[发明专利]一种测量位移和角度的光纤SPR传感器及标定装置与方法

说明书

本发明涉及一种光纤传感领域，光纤SPR传感器包括注光光纤，与注光光纤呈一定角度并径向偏离一定位移放置的角度调制光纤，与角度调制光纤同轴对接的传感光纤以及与传感光纤同轴对接的收光光纤；注光光纤与角度调制光纤之间可调的径向偏离位移与轴倾角用于感知外界微位移变化和角度变化；角度调制光纤中的光束随着注光光纤与角度调制光纤之间径向偏离位移以及轴倾角的变化以不同的路径进行传输，进而以不同角度入射到传感光纤；传感光纤随着光入射角度的变化具有不同的全内反射角，即在传感区具有不同的SPR入射角，从而在其出射光谱中呈现不同位置的SPR共振谷，通过SPR共振波长的偏移量便可实现外部位移变化和角度变化的测量。

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种测量位移和角度和光纤SPR 传感器及标定装置与方法。

背景技术

位移，作为检测领域中重要的物理量之一，是各种物理量的基础，通过测量位移可以间接测出体积、压强、压力、速度、加速度等物理量，甚至可以检测膨胀、偏轴、化学反应等一些物理化学变化过程，因此，位移是研究传感装置时主要考虑的因素之一。目前，位移传感器已经实现对器件相对位置的位移监测以及微小振动位移的测控，在机器运转产生的振动、石油化工中液位监测等产业结构领域中得到实际应用。角度，作为常规测量中另外一个重要物理参量，可以用来表征物体转动时的位置变化量，并且角度传感器在设计制造领域和军事领域中有着广泛应用。

传统的位移测量方法主要有机械测量、电磁测量、无线电测量和光学测量，传统的角度测量方法主要有机械测量、电磁测量和光学测量，而能够实现同时实现位移和角度的测量是基于电容式传感器的电磁测量和基于激光外差干涉的光学测量。其中，基于电容式传感器的测量方法是利用极板之间的距离和角度与电容量之间的变化关系，是通过电磁参量来检测角度和位移，其抗电磁干扰能力弱；基于激光外差干涉的测量方法是利用法拉第旋光效应，实现线偏振光束原路返回形成干涉，通过干涉原理中对应的相干花纹变动的光程差异来解算角度和位移，该测量技术发展较为成熟，且抗电磁干扰能力强、灵敏度以及精度高，但是需要精细光路调节和昂贵的激光光源。

光纤传感器具有体积小、抗电磁干扰能力强、灵敏度高、成本低、易于连接等优点，采用光纤传输的方案来实现位移和角度的测量，能够避免光学测量技术所需的复杂光路调节。现有能够实现同时测量位移和角度的光纤传感器是反射式强度调制型光纤传感器，该传感器是通过检测强度或者功率变化来测量位移或角度，其测量结果容易受到环境光干扰、光源功率波动、被测面反射率变化等因素的影响。

近几十年来，光纤表面等离子体共振(SPR)传感器因其具有灵敏度高的特性，已经成功应用于化学和生物分析物折射率检测，但是少有利用光纤SPR传感器实现位移或角度的测量，尤其能够利用光纤SPR传感器实现位移和角度的双参数测量。鉴于此，本发明提出一种基于表面等离子体共振(SPR)技术的光纤传感器，该传感器是波长调制型光纤传感器，可以利用光谱波长变化检测出位移和角变化，能够避免强度调制型光纤传感器对环境光强或者被测面反射率等因素的影响。本发明提出的光纤SPR 传感器能够实现位移和角度的测量，可用于检测建筑结构微小位移量和倾斜量，未来在监测交通沿线边坡滑坡、路基沉降、大型建筑结构倾斜变形等领域可有良好的应用前景。

发明内容

本发明意在提供供一种能够测量位移和角度的波长调制型光纤SPR 传感器，以解决强度调制型光纤传感器的精度和稳定性容易受环境光干扰、光源功率扰动等因素影响的问题。