[发明专利]基于宏弯损耗效应的光纤位移传感器

说明书

技术领域

本发明涉及位移传感技术，具体为一种基于宏弯损耗效应的光纤位移传感器。

背景技术

位移移测量在很多领域内是必不可少的，例如，纳米技术系统，精密仪器，微加工，结构损伤，桥梁变形等。目前，人们常用的位移传感器有电位式，磁敏式，电感式，电阻式，光电式，超声波式等。光电式位移传感器有激光式，光栅式以及光纤式。相较于其他位移测量法，光纤位移测量技术具有容易布置，价格低廉，灵活性高，全程非电测量，无电磁干扰等优点，在结构健康监测，桥梁变形领域内具有广泛的应用前景。目前，关于光纤位移传感器的研究越演越烈。有的学者将集中精力研制高分辨率的位移传感器，其分辨率达到纳米级别，甚至毫微米级，但其测量范围相对较低，为微米级甚至纳米级，例如，法布里-珀罗式，光纤光栅式，干涉式等。而有的学者将精力集中在大量程的位移传感技术上，其测量范围能够达到毫米级，但其分辨率在几十个微米，甚至毫米级，例如，Zhao Yong等利用光纤光栅设计的位移传感器测量范围为50mm，其分辨率为0.06mm。另外，有的位移传感器同时具备精度高，分辨率大的特点。例如，Zhou Xinlei等利用法布里-珀罗干涉仪制成的位移传感器测量范围3mm，分辨率达到0.084nm，具有很高的参数支持。但是结构复杂，检测设备价格昂贵，限制了其在生活，生产过程中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于宏弯损耗效应的位移检测传感器。通过宏弯引起光纤内模场畸变，引起宏弯损耗。由两根塑料裸光纤形成双绞宏弯辐射耦合结构，利用宏弯损耗效应实现两根光纤之间的耦合，称为宏弯辐射耦合。通过宏弯半径改变宏弯损耗的光能量，引起接收光纤内光功率变化，从而实现对物体位移的检测。在较大尺度范围内(140mm)具有微尺度(最大达到8um)的分辨率。在提高分辨率的同时也兼顾了传感器的测量范围。另外，其易于布置，结构简单，成本低，在结构检测，桥梁变形等领域具有很好的发展前景。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于宏弯损耗效应的光纤位移传感器，包括两根光纤，其中一根为传光光纤，另一根为接收光纤，所述传光光纤始端连接LED光源、终端连接光功率计P1，所述接收光纤始端用黑色盖帽密封固定、终端连接光功率计P2。

所述传光光纤和接收光纤通过双绞后形成宏弯辐射耦合结构；所述双绞宏弯辐射耦合结构的始端固定，为固定端；终端移动，为移动端。

初始状态下，所述宏弯辐射耦合结构的圆周部分的弯曲半径等于阈值，所述阈值为当入射光在传光光纤的纤芯-包层界面上的入射角θ等于全内反射角θ_c时所对应的弯曲半径，即设纤芯的折射率为n_co，包层的折射率为n_cl，那么θ_c＝sin^-1(n_cl/n_co)；也就是说，纤芯和包层的折射率确定后，临界角就是已知值，那么，宏弯辐射耦合结构的圆周部分的弯曲半径就可以通过相关计算确定，在此不再赘述。

如图1所示，该光纤位移传感器由LED光源、宏弯辐射耦合结构以及光功率计组成。传光光纤始端连接LED光源，终端连接光功率计P1；接收光纤终端连接光功率计P2，始端用黑色盖帽密封固定，以防可见光，污染等的干扰；P1和P2分别用以检测传光光纤和接收光纤的输出功率。光纤位移传感器是由传光光纤和接收光纤通过双绞后形成双绞宏弯辐射耦合结构，利用两条光纤的宏弯辐射耦合效应来检测位移的。

当传感器位于初始状态时，入射角等于临界角，设n_co为纤芯折射率，n_cl为包层折射率，θ为入射光线与光纤轴线的夹角(即入射角)，θ_c＝sin^-1(n_cl/n_co)为临界角。

当光纤的弯曲半径小于一定的阈值，此时，入射光在纤芯-包层界面上的入射角小于其全内反射角(临界角)时，低阶模会向高阶模的转变，从而引起能量的损耗，即宏弯损耗。如图3所示，其中，光纤1为接收光纤，2为传光光纤，入射光10由LED光源发出，进入传光光纤内，直接输出光进入光功率计P1；发生宏弯损耗后，耦合输出光进入光功率计P2。损耗系数为菲涅尔传输系数(the Fresnel transmission coefficient)T，表示为：

其中，由于损耗的量不可能比传光光纤中光能量多，所以T<1。