[实用新型]螺旋型光纤扭转传感器

说明书

本实用新型涉及一种螺旋型光纤扭转传感器，特别是能够对扭转参量的大小和方向同时高精度测量的光纤传感器。该传感器主要由沿左手螺旋方向旋转360°的光纤螺旋组成，由于光纤螺旋结构导致的双折射特性，因此该结构形成了一个马赫‑曾德尔(M‑Z)干涉仪。当该传感器受到扭转作用时，由双折射效应使得光纤螺旋结构中的快光和慢光传输速度不同，产生的光程差将引起干涉峰的漂移。测量干涉峰的漂移量大小和漂移方向，即可实现扭转参数的大小和方向的高精度同时测量。这种螺旋型光纤扭转传感器具有结构灵巧、制作简便、性能优良、性价比高等优点，将其与光纤光栅结合，亦可实现扭转角、扭应力、扭矩等与温度的双参数同时测量。

技术领域

本实用新型涉及一种光纤传感器，能够对扭转进行正、负两个不同方向的感测，属于光纤传感技术领域。

背景介绍

扭转参数(扭转角、扭矩等)是工业生产、产品制作、安全维护等领域中的重要监控参量，人们现已开发出多种类型的扭转传感器。其中，光纤因其具有质量轻、柔韧性好、抗电磁干扰、易设计加工、材料来源丰富等优点，现已成为新型扭转传感器设计和研制的优选材料。近些年，随着工程仪器仪表测试和桥梁建筑监测的需求日渐提高，光纤扭转传感的研发迅速得到发展。在工程实际应用中，很多情况下不仅需要测量扭转参数的大小，同时还需要获知扭转作用的方向，即实现扭转矢量的大小和方向的同时测量至关重要，这属于新颖的光学检测技术。

然而，在实际工程应用中，一些待测材料体积很小，而尺寸较大的传感器不适宜在其表面粘贴或者内部嵌入。研究表明：利用光纤螺旋制作技术可以研制结构紧凑、感测灵敏的扭转传感器，进而实现扭转参数的大小和方向的同时测量。

本实用新型是一种新型的可同时测量扭转参数的大小和方向的光纤扭转传感器。检索结果表明，目前尚没有采用光纤螺旋结构制作可同时进行扭转参数的大小和方向测量的螺旋型光纤扭转传感器的专利报道。

发明内容

本实用新型的目的旨在设计出一种可同时进行扭转参数的大小和方向测量的高灵敏度光纤扭转传感器，所提供的螺旋型光纤扭转传感器，包括传感部分和测量部分。传感部分由光纤螺旋结构构成，如图1(a)所示；其特征是利用氢氧焰技术对单模光纤进行灼烧，使其在高温下变为熔融状态，在灼烧的同时，将光纤的一端用旋转盘沿左手螺旋方向旋转360°，使光纤熔融部分形成一个完整的螺旋，如图1(b)所示；撤掉氢氧焰待光纤冷却，使光纤螺旋永久固定，如图1(c)所示。

利用图1所示的传感器，可以对扭转参数的大小和方向同时进行测量。传感器测量部分的连接方式：传感头(1)的两个连接点，其一通过传输光纤(2)与光源(3)连接，其二通过传输光纤(2)与光探测器(4)相接，如图2所示。

单模光纤拉制技术已经成熟，国内已实现了批量生产，目前在市场上很容易购得。在本实用新型中，利用氢氧焰对光纤灼烧并进行旋转操作，形成的光纤螺旋结构是一个马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪。当光纤螺旋结构(即传感头)受到外界扭转作用时，将改变干涉仪中的快光和慢光的光程差，进而导致干涉峰的漂移。测量干涉峰的漂移量及飘移方向，能够实现对扭转参量的大小和方向的高精度同时测量。

本实用新型所述的传感头是具有沿轴向旋转360°的光纤螺旋结构；所述的传输光纤为单模光纤；所述的光源为宽带光源或可调谐光纤激光器；所述的光探测器为光谱仪或多波长计；所述的传感器工作环境温度为0℃～80℃之间。

感测原理：

在制作光纤螺旋结构时，光纤横截面上的侧向应力发生变化，引起光纤折射率的改变，导致其具有双折射特性。该双折射的快轴与光纤弯曲半径方向一致，而慢轴则垂直于弯曲平面。当一束光从光纤螺旋结构的一端入射时，快光和慢光同时传输且速度不同，在螺旋结构的另一端重新汇合并累积了一定的光程差，由此会产生干涉现象。该光纤螺旋结构的干涉机理类似于M-Z干涉仪，其两个干涉臂则由两个偏振模式所代替。

在光纤螺旋结构中，传输的快光和慢光的相位差可以表示为