側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器的製作方法
2023-05-14 05:37:11 2
專利名稱：側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於結構彎曲變形檢測的光纖傳感器，尤其涉及一種使用壽命長，且可使用石英光纖製作的側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器。
背景技術：
在某些情況下，測量結構的彎曲變形或根據彎曲變形推算拉壓變形，比測量結構的拉伸和壓縮變形更為有利。例如，對於埋入式傳感器，由於結構的中性層處不存在拉壓變形，傳統的對拉壓敏感的傳感器將不再適用，而彎曲變形仍然存在。另外，傳統的粘貼在結構表面的傳感器，如電阻應變片，也不能承受較大的彎曲變形。因此，在這種背景下，直接測量結構彎曲變形的傳感器應運而生。
傳統的方法是基於Bragg光纖光柵，可檢測彎曲半徑在200米以下的彎曲變形 (參見美國專利 US 20010983048 及 Rathje J.在 1998 年發表在 Conference on Optical Fiber Communication的論文)，然而，由於光柵的製作工藝非常複雜,對溫度和拉壓應變也敏感，還需要昂貴的光譜分析儀，因此這種傳感器的應用受到限制。現有的一種光纖曲率傳感器是採用表面刻蝕或熱壓紋成型的方法，見美國專利US 5, 321, 257,US 2002/0024656A1 和日本專利JP 2007-248213A，其原理是在光纖的芯包界面加工出鋸齒狀溝槽，當光在傳輸過程中遇到鋸齒狀溝槽時，由於不同的光纖彎曲半徑改變了光纖入射角度，由菲涅耳定律可知將產生不同的折射光能量損耗比例，因此輸出光強隨光纖彎曲半徑而改變。這種光纖曲率傳感器為了達到一定的靈敏度，光纖彎曲增敏區必須有較深的、間距為0. 03毫米 0.5毫米的鋸齒狀溝槽，然而以這種測量原理對光纖彎曲增敏區進行處理，將導致光纖非常容易折斷，即使用樹脂塗覆也不能避免微裂紋的發展而產生折斷，不能長期使用，尤其是不能在大彎曲變形的條件下使用，對於石英光纖更是不能用這種方法處理。若採用模具熱壓成型的方法對聚合物光纖進行表面處理獲得所需鋸齒狀溝槽，其熱壓模具的溫度必須達到 170 210°C，超出聚合物光纖的熱變形溫度，這將導致聚合物光纖變性變脆，透光率也會明顯降低。
綜上所述，現有光纖曲率傳感器存在易折斷、使用壽命短，且不能適用石英光纖製作的技術問題。發明內容
本發明的目的在於提供一種側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器，以解決現有光纖曲率傳感器存在易折斷、使用壽命短，且不能使用石英光纖製作的技術問題。
本發明的另一目的在於提供一種用於結構彎曲變形檢測的光纖傳感測量系統，以解決現有光纖曲率傳感器存在易折斷、使用壽命短，且不能使用石英光纖製作的技術問題。
本發明的又一目的在於提供一種光纖彎曲增敏處理方法，以解決現有光纖曲率傳感器存在易折斷、使用壽命短，且不能使用石英光纖製作的技術問題。
為達到上述目的，本發明提供一種側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器，包括光纖、光纖彎曲增敏區、光發射器、光接收器、第一連接器、第二連接器以及第一信號放大調理電路，光纖一端通過第一連接器與光發射器連接，另一端通過第二連接器與光接收器連接； 光纖彎曲增敏區設置在光纖部分纖芯側表面，其由散射劑塗敷於纖芯表面，且散射劑由散射體與染色劑和粘接劑的混合物混合而成；第一信號放大調理電路分別與光發射器和光接收器連接，用以對光發射器進行調製驅動及對光接收器的輸出電壓信號進行放大處理及濾波。
依照本發明較佳實施例所述的側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器，其光纖為聚合物多模光纖或石英多模光纖，且聚合物多模光纖直徑可從0. I毫米到3毫米，石英多模光纖直徑在0. I毫米到0. 5毫米。
