论分析表明，对于仅有一匝螺旋的光纤螺旋结构(螺旋仅旋转一圈，即螺旋匝数N＝1)，其扭转灵敏度可表示为

式中，Δλ_res是谐振峰波长的漂移量，Δτ是扭转率；L、K、R、d分别表示光纤螺旋的长度、曲率、半径和螺距。式(1)～式(3)即为螺旋型光纤扭转传感器感测原理的表达式。

测量方法：

当传感器制作完成后，式(3)中的各个系数均已确定，并可通过初始实验测得其值，测量装置如图2所示。测量方法如下：

第一步，测量传感器对扭转方向的识别。首先，将传感器的传感头置于温控箱内，将温度保持在0℃～80℃之间的某一温度不变(如20℃)，记录传感器初始光谱(如图3所示)及相应数据；然后，对传感头施加正向(螺旋收紧)、负向(螺旋放松)两个不同方向的扭转作用，依次记录传感器干涉峰的漂移情况；最后，将记录的光谱及数据进行处理，得到传感器干涉峰漂移与扭转方向的对应关系。测量表明：传感器干涉峰对扭转方向可以灵敏地识别，当扭转方向为正向时，干涉峰发生红移；当扭转方向为负向时，干涉峰则发生蓝移，其干涉峰的漂移量与扭转率具有明显的线性响应关系。

第二步，测量传感器对扭转参数的测量，以扭转率(扭转角与光纤螺旋长度的比值)为例。首先，记录传感器自由状态下的干涉谱及相应数据，并将其定为初始值，同时记录下环境温度(如20℃)并保持不变；然后，旋转光纤螺旋结构，每隔一定度数记录干涉谱漂移及相应数据，从小到大并回复测量；最后，将多次记录的干涉谱及数据进行处理，得到传感器干涉峰与扭转率实验关系及拟合曲线。

第三步，改变环境温度，在0℃～80℃之间取某一定值并保持恒温，重复第二步测量过程，对获得的测量数据进行分析、整理，检验不同温度下传感器的干涉峰与扭转率的实验关系是否具有一致性，灵敏度曲线是否具有线性特征。

本实用新型的有益效果：

本实用新型传感部分为光纤螺旋结构，其结构灵巧，制作简便，易于***集成，也便于在待测材料的表面粘贴或者内部嵌入。利用光纤螺旋结构制成的M-Z干涉仪光谱对扭转作用的不同响应，通过测量干涉峰的漂移量大小和漂移方向，实现扭转参数的大小和方向的高精度同时测量。这种新型传感器具有测量精度高、抗电磁干扰、易设计加工、耐腐蚀、适合在恶劣环境下工作等特点。

附图说明

图1是传感器的传感头。(a)传感结构图；(b)氢氧焰灼烧光纤示意图；(c)光纤螺旋实物图。

图2是本实用新型测量装置图。图中，1.传感头；2.传输光纤；3.光源；4.光探测器。

图3是传感器干涉谱图。

图4是传感器干涉峰的双向扭转响应。(a)正向扭转；(b)负向扭转。

图5是传感器干涉峰λ＝1495.6nm的漂移量与扭转率变化关系的拟合曲线。

具体实施方式

采用图2所示的测量装置，将传感器的传感头置于温控箱内，保持温度在20℃不变。光从光源发出，经过传感头后由光谱仪接收。测量中使用的光源是波长范围为1250nm～1650nm的宽带光源，光谱仪的型号为Yokogawa AQ6370C，其最小分辨率为0.02nm。光纤的一端固定在光纤固定架上，另一端由一个光纤旋转盘控制，旋转盘的分辨率为1°，二者之间的距离为26cm。当控制旋转盘旋转时，即可对传感头施加可控的扭转率，进而实现对扭转参量的大小和方向的的高精度同时测量。

