[发明专利]一种白光干涉式纤维集成万向弯曲传感器

说明书

本发明公开了一种白光干涉式纤维集成万向弯曲传感器，其主要特征是：该传感器是由双包层光纤1、四芯光纤2以及端面反射膜3等部分组成，集成于一根光纤上的万向弯曲传感器。本发明所给出的传感器能够实现弯曲的角度以及弯曲的方向同时测量，由于本发明的固有特性使其在高温条件下尤为适用。另外，还具有灵敏度高、结构紧凑以及成本低等优点。

(一)技术领域

本发明属于光纤技术领域，具体涉及的是一种白光干涉式纤维集成万向弯曲传感器。

(二)背景技术

光纤白光干涉技术可以用于测量应变、温度等物理量，也可以应用于角度的测量。典型的应用是光纤倾斜计，将倾角转换为位移进行测量，可用于监测桥梁以及高塔等建筑结构的倾斜情况。

多芯光纤提出于上世纪七十年代，目的是为了解决降低光纤光缆的成本问题以及提高光纤光缆密集度的问题。随着多芯光纤技术的发展，多芯光纤的应用愈加广泛，不仅仅应用于光通信领域，更广泛的应用于光纤激光器、光纤光学器件以及光纤传感领域。发明专利CN106197305A提出了一种马赫增德尔干涉型全光纤弯曲传感装置，利用光纤锥形结构的马赫增德尔干涉仪作为滤波器件，将光线先分束再合束进而产生干涉、产生梳状滤波光谱，并基于此获得被测物体的弯曲程度。基于此种方式获得角度传感具有探测信号强、信噪比高以及灵敏度高等特点，但只能实现单一方向上的弯曲测量，而且无法排除温度因素对其产生的影响。

热扩散耦合技术提出于上世纪九十年代，目的在于解决不同光纤的对准、耦合等问题。近年来由于其成本低、插损低等特点得到了广泛的研究与发展，应用于光纤通信中的隔离器件以及滤波器件等。

本发明所提供的白光干涉式纤维集成万向弯曲传感器。可以实现方向以及弯曲角度同时测量，而且多芯光纤同时测量，可以消除环境温度等其它因素的交叉影响。而且，由于传感器仅是一根多芯光纤并且是熔接而成，没有任何用于连接的接插件，所以在高温条件下几乎没有影响，尤其适用于高温条件下的万向弯曲测量，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白光干涉式纤维集成万向弯曲传感器，可用于高温条件下的万向弯曲测量。

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、四芯光纤2以及端面反射膜3等部分组成。双包层光纤1、四芯光纤2熔接在一起，在四芯光纤端面镀金属反射膜3，形成一种白光干涉式纤维集成万向弯曲传感器。

本发明的基本原理是基于一种特殊的光纤——双包层光纤(光纤结构如图2所示)、菲涅尔反射定律以及热扩散效应。图2中所示的特殊光纤折射率分为三层，分别为n₁、n₂和n₃，它们之间的关系是n₁n₂n₃(假设四芯光纤纤芯以及包层折射率分别为n₂和n₃)。当一段这种特殊光纤与四芯光纤焊接到一起时，两端光纤连接面如图1所示，由于二者存在折射率差，光束在此处会有部分反射、部分投射，反射率R由菲涅尔反射定律可推导：

两光纤之间的折射率差约为0.01，通过公式(1)即可估算出光束在连接面反射率约为3.33*10^-5。这说明在连接处仅有10^-5量级的光信号发生反射，其余的光透射到四芯光纤中。

对四芯光纤进行加热，使四芯光纤纤芯产生热扩散效应。在热扩散效应下，纤芯掺杂离子向包层进行热扩散，进而引起纤芯周围的折射率发生变化，造成的效果等效为四根纤芯向四周进行扩散(如图1中所示)。当纤芯向四周扩散到一定程度时，引起四芯光纤中心纤芯的光向另外三个纤芯发生耦合作用，使光耦合到另外三个光纤芯中。四芯光纤另一端镀金属膜，使四根纤芯的光按原路返回并在热扩散区进行耦合，使边缘三个光纤芯中的光场再次耦合到中心纤芯中并返回到双包层光纤中。