依照本發明較佳實施例所述的側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器，其光纖彎曲增敏區所塗敷的纖芯側表面是經拋光處理獲得的光滑纖芯表面，且纖芯表面的表面粗糙度低於 RaO. 2。
依照本發明較佳實施例所述的側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器,其散射體為粒徑10微米到100微米的空心玻璃微珠，且空心玻璃微珠的折射率大於或等於光纖纖芯折射率。
依照本發明較佳實施例所述的側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器，其染色劑是炭黑或其他油溶性黑色染料。
依照本發明較佳實施例所述的側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器，其粘接劑採用雙酚A型環氧樹脂和三乙烯四胺固化劑、紫外固化樹脂、單組分聚氨酯膠、壓克力專用膠或熱塑性橡膠膠水。
依照本發明較佳實施例所述的側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器，其光纖彎曲增敏區的長度為10毫米至20毫米，且光纖彎曲增敏區的深度為光纖包層直徑的1/3至1/4。
依照本發明較佳實施例所述的側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器，其光發射器為雷射LED或LED ;光接收器為光敏三極體；第一連接器和第二連接器採用螺紋錐套鎖緊結構，其在鎖緊螺母的同時，錐套的錐面壓緊光纖實現鎖緊。
依照本發明較佳實施例的側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器，其第一信號放大調理電路進一步包括第一光源驅動電路、放大電路及第一濾波電路；第一光源驅動電路與光發射器連接，用以對光發射器進行調製驅動；放大電路與光接收器連接，用以對光接收器的輸出信號進行放大；第一濾波電路與放大電路連接，用以對放大電路的輸出信號進行濾波處理。
本發明還提供一種用於結構彎曲變形檢測的光纖傳感測量系統，包括一傳輸光纖、若干傳感光纖、一參考光纖、一光發射器、若干光接收器、一第一連接器、若干第二連接器，擾模器，光纖耦合器，第二信號放大調理電路，以及數據採集卡和計算機，光發射器通過第一連接器與傳輸光纖連接，擾模器和光耦合器依次與傳輸光纖連接，且傳輸光纖經擾模器後分為若干路傳感光纖和一路參考光纖，傳感光纖上部分纖芯側表面設置有光纖彎曲增敏區，光纖彎曲增敏區由散射劑塗敷於纖芯表面，且散射劑由散射體與染色劑和粘接劑的混合物混合而成；參考光纖用以實現對外界溫度或光纖引線彎曲引起的平衡或不平衡共模幹擾信號的抑制作用；第二連接器和光接收器的數量與傳感光纖和參考光纖的數量和相對應，且光接收器分別通過第二連接器與對應的傳感光纖及參考光纖連接，第二放大調理電路與光接收器連接，數據採集卡分別與第二放大調理電路及計算機連接。
依照本發明較佳實施例所述的用於結構彎曲變形檢測的光纖傳感測量系統，其光發射器是雷射LED或LED，光接收器是光敏三極體，第一連接器和第二連接器採用螺紋錐套鎖緊結構，其在鎖緊螺母的同時，錐套的錐面壓緊光纖實現鎖緊。
依照本發明較佳實施例所述的用於結構彎曲變形檢測的光纖傳感測量系統，其擾模器的結構是將光纖在直徑20毫米的圓筒上纏繞數圈；光纖耦合器採用通用型多模光纖率禹合器。
依照本發明較佳實施例所述的用於結構彎曲變形檢測的光纖傳感測量系統，其第二信號放大調理電路用以對傳感光纖和參考光纖的信號進行處理，其進一步包括第二光源驅動電路、若干除法器電路、差動信號放大電路和第二濾波電路，第二光源驅動電路與光發射器連接，除法器的數量與傳感光纖的數量相對應，其分別與光接收器和差動信號放大電路連接，第二濾波電路分別與差動信號放大電路和數據採集卡連接。
本發明又提供一種光纖彎曲增敏處理方法，包括以下步驟
(I)在聚合物多模光纖或石英多模光纖上取一段10毫米至20毫米長的區域，去掉光纖護套後露出光纖包層表面，經研磨處理獲得露出的纖芯表面，再拋光加工後得到表面粗糙度低於RaO. 2的光滑的纖芯表面；