测量过程

测量之前，首先设置初始状态，利用光谱仪记录此时传感器的光谱图，同时选择典型的干涉峰并测量其对应的波长值；然后，以传感器的初始值作为参考值，对传感器施加不同的扭转率Δτ并保持温控箱的温度不变，记录选定的干涉峰值对应的波长漂移量Δλ_res；最后，将Δλ_res和Δτ测量值代入式(3)中，计算出传感器的扭转灵敏度。

测量所用的传感头是利用氢氧焰技术灼烧单模光纤制成的光纤螺旋结，传输光纤为石英单模光纤，其传输波长位于1550nm波段；光源为宽带光源，光谱范围为1250nm～1650nm；光探测器为光纤光谱仪，最高分辨率为0.02nm；传感器的工作环境温度为0℃～80℃之间。

具体测量实例

在本实用新型具体测量实例中，传感头参数如下：光纤螺旋半径为0.30mm，螺距为1.23mm，单模光纤为Corning SMF-28e。当传感头未施加扭转作用时，光纤螺旋处于自然状态，干涉谱如图3所示，干涉条纹对比度超过20dB，***损耗约为17dB。在扭转测量时，保持测量温度20℃不变，利用旋转盘控制传感器的扭转率，每次转动旋转盘20°。当传感器受正向、负向两个不同方向的扭转作用时，光纤螺旋被拧紧或者放松，光谱仪接收的干涉峰会产生不同方向的波长漂移。记录并分析不同扭转率下的干涉峰波长漂移量，利用公式(3)可计算出该传感器的扭转灵敏度。

图4是本实用新型的实施例双向扭转测量结果，其中图4(a)对应于正向扭转响应，图4(b)对应于负向扭转响应。

图5是本实用新型的实施例对干涉峰λ＝1495.6nm的漂移量与扭转率的测量结果，该干涉峰的漂移量与扭转率呈线性关系，扭转灵敏度为1.691nm·m/rad，其理论分析与实验测量结果是相符的。由图5可见，使用本实用新型测得的值(数据点)与实际值(直线)在误差范围内是一致的。

此外，实验研究了环境温度对该传感器的影响，传感部分通过夹持器和滑轮保证平直，置于温控箱中，滑轮质量为20g。温控箱温度变化范围设置为0～80℃，测量时每次变化5℃，经过上升和下降往返温度实验，干涉峰λ＝1495.6nm的温度灵敏度为0.051nm/℃，线性拟合度R²＝0.995。在实际应用中，为了消减温度对扭转测量结果的影响，可以利用扭转与温度构成的双参数矩阵，有效解决扭转参数与温度的交叉敏感问题。

进一步，通过光电转换器将光信号转换为电信号，再用计算机进行数据处理，则可进一步提高本实用新型的扭转感测灵敏度。

Claims (6)

1.一种螺旋型光纤扭转传感器，包括传感部分和测量部分，传感部分由光纤螺旋构成，其特征是将光纤的一端用旋转盘旋转360°，使光纤熔融部分形成一个完整的左手螺旋结构，构成一个Mach-Zenhder(M-Z)干涉仪，实现对扭转参量大小和方向的高精度同时测量；传感器测量部分的连接方式：传感头(1)的两个连接点，其一通过传输光纤(2)与光源(3)连接，其二通过传输光纤(2)与光探测器(4)相接。

2.根据权利要求1所述的螺旋型光纤扭转传感器，其特征是所述传感器中的传感头为一个完整的螺旋；光纤螺旋制作使用的光纤可为各种类型的光纤，光纤的类型包括标准单模光纤、双包层光纤、保偏光纤、多模光纤、空心光纤、光子晶体光纤或微结构光纤。

3.根据权利要求1所述的螺旋型光纤扭转传感器，其特征是所述的传输光纤为单模光纤。

4.根据权利要求1所述的螺旋型光纤扭转传感器，其特征是所述的光源是宽带光源或可调谐光纤激光器。

5.根据权利要求1所述的螺旋型光纤扭转传感器，其特征是所述的光探测器是光谱仪或多波长计。

6.根据权利要求1所述的螺旋型光纤扭转传感器，其特征是所述的传感器工作环境温度为0℃～80℃之间。