[发明专利]基于双芯少模光纤倾斜光栅的矢量弯曲传感系统及方法

权利要求书

1.基于双芯少模光纤倾斜光栅的矢量弯曲传感系统，包括宽带光源(1)、环形器(2)、扇入扇出设备(3)、光谱仪(5)；其特征在于，还包括刻写了倾斜光栅的双芯少模光纤(4)；所述扇入扇出设备(3)包括第一输入口和第二输入口；其中：

所述宽带光源(1)将宽带光输入所述环形器(2)中；宽带光经由所述环形器(2)通过所述扇入扇出设备(3)第一输入口或第二输入口输入所述双芯少模光纤(4)中，此时特定波长的光会被倾斜光栅反射；反射光经过所述环形器(2)输出至所述光谱仪(5)中，由所述光谱仪(5)记录下当前双芯少模光纤(4)对应输入口的纤芯的LP11共振峰反射率；

所述双芯少模光纤(4)包括第一纤芯和第二纤芯；宽带光经由所述环形器(2)通过所述扇入扇出设备(3)第一输入口或第二输入口输入所述第一纤芯和第二纤芯中，获取两个纤芯的光谱；

在所述第一纤芯和第二纤芯相同的纵向位置上均刻写了倾斜光栅；其中，刻写在所述第一纤芯和第二纤芯上的两个光栅的周期、长度均一致，且光栅平面分别在立体直角坐标系下关于x-z面、y-z面倾斜相同角度；

所述第一纤芯和第二纤芯为材料构成相近的纤芯，以双芯少模光纤(4)的中心轴成对称分布，每个纤芯均能在工作波段内支持LP01模和LP11模两种模式的传输。

2.一种利用权利要求1所述的基于双芯少模光纤倾斜光栅的矢量弯曲传感系统的矢量弯曲传感方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过宽带光源(1)将宽带光输入环形器(2)中；

S2：宽带光经由环形器(2)通过扇入扇出设备(3)第一输入口输入双芯少模光纤(4)中，此时特定波长的光会被倾斜光栅反射；反射光经过环形器(2)输出至光谱仪(5)中，由光谱仪(5)记录下第一纤芯的LP11共振峰反射率；

S3：切换扇入扇出设备(3)的输入口，将宽带光经由环形器(2)通过扇入扇出设备(3)第二输入口输入双芯少模光纤(4)中，由光谱仪(5)记录下第二纤芯的LP11共振峰反射率；

S4：将双芯少模光纤(4)向某一个方向弯曲后，再次执行步骤S2和步骤S3，分别获取弯曲后的第一纤芯、第二纤芯的LP11共振峰反射率；

S5：计算弯曲前后两个LP11共振峰反射率变化数值，计算得到两个纤芯弯曲前后的反射率变化并代入弯曲方向角、曲率的关系式；

S6：根据关系式建立矩阵方程并进行求解，同时获取弯曲方向角和曲率，完成矢量弯曲传感；

在所述步骤S2中，所述共振峰反射率R_μν表达式具体为：

其中，L是光栅长度，C是与归一化横向模场相关的比例常数，分别是两个模式的归一化横向模场，Δn是光纤中光栅引起的折射率变化函数，Λ是光栅周期，θ是光栅的倾斜角度。

3.根据权利要求2所述的矢量弯曲传感方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S7：在一定曲率范围内，向双芯少模光纤(4)施加不同曲率；

S8：记录不同曲率下两个纤芯LP11共振峰反射率的变化，根据数据画出曲率与反射率的拟合关系曲线，并获取曲率与共振峰反射率之间的关系式；

S9：通过旋转双芯少模光纤(4)改变弯曲方向，重复上述步骤，可得到多条曲率与反射率之间的关系式，不同的弯曲角度对应不同斜率，即弯曲灵敏度，因此可画出弯曲方向角与弯曲灵敏度的拟合关系曲线，获取两个纤芯弯曲方向角与弯曲灵敏度之间的关系式；将灵敏度的定义式代入弯曲方向角与弯曲灵敏度之间的关系式，得出两个纤芯反射率变化和弯曲方向角、曲率之间的矩阵方程；

S10：通过光谱仪(5)测得任意弯曲状态下两个纤芯倾斜光栅的共振峰反射率，并求出反射率相对于未弯曲时的变化量，代入矩阵方程中并进行求解，得出当前弯曲方向角与曲率。

4.根据权利要求3所述的矢量弯曲传感方法，其特征在于，在所述步骤S7中，施加的曲率表达式具体为：

其中，l是未弯曲的光纤长度，Δl是移动的距离，c是施加的曲率。