(2)將散射體、染色劑和粘接劑按體積比2 I 3混合製成散射劑，其中，
散射體為粒徑10微米到100微米的空心玻璃微珠，且空心玻璃微珠的折射率大於或等於光纖纖芯折射率；染色劑是炭黑或其他油溶性黑色染料；粘接劑是雙酚A型環氧樹脂和三乙烯四胺固化劑、紫外固化樹脂、單組分聚氨酯膠、壓克力專用膠或熱塑性橡膠膠水。
(3)將步驟(2)製得的散射劑塗敷於步驟(I)得到的纖芯表面，固化後形成光纖彎曲增敏區。
本發明的測量原理是基於光纖倏逝場散射損耗隨彎曲變形改變產生對輸出光強調製作用的機理，在部分芯包界面摻雜散射體，製成側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器，實驗表明，其散射損耗同光纖的彎曲半徑有關，光纖彎曲半徑的微小變化，可使輸出光強損耗發生明顯變化，相對沒有彎曲增敏區的光纖的宏彎損耗，彎曲靈敏度可提高3個數量級，與原有的光纖曲率傳感器一樣具有很高的彎曲靈敏度，並且彎曲靈敏度具有方向性。本發明的側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器同原有的光纖曲率傳感器相比，傳感器的測量原理不同，且製作方法不同，其採用在光滑的纖芯表面塗敷散射體的方法，而不是採用機械刻痕、 化學腐蝕或模具熱壓成形的糙化處理光纖纖芯表面的方法，光纖表面無機械加工的鋸齒狀溝槽或刻痕，所以不會產生微裂紋和降低機械強度，光纖不易折斷，使用壽命更長。另外， 由於不需使用熱壓成形的方法，可用石英光纖作為光纖傳感器材料，便於在工業生產中應用。本發明可用於結構彎曲變形的檢測，也可適用於高柔性結構在較大彎曲變形下檢測的場合。此傳感器能區分正向彎曲和負向彎曲，僅對彎曲變形敏感，不需要待測結構產生拉壓應變，可埋入結構的中性層位置進行檢測，適用於精密機械、機器人、結構狀態監測等工程測量技術領域。
綜上所述，與現有技術相比，本發明具有光纖在光纖彎曲增敏區處不易折斷，傳感器使用壽命長、靈敏度高、成本低、易於製作且可用石英光纖作為傳感器材料，適合實際工業生產應用的優點。
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圖I為本發明側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器的應用示意圖；2為本發明實施例的彎曲增敏區的結構示意圖；3為圖2的A-A剖面圖；4為本發明側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器的傳感原理圖；5為本發明側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器的輸出方向性示意圖；6為本發明用於結構彎曲變形檢測的光纖傳感測量系統的結構示意圖；7為多個(本例用3個)側摻雜光纖曲率傳感器埋入複合材料板內部的測量原8為本發明實施例的光纖出口保護結構示意圖；9為一種便於光纖敏感區方向定位的方案圖；10為本發明光纖彎曲增敏處理方法的流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖，具體說明本發明。
請同時參閱圖I至圖4，一種側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器，通過粘接劑粘接在待測結構3表面，其包括光纖I、光纖彎曲增敏區2、光發射器4、光接收器5、第一連接器6、第二連接器7以及第一信號放大調理電路8，光纖I 一端通過第一連接器6與光發射器4 連接，另一端通過第二連接器7與光接收器5連接；光纖彎曲增敏區2設置在光纖I部分纖芯12側表面，其由散射劑塗敷於纖芯12側表面，且散射劑由散射體13與染色劑和粘接劑的混合物14混合而成；第一信號放大調理電路8分別與光發射器4和光接收器5連接，用以對光發射器4進行調製驅動及對光接收器5的輸出電壓信號進行放大處理及濾波。
光纖I為聚合物多模光纖或石英多模光纖，且若採用聚合物多模光纖，則光纖直徑可為0. I毫米到3毫米，而採用石英多模光纖，則直徑在0. I毫米到0. 5毫米。
