[发明专利]光纤传感器

说明书

本发明涉及一种用于形状感测的光纤传感器，所述光纤传感器包括光纤，所述光纤包括具有包层折射率的包层(30″)、以及嵌入在包层(30″)中并沿所述光纤的纵轴线延伸的多个光纤芯(14″‑20″，34″‑38″)，所述多个光纤芯具有第一子集的至少一个第一光纤芯(14″‑20″)和第二子集的至少一个第二光纤芯(34″‑38″)。所述至少一个第一光纤芯(14″‑20″)具有不同于包层折射率的第一芯折射率和在横向于所述纵轴线的方向上的第一芯半径，所述至少一个第二光纤芯(34″‑38″)具有不同于包层折射率的第二芯折射率和横向于所述纵轴线的第二芯半径。所述至少一个第二光纤芯(34″‑38″)的第二芯折射率和第二芯半径不同于第一芯折射率和第一芯半径，这使得所述至少一个第二光纤芯(34″‑38″)的温度敏感度不同于第一光纤芯(14″‑20″)的温度敏感度。

技术领域

本发明总体上涉及光纤传感器领域。特别地，本发明涉及一种光纤传感器，其允许将共模信号分离为温度引起的贡献和应变引起的贡献。

背景技术

光纤传感器可用于光学形状感测(OSS)中，光学形状感测是根据光纤内的光的反射可重建特定光纤的三维形状的技术。例如，这项技术能够实时3D可视化装置、例如医疗装置、例如导管和导丝的完整形状。光学形状感测允许医生在手术期间在无需进行X射线跟踪的情况下操纵医疗装置。

在光学形状感测中，光纤传感器、也称为光学形状感测光纤利用耦合到光纤的光纤芯中的光被探询。对绞合的多芯光纤传感器的每个光纤芯同时执行的分布式应变测量用于计算对应于沿光纤长度的每个位置处的光纤特定变形的信号。例如，利用扫频光源干涉法来执行分布式应变测量，在扫频光源干涉法中，激光、例如单模激光的波长在明确限定的波长范围内单调变化。每个光纤芯都与自己的干涉仪通信。通常，光纤布拉格光栅(FBG)被写入光纤芯中，以提供明确限定的反射信号。常规地，光纤传感器的光纤包括四个光纤芯，即一个中央光纤芯和螺旋地缠绕中央芯的三个对称放置的外部芯。可从四个光纤芯信号计算出的变形信号表示光纤在两个独立方向上的曲率(光纤的弯曲度)、光纤的扭曲度(扭转度)以及表示共模效应的信号、即所有芯共有的信号。通常使用4x4矩阵从光纤芯信号计算变形信号，即变形信号是四个光纤芯信号的适当线性组合。然后，通过将对应的变形信号乘以预先在校准程序中确定的适当比例因子而从对应的变形信号计算出两个独立的曲率分量(例如，以1/m为单位)和扭转角(例如，以弧度为单位)。可根据沿光纤传感器的每个位置均可获得的两个曲率分量和扭转角，重建光纤传感器的形状。

共模信号可以是光纤伸长(轴应变)的结果，共模信号也可以是温度变化的结果，或者共模信号也可以是这些效果组合的结果。根据经验已经发现，当将轴向应变或温度变化施加到光纤传感器时，不仅共模信号发生变化，而且扭转信号也受到影响。由于正确的扭转角值对于形状重建的精度至关重要，因此必须补偿轴向应变和/或温度变化对扭转信号的影响。可通过减去共模信号的一小部分(或等效地，通过稍微修改4x4矩阵)来抵消纯轴向应变或纯温度变化的影响，从而补偿扭转信号中的这些影响。然而，通常，所需的补偿因子对于轴向应变和温度变化是不同的。因为恰当的补偿需要了解轴向应变和温度效应对观测到的总共模信号的相对贡献，所以没有可用于补偿扭转信号的简单方案。如果这些相对贡献是已知的，则可在将每个贡献与其适当的补偿因子相结合之后，通过将这些单独贡献的补偿相加来计算出扭转信号的净补偿。

在基于光纤的形状感测中，将共模信号分离为应变引起的贡献和温度引起的贡献是公知的问题。“标准”四芯形状感测光纤的四个光纤芯信号不能提供足够的信息。这将需要第五个信号。在形状感测中，可通过将一个或两个以上光纤芯添加到多芯光纤来实现。附加的光纤芯具有不同的对于应变的敏感度和对于温度的敏感度的比率，以允许将共模信号分离为温度引起的贡献和应变引起的贡献。