[发明专利]基于气球形光纤干涉仪的角度传感系统及其测量方法

说明书

本发明涉及光纤传感技术领域，包括单模光纤、毛细管和角度测量装置，单模光纤通过弯曲构成气球形结构的传感回路，传感回路的输入端和输出端均内置在毛细管中，传感回路的输入端与宽带光源连接，传感回路的输出端与光谱分析仪连接，角度测量装置包括角度尺和转动臂，角度尺水平设置，转动臂的转动轴位于角度尺0刻度的外侧，角度尺的上设有传感回路，传感回路位于0刻度处，传感回路的平面与角度尺的0刻度线相对齐，其顶面面向0刻度方向，转动臂延伸至传感回路的侧面，转动臂挤压传感回路使其发生角度偏转，本发明利用光纤弯曲为气球形结构的特性实现对角度传感的同时也增加了角度传感器的稳定性、传感范围和传感灵敏度。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体的是基于气球形光纤干涉仪的角度传感系统及其测量方法。

背景技术

在1966 年，英籍华人科学家高锟首次提出光导纤维（光纤）传输光信号的理论，在这理论指导下，几年后第一根低损耗光纤由美国康宁公司研制成功。光纤作为光信号传输的重要通道，已经广泛应用光纤通信和传感领域。光纤传感主要分为分布式光纤传感和光纤干涉仪，由于光纤干涉仪具有体积下、灵敏度高、成本低等独特的优点而被人们深入的研究。光纤干涉仪已经在安全监测、工业、生物化学等领域具有广泛的应用。研究最为广泛的光纤干涉仪主要有马赫-曾德尔干涉仪（MZI）、迈克尔逊干涉仪（MI）和法布里－珀罗干涉仪（FPI）。其中，光纤MZI相对于其他两种干涉仪来说，具有制作简单、消光比高、信号插入损耗低、应用场景多等优点。在各个领域中，光纤MZI通常被用来测量温度、液体折射率、曲率、位移、湿度等常见物理量。角度的传感在生物医学、机械工业、结构健康等领域发挥了重要的作用，近年来，许多研究者提出了不同的方案来对角度进行传感。其中，利用光纤锥形结构级联光纤布拉格光栅（FBG）的迈克尔逊干涉仪（MI）被证实可以测量角度。用光纤锥形级联光纤花生形结构组成的马赫曾德尔干涉仪（MZI）也可以测量角度。此外，基于聚合物光纤（POF）的传感系统也被用于角度传感。但这些角度传感器通常制作过程复杂，在实际使用中不仅容易断裂而且灵敏度不高。

发明内容

针对上述问题，本专利创新的提出了一种基于气球形光纤干涉仪的角度传感系统，具体方案如下：

一种基于气球形光纤干涉仪的角度传感系统, 传感装置包括单模光纤、毛细管和角度测量装置，所述单模光纤通过弯曲构成气球形结构的传感回路，所述传感回路的输入端和输出端均内置在毛细管中固定，所述传感回路的输入端与宽带光源的出射光端口相连接，所述传感回路的输出端与光谱分析仪的入射光端口相连接，所述角度测量装置包括角度尺和转动臂，角度尺水平设置，转动臂的转动轴对应于角度尺0刻度位置的外侧，角度尺的上表面设有传感回路，传感回路位于0刻度位置，传感回路所在平面与角度尺的刻度面相垂直，且与角度尺上的0刻度线直线对齐，气球形结构的顶面面向0刻度方向设置，转动臂延伸至传感回路的侧面，转动臂挤压传感回路使其发生角度偏转。

进一步，所述角度尺为半圆形结构，所述0刻度位于半圆形的中点位置，传感回路的角度偏转范围在0～±50︒之间。

进一步，所述毛细管的内径为0.4mm，长度为15mm。

进一步，所述单模光纤型号为G.652，单模光纤的纤芯直径为8.25μm，单模光纤的包层直径为125μm。

进一步，所述传感回路中气球形结构的顶端A点距离与其相邻的毛细管顶端的中点B点的直选距离为20mm。

基于气球形光纤干涉仪的角度传感系统的测量方法：

步骤1，通过单模光纤将宽带光源和光谱分析仪分别连接传感回路的输入和输出端；

步骤2，光通过单模光纤传输至传感回路的输入端，通过光谱分析仪检测透射光谱，由于不同大小的角度会导致传感回路发生不同程度的弯曲从而改变透射光谱的波长，利用光谱分析仪检测透射光谱波谷的波长变化就能得到角度的变化。

与现有技术相比较，本发明的优点如下：