光纖彎曲增敏區2的長度為10毫米至20毫米，其深度為光纖I包層直徑的1/3 至1/4。並且，光纖彎曲增敏區2所塗敷的纖芯12側表面是經拋光處理獲得的光滑纖芯側表面，纖芯側表面的表面粗糙度低於RaO. 2。
散射體13為粒徑10微米到100微米的空心玻璃微珠，並且，為了保證傳感器有較高的靈敏度，空心玻璃微珠的折射率大於或等於光纖纖芯12的折射率。染色劑是炭黑或其他油溶性黑色染料。粘接劑採用雙酚A型環氧樹脂和三乙烯四胺固化劑、紫外固化樹脂、單組分聚氨酯膠、壓克力專用膠或熱塑性橡膠膠水。
光發射器為雷射LED或LED ;光接收器5為光敏三極體；第一連接器6和第二連接器7採用螺紋錐套鎖緊結構，其在鎖緊螺母的同時，錐套的錐面壓緊光纖I實現鎖緊。
第一信號放大調理電路8進一步包括第一光源驅動電路、放大電路及第一濾波電路；第一光源驅動電路與光發射器4連接，用以對光發射器4進行調製驅動；放大電路與光接收器5連接，用以對光接收器5的輸出信號進行放大；第一濾波電路與放大電路連接， 用以對放大電路的輸出信號進行濾波處理。
如圖2和圖3所示，為獲得光纖彎曲增敏區2，選用聚合物多模光纖或石英多模光纖I作為光纖基體材料，首先去除部分光纖I的外層保護套10，露出長度為10毫米至20毫米的光纖包層11表面，然後經研磨處理，去除此段長度的部分光纖包層11，並用磨料拋光至光纖纖芯12，獲得光滑的光纖纖芯12側表面，此段長度的光纖纖芯12側表面經拋光加工後表面粗糙度應低於RaO. 2 ;然後用單組分聚氨酯膠作為粘接劑和炭黑染色劑混合，製成粘接劑和染色劑的混合物14，並同粒徑10微米到100微米的空心玻璃微珠即散射體13混合成散射劑，散射體、染色劑、粘接劑的體積比為2 I 3 ;再將散射劑塗敷到此段拋光後的光纖纖芯12側表面，固化後獲得光纖彎曲增敏區2。為保證傳感器有較高的靈敏度，控制拋光處理至光纖纖芯12的彎曲增敏區2的深度為光纖包層11處直徑的1/3至1/4。
本發明的測量原理是基於光纖倏逝場散射損耗隨彎曲變形改變產生對輸出光強調製作用的機理當光傳輸至光纖的芯包界面時，在反射點和入射點間存在幾個光波長的古斯-漢欣(Goos- Hanchen)位移，透過邊界之外與返回界面之內的電磁能量按其時間的平均值等於零，在界面平整且界面外媒質為非吸收、散射媒質的情況下，透射的能量仍然全部返回到原介質內，因此稱此種電磁場為「倏逝場」，但如果在部分芯包界面摻雜散射體，製成「側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器」，就會有部分倏逝場的光能量發生散射(包括直接從散射體上散射出光纖，前向散射和後向散射三部分)損耗。實驗表明，其散射損耗同光纖的彎曲半徑有關，並且彎曲靈敏度具有方向性，同原有的光纖曲率傳感器相比，同樣具有很高的靈敏度。
採用聚合物多模光纖或石英光纖作為光纖基體材料，為加大光纖在彎曲狀態下的彎曲損耗，對光纖表面進行彎曲增敏處理，因光纖彎曲增敏區的倏逝場散射損耗的改變產生對輸出光強的調製作用，當光纖在不同彎曲半徑下，輸出光強會發生明顯的改變，同沒有加工彎曲增敏區的光纖相比，因彎曲產生的光傳輸宏彎損耗會提高3個數量級，其光強輸出信號通過光敏元件和信號放大調理處理電路可轉換成電壓輸出信號。請參見圖4，其為本發明側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器的傳感原理圖，在光纖I內按全反射原理傳輸的光，傳輸至纖芯12與光纖彎曲增敏區2界面時，遇到散射體13發生倏逝場散射損耗，並產生光的前向散射、後向散射及散射體上的散射，部分散射光被黑色染色劑吸收，總的光散射損耗大小與光纖彎曲半徑和彎曲方向有關，即傳感器的輸出還具有方向性。
