[发明专利]纤维集成干涉仪串联结构三维空间分布式形变传感器

说明书

本发明公开了一种纤维集成干涉仪串联结构三维空间分布式形变传感器，其主要特征是：该传感器是由双包层光纤1、螺旋多芯光纤2等部分串联组成，集成于一根光纤上的三维空间分布式形变传感器。本发明所给出的传感器是具备分布式三维空间结构的多芯光纤传感器阵列，对应于测量离散的应变信息以及曲率信息，通过对这些信息进行解调与结构空间的三维形状进行拟合重构，以此建立白光干涉传感器阵列臂长位移参变量与所感测的空间三维形状之间的映射关系。由于本发明的固有特性，使其即便是在高温条件下也可以正常工作。另外，该传感器还具有灵敏度高、结构紧凑以及成本低等优点。

(一)技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及的是一种纤维集成干涉仪串联结构三维空间分布式形变传感器。

(二)背景技术

光纤形变传感是一种分布式传感技术，它利用光纤的局部形变产生的后向散射信号来对弯曲以及扭转等加以测量，进而对这些信息进行计算处理、重构光纤的三维空间形变信息。基于此，这项技术在医疗、国防、航空航天以及其它智能结构检测等领域有着广阔的应用前景。

1979年美国国家航空航天局(NASA)提出将光纤传感器植入飞行器的复合材料蒙皮中，构建智能结构、检测温度以及形变等信息。2010年，Froggatt等人提出基于瑞利后向散射的光纤形变传感器(美国专利号：US7772541B2)，传感器需要可调谐激光器(TLS)作为光源，需要光学频域反射系统(OFDR)对接收信号进行解调。2015年华中科技大学提出发明专利“一种三维形状测量方法”(专利号：CN 105371781A)提出一种基于分布式测量系统测量含有偏芯光纤的光纤纤芯的应力值，进而计算得到矢量、中间量、光纤链路的弯曲角度、绕率函数、曲率函数、切线向量进而最终得到三维空间曲线。2017年北京信息科技大学提出发明专利“一种基于啁啾光纤光栅的柔性材料空间形状的检测方法”(专利号：CN106500622A)，利用互成120度夹角的三根长啁啾光纤光栅获取检测点波长信号解算为应变信号，进而得到三维空间曲率。缺点是当长啁啾光纤光栅的数量增多时检测点光谱解调容易发生混叠。

本发明所提供的纤维集成干涉仪串联结构三维空间分布式形变传感器具备分布式三维空间结构的多芯光纤传感器阵列，对应于测量离散的应变信息以及曲率信息，通过对这些信息进行解调与结构空间的三维形状进行拟合重构，以此建立白光干涉传感器阵列臂长位移参变量与所感测的空间三维形状之间的映射关系。而且，由于传感器仅是一段多芯光纤与一段双包层光纤反复串联熔接而成，没有任何用于连接的接插件，由于该光纤传感器结构的对称性，每根纤芯的光程所处的环境温度可以视为相同，因此温度对每根纤芯光程的影响都近似相同，使得其传感特性不受环境温度的影响。该光纤传感器具有耐高温特性，即是在高温条件下几乎不受影响，因此特别适用于高温条件下的三维空间分布式形变测量，其独特性是其它传感器系统所不能替代的。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种纤维集成干涉仪串联结构三维空间分布式形变传感器，可用于三维空间形状变化的监控与检测。

本发明的目的是这样实现的：该光纤传感器是由双包层光纤1、螺旋多芯光纤2等部分反复串联组成的纤维集成干涉仪串联结构三维空间分布式形变传感器。

本发明的基本原理是基于菲涅尔反射定律以及热扩散效应。图1中所示双包层光纤1折射率分为三层，分别为n₁、n₂和n₃，它们之间的关系是n₁n₂n₃(假设螺旋多芯光纤2纤芯以及包层折射率分别为n₂和n₃)。当一段这种双包层光纤1与螺旋多芯光纤2焊接到一起时，两端光纤连接面如图1所示，由于二者纤芯存在折射率差，光波在此处会有部分反射、部分透射，反射率R由菲涅尔反射定律可推导：