[实用新型]双驼峰锥型光纤弯曲传感器

说明书

本实用新型涉及一种双驼峰锥型光纤弯曲传感器，特别是能够对曲率大小和弯曲方向同时高精度测量的光纤传感器。该传感器主要由两个凸出方向一致的光纤驼峰锥组成，该结构形成了一个马赫‑曾德尔(M‑Z)干涉仪。当该传感器沿驼峰锥凸起方向受到弯曲作用时，轴向非对称结构的变化使得驼峰锥凸起方向和背向的折射率发生改变，导致光纤M‑Z干涉仪中的纤芯模与包层模传输速度不同，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，即可实现曲率大小和弯曲方向的高精度同时测量。这种双驼峰型光纤弯曲传感器具有结构灵巧、制作简便、性能优良、性价比高等优点。

技术领域

本实用新型涉及一种光纤传感器，能够对曲率大小和弯曲方向同时进行高精度感测，属于光纤传感技术领域。

背景介绍

弯曲传感器已广泛应用于交通设施、航空航海、机械制造和工业控制等诸多领域。随着测量技术的不断发展，无方向的标量弯曲测量装置已不能满足工程实测需求，因此各种能够辨识弯曲方向的弯曲矢量传感器越来越受到重视。其中，光纤传感器因其形状灵活小巧、抗电磁干扰、抗氧化腐蚀和受环境限制较少等特点，被广泛应用于各类参量的监测。特别是相位调制型的光纤传感器，如光纤马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪非常适合光纤弯曲传感器的设计、研制及应用。

驼峰锥结构是一种非对称凸锥，由一段去掉涂覆层的光纤在一定预弯曲情况下放电制作而成，放电位置偏离纤芯中心，制作的凸锥在空间上是一个非对称结构。研究表明：采用双驼峰锥结构可以制成结构紧凑、感测灵敏的弯曲传感器，进而实现曲率大小和弯曲方向的同时测量。

本实用新型是一种新型的可对曲率大小和弯曲方向同时进行高精度感测的光纤弯曲传感器。检索结果表明，目前尚没有采用双驼峰锥结构制作对曲率大小和弯曲方向同时感测的光纤弯曲传感器的专利报道。

发明内容

本实用新型的目的旨在设计出一种可对曲率大小和弯曲方向同时进行高精度感测的光纤弯曲传感器，所提供的双驼峰锥型光纤弯曲传感器，包括传感部分和测量部分。传感部分由两个凸出方向一致的非对称锥(驼峰锥)构成，如图1(a)所示；其特征是利用电弧放电技术对光纤进行预弯曲放电处理，形成凸出方向一致的驼峰锥，其实物如图1(b)所示。

利用图1所示的传感器，可以对曲率大小和弯曲方向同时进行测量。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，利用电弧放电技术对光纤进行预弯曲放电处理，形成凸出方向一致的驼峰锥，形成的光纤螺旋结构为马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪。当该传感器沿驼峰锥凸起方向弯曲时，轴向非对称结构的变化使得驼峰锥凸起方向和背向的折射率发生改变，导致光纤M-Z干涉仪中纤芯模与包层模传输速度不同，产生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，即可实现对曲率大小和弯曲方向的高精度同时测量。

本实用新型所述的传感头是具有两个凸出方向一致的驼峰锥结构；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：

由双驼峰锥结构形成的M-Z干涉仪是一种灵巧、集成的全光纤干涉仪，它将参考光与信号光集中于同一段光纤中，通常为基于不同模式之间的干涉。将全光纤M-Z干涉仪内的模式间干涉简化为双光束干涉，则参与干涉的两束光分别为：纤芯基模被束缚在纤芯之中，对外界感知困难，可作为参考光；驼峰锥(耦合单元)处激发的高阶包层模在包层中传输，对外界感知灵敏，可作为信号光。于是，两束光之间的相位差一般可以表示为：