通過實驗表明，本發明的側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器的輸出具有方向性 參見圖5，當光纖向彎曲增敏區一側的方向(圖5中的X軸負向)彎曲時，倏逝場散射損耗變小，傳感器的輸出光強增大；當光纖向彎曲增敏區的反方向(圖5中的X軸正向)一側彎曲時，倏逝場散射損耗變大，傳感器的輸出光強減小，因此傳感器可以區分正向彎曲和負向彎曲。另外，當光纖沿彎曲增敏區的切向方向(圖5中的Y軸)彎曲時，其倏逝場散射損耗不變，傳感器的輸出光強不變；當光纖沿其它方向(與圖5中的X軸和Y軸成一夾角)彎曲時，見圖5，側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器的靈敏度Se符合餘弦變化規律，傳感器沿X 軸方向存在最大靈敏度Sm，且有Se = SmXcos 0。
基於上述的側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器，本發明還提供一種用於結構彎曲變形檢測的光纖傳感測量系統，包括一傳輸光纖、若干傳感光纖、一參考光纖、一光發射器、若干光接收器、一第一連接器、若干第二連接器，擾模器，光纖稱合器，第二信號放大調理電路，以及數據採集卡和計算機，光發射器通過第一連接器與傳輸光纖連接，擾模器和光耦合器依次與傳輸光纖連接，且傳輸光纖經擾模器後分為若干路傳感光纖和一路參考光纖，傳感光纖上部分纖芯側表面設置有光纖彎曲增敏區，光纖彎曲增敏區由散射劑塗敷於纖芯側表面，且散射劑由散射體與染色劑和粘接劑的混合物混合而成；參考光纖用以實現對外界溫度或光纖引線彎曲引起的平衡或不平衡共模幹擾信號的抑制作用；第二連接器和光接收器的數量與傳感光纖和參考光纖的數量和相對應，且光接收器分別通過第二連接器與對應的傳感光纖及參考光纖連接，第二放大調理電路與光接收器連接，數據採集卡分別與第二放大調理電路及計算機連接。
在本實施例中，光發射器、光接收器及第一連接器和第二連接器的結構均與前述側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器的光發射器、光接收器及第一連接器和第二連接器的結構相同，因此，在此不予贅述。
在本發明的較佳實施例中，擾模器的結構是將光纖在直徑20毫米的圓筒上纏繞數圈；光纖耦合器採用通用型多模光纖耦合器。上述的第二信號放大調理電路用以對傳感光纖和參考光纖的信號進行處理，其進一步包括第二光源驅動電路、若干除法器電路、差動信號放大電路和第二濾波電路，第二光源驅動電路與光發射器連接，除法器的數量與傳感光纖的數量相對應，其分別與光接收器和差動信號放大電路連接，第二濾波電路分別與差動信號放大電路和數據採集卡連接。
以下以採用兩路傳感光纖和一路參考光纖組成的結構彎曲變形測量系統對本發明的用於結構彎曲變形檢測的光纖傳感測量系統的工作過程進行說明。
請參閱圖6，由第二光源驅動電路20對光發射器4用IKHz方波信號進行調製驅動，與濾波電路26共同實現對外界雜散光的幹擾抑制；光發射器4與第一連接器6相連,輸出光經傳輸光纖9傳輸至擾模器21，擾模器21是將傳輸光纖9在直徑20毫米的圓筒上纏繞數圈，使多模光纖中的高階模較快衰減，輸出更穩定；然後由傳輸光纖9經光纖耦合器22 分為兩路傳感光纖la、Ib和一路參考光纖Ic,即la、lb、Ic共用同一光發射器4的輸出；參考光纖Ic用以實現對外界溫度或光纖引線彎曲引起的平衡或不平衡共模幹擾信號的抑制作用；兩根傳感光纖Ia和Ib埋入或粘貼在待測結構3的內部或表面；la和Ib上加工有光纖彎曲增敏區2a和2b，並保證粘貼時光纖彎曲增敏區2a、2b的法線方向相反，即待測結構 3彎曲時，2a和2b —個向待測結構3的凸的一側彎曲，一個向待測結構3的凹的一側彎曲； 參考光纖Ic上沒有光纖彎曲增敏區；7a、7b、7c分別是3個獨立的與第二連接器7結構相同的連接器，與光接收器5a、5b、5c分別相連；光強信號經5a、5b、5c後轉換成電壓信號,然後兩路傳感光纖la、lb的輸出電壓信號分別通過兩個除法器23、24同一路參考光纖Ic的輸出電壓信號相除，實現對不平衡共模幹擾信號的抑制；通過除法器後的兩路輸出再經過差動放大電路25，實現對電壓信號的放大和對平衡共模幹擾信號的抑制，最後通過第二濾波電路26進行對調製信號的帶通濾波和對低頻幹擾信號的濾波後進入數據採集卡27，由數據採集卡27傳輸至計算機及顯示單元28完成最終信號的處理和顯示。
