一種基於雙芯光纖的光纖微彎傳感器的製造方法
2024-01-27 22:08:15 2
一種基於雙芯光纖的光纖微彎傳感器的製造方法
【專利摘要】本實用新型的目的在於提供一種基於雙芯光纖的光纖微彎傳感器，包括光源、單模光纖耦合器、雙芯光纖、第一光功率計、第二光功率計，光源發出的光通過單模光纖耦合器分成兩束，單模光纖耦合器的兩個輸出端分別連接雙芯光纖輸入端的兩個纖芯，兩束光分別注入兩個纖芯，再分別通過第一傳導單模光纖和第二傳導單模光纖傳輸到第一光功率計和第二光功率計，第一光功率計和第二光功率計將檢測到的信號輸入至角度計算電路從而獲得兩個纖芯的彎曲角度。本實用新型降低了兩個纖芯間的距離提高了兩個纖芯的耦合能力，從而增加了光纖微彎傳感器的精度和靈敏度。
【專利說明】一種基於雙芯光纖的光纖微彎傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是一種傳感器，具體地說是測量微彎角度的傳感器。
【背景技術】
[0002]當光在光纖中傳輸時，光波的相位和振幅會因外界溫度、壓力、震動等因素作用而產生變化，光纖傳感器則是利用了這一基本原理來檢測物理量變化的傳感器。由於光纖的光路是封閉的，因此光纖傳感器更適合在高溫高壓、易燃易爆、腐蝕性情況等惡劣環境下進行測量。因此，光纖傳感器在航空航天、石油開採、自動控制等領域得到廣泛的應用。
[0003]光纖微彎傳感器則是其中一種測量物體微小彎曲的器件。通過光纖彎曲導致光相位和振幅變化，來測量壓力、速度、應變、流量等環境參量。光纖微彎角度傳感器通常分為兩種:一種是基於光譜頻移，另一種是基於光強變化。基於光譜頻移的光纖微彎傳感器是通過檢測波長的移動來檢測彎曲的角度，具有較高的精度和靈敏度，可以實現高精度的檢測。但是這種傳感器的光纖結構相對複雜並且需要使用光譜分析儀來對信號進行檢測，這極大的增加了傳感器的製作成本，具有較低的實用性。基於光強變化的光纖微彎角度傳感器則是通過檢測光纖彎曲導致傳輸光強度的損耗變化，這種傳感器的結構簡單、檢測技術不複雜，並且具有較低的製作成本。但是基於光強變化的光纖微彎角度傳感器具有較低的精度和靈敏度，特別是在小角度情況下，傳輸光強度的損耗變化較小，並且伴隨著光源功率波動，這極大影響了微彎角度的測量結果。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提供測量微彎角度的一種基於雙芯光纖的光纖微彎傳感器。
[0005]本發明的目的是這樣實現的:
[0006]本發明一種基於雙芯光纖的光纖微彎傳感器，其特徵是:包括光源、單模光纖耦合器、雙芯光纖、第一光功率計、第二光功率計，單模光纖稱合器的輸入端設置在光源的後方，單模光纖耦合器的兩個輸出端分別連接雙芯光纖輸入端的兩個纖芯，第一光功率計和第二光功率計分別通過第一傳導單模光纖和第二傳導單模光纖連接雙芯光纖的兩個光纖，角度計算電路分別連接第一光功率計和第二光功率計。
[0007]本發明的優勢在於:本發明米用1X2單模光纖f禹合器將光源發出的光一分為二，並同時注入雙芯光纖的兩個纖芯中去，這樣降低了兩個纖芯因能量耦合而引起的強烈波動，增加了傳感器的測量範圍。採用的雙芯光纖的兩個纖芯間距為16μπι，降低了兩個纖芯間的距離提高了兩個纖芯的耦合能力，從而增加了光纖微彎傳感器的精度和靈敏度。因此，相比於基於光強的光纖微彎傳感器，本發明具有更高的精度和靈敏度。此外採用的雙芯光纖製造簡單，並且使用功率計代替光譜分析儀作為信號探測器。從而，相比於基於光譜頻移的光纖微彎傳感器，在相同精度和靈敏度的情況下，採用雙芯光纖製造的光纖微彎傳感器具有更低的製造成本，更高的實用性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1為本發明的結構示意圖；
[0009]圖2為本發明雙芯光纖的橫截面圖。
【具體實施方式】
[0010]下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述:
