[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

说明书

本发明提供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、环形器、扇入扇出设备、双芯少模光纤和光谱仪；还提供矢量弯曲传感方法，由宽带光源将宽带光经环形器和扇入扇出设备输入双芯少模光纤中进行反射；反射光经环形器输出至光谱仪中，记录下弯曲前的共振峰反射率；将双芯少模光纤向某一个方向弯曲，由光谱仪记录下弯曲后的共振峰反射率；计算得到两个纤芯弯曲前后的反射率变化并代入矩阵方程中，同时获取弯曲方向角和曲率。在传感过程中，由于温度变化会引起共振峰的波长偏移，但对反射率的影响微乎其微，因此该方案在实现弯曲方向角和曲率传感的过程中，能避免温度对矢量弯曲传感的干扰，有效提高传感结果精度。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种基于双芯少模光纤倾斜光栅的矢量弯曲传感系统及方法。

背景技术

光纤光栅弯曲传感器因其具有尺寸小、抗电磁干扰、灵敏度高等优点，已经在智能结构健康监测、机器人姿态检测与控制、机械工程等领域中具有重要应用。

光纤光栅弯曲传感器存在的主要问题是在单个纤芯中写入光纤光栅构成的弯曲传感器，如：离轴布拉格光栅、偏心光纤光栅等，只能获取弯曲曲率而无法识别弯曲方向。虽然通过两个或以上单芯光纤光栅传感器能够实现曲率与弯曲方向的识别，但这对传感器的封装提出了巨大的挑战，并且当两个传感光栅的集成度不够高时，容易引起额外的测量误差。

目前主流的光纤弯曲传感是基于布拉格光纤光栅开展的，如公开号为CN1323320C的中国发明专利于2007年6月27日公开的光纤布拉格光栅，其实现原理为弯曲会导致布拉格光栅产生挤压或拉伸，引起反射波长偏移，通过偏移量得出弯曲信息。但在实际使用过程中，温度的变化也会导致布拉格光栅的反射波长偏移，所以容易对此类光纤弯曲传感器造成干扰。

发明内容

本发明的目的是解决现有的光纤弯曲传感由于温度的变化导致布拉格光栅的反射波长偏移，存在传感结果容易被干扰的技术缺陷，提供一种基于双芯少模光纤倾斜光栅的矢量弯曲传感系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

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、环形器、扇入扇出设备、光谱仪；还包括刻写了倾斜光栅的双芯少模光纤；所述扇入扇出设备包括第一输入口和第二输入口；其中：

所述宽带光源将宽带光输入所述环形器中；宽带光经由所述环形器通过所述扇入扇出设备第一输入口或第二输入口输入所述双芯少模光纤中，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输出至所述光谱仪中，由所述光谱仪记录下当前双芯少模光纤对应输入口的纤芯的LP11共振峰反射率。

上述方案中，在双芯少模光纤不弯曲的情况下，利用光谱仪观察该纤芯中倾斜光栅的反射光谱，记录下LP11共振峰反射率；再将环形器的输出端接入扇入扇出设备的第二输入口，记录下另一个纤芯的LP11共振峰反射率；然后，把刻写了倾斜光栅的双芯少模光纤向某一个方向弯曲，用上述实现过程，观察两个纤芯中倾斜光栅反射光谱，分别记录LP11共振峰反射率；最后分别计算出两个纤芯共振峰反射率的变化量，根据测量原理获得弯曲方向角和曲率。

其中，所述双芯少模光纤包括第一纤芯和第二纤芯；宽带光经由所述环形器通过所述扇入扇出设备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。

其中，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。

上述方案中，LP01模和LP11模两种模式均可产生共振峰，但只通过LP11共振峰进行传感。

其中，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。