對於上述系統，可進一步將多根側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器埋入複合材料內部，製成一種埋入式光纖傳感器，在線檢測薄板或薄壁件的變形情況。如圖7所示是一種在線檢測複合材料板形狀的測量裝置採用三根傳感光纖la、lb、Id和一根參考光纖lc，在 la、lb、Id上分別加工有光纖彎曲增敏區2a、2b、2d，然後分別按一個環形迴路埋入複合材料板30的中性層處，將光纖彎曲增敏區2a、2b、2d間隔均勻地布置在複合材料板內。當對複合材料板各層加入樹脂粘接劑和固化劑時，應控制彎曲增敏區2a、2b、2d的最大靈敏度方向垂直於複合材料板的表面。另外，當將側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器埋入複合材料內部時，為防止脆弱的光纖在複合材料板的引出位置發生折斷，在光纖從複合材料板的引出位置安裝有光纖出口保護結構31。如圖8，光纖出口保護結構31是由鋁合金保護盒上半40和鋁合金保護盒下半41組成，光纖從複合材料板的側表面引出，光纖在出口附近套有塑料套管42 ;在40和41之間填充矽酮密封膠43，四根光纖la、lb、lc、Id從複合材料板引出後通過光纖耦合器22同外部傳輸光纖相連接，將輸出光信號傳輸至位於遠端的第二信號放大調理電路，轉換成放大的模擬量信號送數據採集卡27，由計算機及顯示單元28完成最終信號處理和顯示。
為防止光纖埋入待測結構3內部或粘貼在待測結構3上時發生滾動，可將多根側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器並排布置以便於光纖敏感區方向定位。如圖9所示，先將多根光纖I並排成為一條光纖帶，粘貼或埋入待測結構3並初步定位，然後在各光纖表面加工光纖彎曲增敏區2，最後將多根光纖I組成的光纖帶用粘接劑定位在待測結構3表面或待測結構3內部。
本發明又提供一種光纖彎曲增敏處理方法，參見圖10，包括以下步驟
Sll :在聚合物多模光纖或石英多模光纖上取一段10毫米至20毫米長的區域，去掉光纖部分護套後露出光纖包層表面，經研磨處理獲得露出的纖芯側表面，再拋光加工後得到表面粗糙度低於RaO. 2的光滑的纖芯側表面；
S12 :將散射體、染色劑和粘接劑按體積比2 I 3混合製成散射劑，其中，散射體為粒徑10微米到100微米的空心玻璃微珠，且空心玻璃微珠的折射率大於或等於光纖纖芯折射率；染色劑是炭黑或其他油溶性黑色染料；粘接劑是雙酚A型環氧樹脂和三乙烯四胺固化劑、紫外固化樹脂、單組分聚氨酯膠、壓克力專用膠或熱塑性橡膠膠水。
在本發明的較佳實施例中，上述的粘接劑採用單組分聚氨酯膠和炭黑染色劑混合，製成粘接劑和染色劑的混合物，並同粒徑10微米到100微米的空心玻璃微珠混合成散射劑。
S13 :將步驟S12製得的散射劑塗敷於步驟Sll得到的纖芯側表面，固化後形成光纖彎曲增敏區。
在該步驟中，為保證傳感器有較高的靈敏度，要拋光處理至光纖纖芯的彎曲增敏區的深度為光纖包層處直徑的1/3至1/4。
本發明為加大光纖在彎曲狀態下的彎曲損耗而採用的光纖彎曲增敏處理方法，是在光滑的纖芯表面塗敷散射體的方法，而不是採用機械刻痕、化學腐蝕或模具熱壓成形的糙化處理光纖纖芯表面的方法，因此纖芯表面無刻痕和溝槽，不會產生微裂紋和降低機械強度，傳感器不易損壞。
本發明的測量原理是基於光纖倏逝場散射損耗隨彎曲變形改變產生對輸出光強調製作用的機理，在部分芯包界面摻雜散射體，製成側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器，實驗表明，其散射損耗同光纖的彎曲半徑有關，光纖彎曲半徑的微小變化，可使輸出光強損耗發生明顯變化，相對沒有彎曲增敏區的光纖的宏彎損耗，彎曲靈敏度可提高3個數量級，與原有的光纖曲率傳感器一樣具有很高的彎曲靈敏度，並且彎曲靈敏度具有方向性。本發明的側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器同原有的光纖曲率傳感器相比，傳感器的測量原理不同，且製作方法不同，其採用在光滑的纖芯表面塗敷散射體的方法，而不是採用機械刻痕、 化學腐蝕或模具熱壓成形的糙化處理光纖纖芯表面的方法，光纖表面無機械加工的鋸齒狀溝槽或刻痕，所以不會產生微裂紋和降低機械強度，光纖不易折斷，使用壽命更長。另外，由於不需使用熱壓成形的方法，可用石英光纖作為光纖傳感器材料，便於在工業生產中應用， 有效克服了已有的機械刻痕或模具熱壓成形的方法不適用於石英光纖的缺點。本發明可用於結構彎曲變形的檢測，也可適用於高柔性結構在較大彎曲變形下檢測的場合。此傳感器能區分正向彎曲和負向彎曲，僅對彎曲變形敏感，不需要待測結構產生拉壓應變，可埋入結構的中性層位置進行檢測，適用於精密機械、機器人、結構狀態監測等工程測量技術領域。