[0011]結合圖1?2，基於雙芯光纖的光纖微彎傳感器包括光源I，單模光纖耦合器2，雙芯光纖3，傳導單模光纖4和5，光功率計6和7，數字電路8組成。光源I發出的光通過單模光纖稱合器2分成兩束,兩束光同時被注入到雙芯光纖3的兩個纖芯。
[0012]本發明中基於雙芯光纖的光纖微彎傳感器中雙芯光纖3的光纖採用如圖2所示的結構，該雙芯光纖由單兩個纖芯組成，包層直徑為40 μ m，兩個纖芯301和302的直徑為8.2 μ m0
[0013]當兩束光被分別同時注入雙芯光纖的兩個纖芯，兩個纖芯之間產生耦合現象，根據模式耦合方程，兩個纖芯(A和B)間的功率差為:
[0014]P(Z) = [Pb (O) — P4 (O)] + F2{2[Pa (O) - Pb (O)] + M^IA[Pa (0)Ps (O)]'21 Sin2(^z)
[0015]其中:PA(0)和Pb(O)是兩個纖芯的初始功率值，^ =U+ (P -βΗ--^」，
=A, B)是兩個纖芯的傳播常數，0是耦合係數。兩個光纖的長度ζ
[0016]當光纖被彎曲時，光纖的折射率發生變化，根據保角變換:
(P、
[0017]η η (.ν,.V) = "(..V, v) exp —
\R)
[0018]其中:n(x，y)是直光纖的折射率分布，neq(x, y)是彎曲後光纖的折射率分布，R是彎曲半徑，P = X或y為距離彎曲中心的距離。
[0019]經過雙芯光纖3的兩束光從輸出端經過傳導單模光纖4和5傳輸到光功率計6和7，功率計6和7分別測量出兩個纖芯傳輸的功率，光功率計6和7檢測的數位訊號最終傳輸到數字電路8中，通過運算最終解算出光纖的彎曲角度，實現兩個光纖A、B彎曲角度的測量。
[0020]經過雙芯光纖3的兩束光從輸出端經過傳導單模光纖4和5傳輸到光功率計6和7，功率計6和7分別測量出兩個纖芯傳輸的功率。
[0021]製作好的基於雙芯光纖的光纖微彎傳感器通過實驗測試出20個不同彎曲角度(彎曲角度範圍在0°到5° )所對應的功率計6和7的功率差，並通過數學線性擬合方法計算出功率差和彎曲角度的線性化函數(由於製造工業和設備連接處損耗的差異性，線性化函數各有不同)，並將線性化函數輸入到角度計算電路8中。
[0022]光功率計6和7檢測的數位訊號傳輸到角度計算電路8中，通過運算最終解算出光纖的彎曲角度，實現彎曲角度的測量。
[0023]本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:由光源、單模光纖耦合器、雙芯光纖、傳導單模光纖、光功率計和數字電路組成，光源發出的光通過單模光纖耦合器分成兩束:兩束光分別同時注入雙芯光纖的兩個纖芯。兩束光通過雙芯光纖時發生耦合，並通過兩根單模光纖傳輸到兩個光功率計，光功率計檢測到的信號經過數字電路處理可得到彎曲的角度，實現光纖微彎傳感器測量微彎角度的功能。
[0024]光源為半導體雷射器，功率為Iw,光源發出的光的波長為1550nm。
[0025]單模光纖耦合器是一個由SMF-82型號光纖製作而成的1X2單模光纖耦合器，具有一個輸入端和兩個輸出端，將光分成相同強度的兩束光傳出。
[0026]雙芯光纖的兩個纖芯的直徑為8.2 μ m,兩個纖芯的間距為16μηι,雙芯光纖包層直徑為40 μ η?ο ο
[0027]雙芯光纖彎曲方向沿X軸方向。
[0028]傳導單模光纖的型號為SMF-82。
[0029]功率計的解析度為InW。
【權利要求】
1.一種基於雙芯光纖的光纖微彎傳感器，其特徵是:包括光源、單模光纖耦合器、雙芯光纖、第一光功率計、第二光功率計，單模光纖耦合器的輸入端設置在光源的後方，單模光纖率禹合器的兩個輸出端分別連接雙芯光纖輸入端的兩個纖芯，第一光功率計和第二光功率計分別通過第一傳導單模光纖和第二傳導單模光纖連接雙芯光纖的兩個光纖，角度計算電路分別連接第一光功率計和第二光功率計。
【文檔編號】G01B11/26GK203929037SQ201420346446
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年6月25日 優先權日:2014年6月25日
【發明者】李緒友, 孫波, 於瑩瑩 申請人:哈爾濱工程大學