[发明专利]一种基于光纤模式色散的弯曲测量装置

说明书

本发明提供一种基于光纤模式色散的弯曲测量装置，属于光纤弯曲/曲率传感或测量领域，该装置包括：宽谱白光光源、光纤耦合器、光电探测模块、软件驱动模块、单模‑多模‑单模光纤结构、光纤探头、延迟扫描反射镜。主要通过光纤白光干涉仪空间域扫描，测量单模‑多模‑单模光纤结构末端面反射信号的相位延迟，凭借光纤白光干涉技术高分辨率和大动态范围的特点，实现光纤模式色散的精准测量，并实时解调弯曲过程中的各个模式弯曲损耗变化，实现弯曲/曲率测量或传感。

技术领域

本发明涉及一种基于光纤模式色散的弯曲测量装置，属于光纤弯曲/曲率传感或测量领域。

背景技术

光纤弯曲传感器相比于电学传感器而言，体积更小并且抗电磁干扰，通常具有较高的灵敏度和多样的功能性，比较广泛地应用在能源输送、医学仪器、航空航天、核电设备、工业生产等领域，在平面度检测和表面曲率检测方面也有重要应用。

目前光纤弯曲传感器一直是较为热门的研究方向，现有的光纤弯曲传感器主要包括：强度型、干涉型和光栅型三大类[Di,H.,Y.Xin and J.Jian,Review of optical fibersensors for deformation measurement.Optik,2018.168:703-713.]。

强度型主要依赖于光纤弯曲损耗的检测分析[游善红,郝素君,殷宗敏,李新碗,单模光纤中弯曲损耗的测试与分析.光子学报,2003(04):409-412]，光纤弯曲时纤芯中的能量会泄露到包层，甚至直接辐射出光纤。这种传感装置结构简单，但是弯曲测量精度有限，最大问题在于弯曲损耗随弯曲半径的变化呈现震荡衰减的趋势[L.,F.and M.G.,Bendloss in single-mode fibers.Journal of Lightwave Technology,1997.15(4):671-679.]。

干涉型普遍采用模式干涉(也称模间干涉)的原理，主要通过表面腐蚀、错位熔接、多段级联、光纤拉锥、球形熔接、多芯光纤等结构，实现多种模式激发并干涉，结合光谱检测实现光纤弯曲传感。此类方法中有些光纤微结构难以制备，脆弱易坏，有些装置的曲率测量范围有限。

光栅型包括光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅，对于光纤布拉格光栅而言，需要借助其他方法加工处理才能实现弯曲传感，比如错位熔接、栅区拉锥、倾斜光栅、侧面腐蚀等手段，长周期光栅在应用中一直存在温度、应变、折射率、弯曲等物理量交叉敏感的问题[饶云江,王义平,朱涛,光纤光栅原理及应用.科学出版社,2006:p.13.]，为了解决这个问题常常需要更加复杂的设计。

发明内容

本发明的目的在于针对现有光纤弯曲传感器的局限性，提出一种利用光纤白光干涉空间域扫描技术检测模式色散的新型弯曲传感或测量装置，将光纤中弯曲损耗根据不同模式进行拆分，解决传统分析过程中弯曲损耗随弯曲半径的变化呈现震荡衰减的问题，同时该装置传感测量区是由常见的单模光纤、多模光纤和单模光纤熔接形成的简单结构，成本低、容易制备且便于封装。

本发明的目的是这样实现的：包括宽谱白光光源(1)、光纤耦合器(2)、光电探测模块(3)、软件驱动模块(4)、单模-多模-单模光纤结构(5)、光纤探头(6)、延迟扫描反射镜(7)；光纤耦合器通过单模光纤分别与宽谱白光光源、光电探测模块、单模-多模-单模光纤结构、光纤探头连接，软件驱动模块通过电路与延迟扫描反射镜、光电探测模块连接。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.宽谱白光光源(1)中光信号通过光纤耦合器(2)分束，一束光进入测量臂，经单模光纤与多模光纤熔接点处激发出多种模式，并经过单模光纤末端端面反射，原路返回至光纤耦合器(2)，另一束光进入光纤探头(6)，形成准直空间光束，并经过延迟扫描反射镜(7)原路返回至光纤耦合器(2)，两束光信号合并在一起被光电探测模块(3)检测；软件驱动模块(4)通过电路控制延迟扫描反射镜(7)的空间域扫描，并与光电探测模块(3)的白光干涉信号实时对应并解调。