綜上所述，與現有技術相比，本發明具有光纖在光纖彎曲增敏區處不易折斷，傳感器使用壽命長、靈敏度高、成本低、易於製作且可用石英光纖作為傳感器材料，適合實際工業生產應用的優點。
以上所述，僅是本發明的較佳實施實例而已，並非對本發明做任何形式上的限制， 任何未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施實例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬於本發明技術方案的範圍。
權利要求
1.一種側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器，其特徵在於，包括光纖、光纖彎曲增敏區、光發射器、光接收器、第一連接器、第二連接器以及第一信號放大調理電路，所述光纖一端通過所述第一連接器與所述光發射器連接，另一端通過所述第二連接器與所述光接收器連接；所述光纖彎曲增敏區設置在所述光纖部分纖芯側表面，其由散射劑塗敷於纖芯側表面，且所述散射劑由散射體與染色劑和粘接劑的混合物混合而成；所述第一信號放大調理電路分別與所述光發射器和光接收器連接，用以對光發射器進行調製驅動及對光接收器的輸出信號進行放大處理及濾波。
2.如權利要求I所述的側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器，其特徵在於，所述光纖為聚合物多模光纖或石英多模光纖，且所述聚合物多模光纖直徑為0. I毫米到3毫米，所述石英多模光纖直徑為0. I毫米到0. 5毫米。
3.如權利要求I所述的側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器，其特徵在於，所述光纖彎曲增敏區所塗敷的纖芯側表面是經拋光處理獲得的光滑纖芯側表面，且所述纖芯側表面的表面粗糙度低於RaO. 2。
4.如權利要求I所述的側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器，其特徵在於，所述散射體為粒徑10微米到100微米的空心玻璃微珠，且所述空心玻璃微珠的折射率大於或等於所述光纖纖芯折射率。
5.如權利要求I所述的側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器，其特徵在於，所述染色劑是炭黑或其他油溶性黑色染料。
6.如權利要求I所述的側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器，其特徵在於，所述粘接劑採用雙酚A型環氧樹脂和三乙烯四胺固化劑、紫外固化樹脂、單組分聚氨酯膠、壓克力專用膠或熱塑性橡膠膠水。
7.如權利要求I所述的側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器，其特徵在於，所述光纖彎曲增敏區的長度為10毫米至20毫米，且所述光纖彎曲增敏區的深度為所述光纖包層處直徑的1/3至1/4。
8.如權利要求I所述的側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器，其特徵在於，所述光發射器為雷射LED或LED ;所述光接收器為光敏三極體；所述第一連接器和第二連接器採用螺紋錐套鎖緊結構，其在鎖緊螺母的同時，錐套的錐面壓緊所述光纖實現鎖緊。
9.如權利要求I所述的側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器，其特徵在於，所述第一信號放大調理電路進一步包括第一光源驅動電路、放大電路及第一濾波電路；所述第一光源驅動電路與所述光發射器連接，用以對所述光發射器進行調製驅動；所述放大電路與所述光接收器連接，用以對所述光接收器的輸出信號進行放大；所述第一濾波電路與所述放大電路連接，用以對所述放大電路的輸出信號進行濾波處理。
10.一種用於結構彎曲變形檢測的光纖傳感測量系統，其特徵在於，包括一傳輸光纖、若干傳感光纖、一參考光纖、一光發射器、若干光接收器、一第一連接器、若干第二連接器，擾模器，光纖耦合器，第二信號放大調理電路，以及數據採集卡和計算機，所述光發射器通過所述第一連接器與所述傳輸光纖連接，所述擾模器和光耦合器依次與所述傳輸光纖連接，且所述傳輸光纖經所述擾模器後分為若干路傳感光纖和一路參考光纖，所述傳感光纖上部分纖芯側表面設置有光纖彎曲增敏區，所述光纖彎曲增敏區由散射劑塗敷於纖芯側表面，且所述散射劑由散射體與染色劑和粘接劑的混合物混合而成；所述參考光纖用以實現對外界溫度或光纖引線彎曲引起的平衡或不平衡共模幹擾信號的抑制作用；所述第二連接器和光接收器的數量與所述傳感光纖和參考光纖的數量和相對應，且所述光接收器分別通過所述第二連接器與對應的傳感光纖及參考光纖連接，所述第二放大調理電路與所述光接收器連接，所述數據採集卡分別與所述第二放大調理電路及計算機連接。
11.如權利要求10所述的用於結構彎曲變形檢測的光纖傳感測量系統，其特徵在於， 所述光發射器是雷射LED或LED，所述光接收器是光敏三極體，所述第一連接器和第二連接器採用螺紋錐套鎖緊結構，其在鎖緊螺母的同時，錐套的錐面壓緊所述光纖實現鎖緊。
12.如權利要求10所述的用於結構彎曲變形檢測的光纖傳感測量系統，其特徵在於， 所述擾模器的結構是將所述光纖在直徑20毫米的圓筒上纏繞數圈；所述光纖耦合器採用通用型多模光纖耦合器。
13.如權利要求10所述的用於結構彎曲變形檢測的光纖傳感測量系統，其特徵在於， 所述第二信號放大調理電路用以對所述傳感光纖和參考光纖的信號進行處理，其進一步包括第二光源驅動電路、若干除法器電路、差動信號放大電路和第二濾波電路，所述第二光源驅動電路與所述光發射器連接，所述除法器的數量與所述傳感光纖的數量相對應，其分別與所述光接收器和差動信號放大電路連接，所述第二濾波電路分別與所述差動信號放大電路和數據採集卡連接。
14.一種光纖彎曲增敏處理方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)在聚合物多模光纖或石英多模光纖上取一段10毫米至20毫米長的區域，去掉光纖部分護套後露出光纖包層表面，經研磨處理獲得露出的纖芯側表面，再拋光加工後得到表面粗糙度低於RaO. 2的光滑的纖芯側表面；(2)將散色體、染色劑和粘接劑按體積比2 I 3混合製成散射劑，其中，所述散射體為粒徑10微米到100微米的空心玻璃微珠，且所述空心玻璃微珠的折射率大於或等於光纖纖芯折射率；所述染色劑是炭黑或其他油溶性黑色染料；所述粘接劑是雙酚A型環氧樹脂和三乙烯四胺固化劑、紫外固化樹脂、單組分聚氨酯膠、壓克力專用膠或熱塑性橡膠膠水。(3)將步驟(2)製得的散射劑塗敷於步驟(I)得到的纖芯側表面，固化後形成光纖彎曲增敏區。
全文摘要
一種側摻雜彎曲增敏型光纖曲率傳感器，包括光纖、光纖彎曲增敏區、光發射器、光接收器、第一連接器、第二連接器以及信號放大調理電路，光纖一端通過第一連接器與光發射器連接，另一端通過第二連接器與光接收器連接；光纖彎曲增敏區設置在光纖部分纖芯側表面，其由散射劑塗敷於纖芯側表面，且散射劑由散射體與染色劑和粘接劑的混合物混合而成；信號放大調理電路分別與光發射器和光接收器連接，用以對光發射器進行調製驅動及對光接收器的輸出信號進行放大處理及濾波。本發明的傳感器具有不易損壞、使用壽命長，且可使用石英光纖製作的優點。
文檔編號G01D5/353GK102538702SQ20111042321
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月16日 優先權日2011年12月16日
發明者何俊, 劉仁強, 劉品寬, 張青, 趙現朝, 陳杰, 高峰 申請人:上海交通大學