双驼峰锥型光纤弯曲传感器的制作方法

本实用新型涉及一种光纤传感器，能够对曲率大小和弯曲方向同时进行高精度感测，属于光纤传感技术领域。

背景介绍

弯曲传感器已广泛应用于交通设施、航空航海、机械制造和工业控制等诸多领域。随着测量技术的不断发展，无方向的标量弯曲测量装置已不能满足工程实测需求，因此各种能够辨识弯曲方向的弯曲矢量传感器越来越受到重视。其中，光纤传感器因其形状灵活小巧、抗电磁干扰、抗氧化腐蚀和受环境限制较少等特点，被广泛应用于各类参量的监测。特别是相位调制型的光纤传感器，如光纤马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪非常适合光纤弯曲传感器的设计、研制及应用。

驼峰锥结构是一种非对称凸锥，由一段去掉涂覆层的光纤在一定预弯曲情况下放电制作而成，放电位置偏离纤芯中心，制作的凸锥在空间上是一个非对称结构。研究表明：采用双驼峰锥结构可以制成结构紧凑、感测灵敏的弯曲传感器，进而实现曲率大小和弯曲方向的同时测量。

本实用新型是一种新型的可对曲率大小和弯曲方向同时进行高精度感测的光纤弯曲传感器。检索结果表明，目前尚没有采用双驼峰锥结构制作对曲率大小和弯曲方向同时感测的光纤弯曲传感器的专利报道。

技术实现要素：

本实用新型的目的旨在设计出一种可对曲率大小和弯曲方向同时进行高精度感测的光纤弯曲传感器，所提供的双驼峰锥型光纤弯曲传感器，包括传感部分和测量部分。传感部分由两个凸出方向一致的非对称锥(驼峰锥)构成，如图1(a)所示；其特征是利用电弧放电技术对光纤进行预弯曲放电处理，形成凸出方向一致的驼峰锥，其实物如图1(b)所示。

利用图1所示的传感器，可以对曲率大小和弯曲方向同时进行测量。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，利用电弧放电技术对光纤进行预弯曲放电处理，形成凸出方向一致的驼峰锥，形成的光纤螺旋结构为马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪。当该传感器沿驼峰锥凸起方向弯曲时，轴向非对称结构的变化使得驼峰锥凸起方向和背向的折射率发生改变，导致光纤M-Z干涉仪中纤芯模与包层模传输速度不同，产生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，即可实现对曲率大小和弯曲方向的高精度同时测量。

本实用新型所述的传感头是具有两个凸出方向一致的驼峰锥结构；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：

由双驼峰锥结构形成的M-Z干涉仪是一种灵巧、集成的全光纤干涉仪，它将参考光与信号光集中于同一段光纤中，通常为基于不同模式之间的干涉。将全光纤M-Z干涉仪内的模式间干涉简化为双光束干涉，则参与干涉的两束光分别为：纤芯基模被束缚在纤芯之中，对外界感知困难，可作为参考光；驼峰锥(耦合单元)处激发的高阶包层模在包层中传输，对外界感知灵敏，可作为信号光。于是，两束光之间的相位差一般可以表示为：

式中，为干涉仪未弯曲时纤芯基模与包层模之间的有效折射率差；L为干涉长度；λ为输入光的波长。由双驼峰锥结构形成的M-Z干涉仪的输出光强可表示为

式中，I1和I2分别表示纤芯基模与高阶包层模的光强；δ为初始相位差。由式(2)可知，当时，光强达到极大；当时，光强则最小。

当传感器受到弯曲作用时，纤芯和包层区的折射率会发生改变，纤芯一包层的应变差Δε＝d/R，其中d是纤芯与包层之间的距离，R是传感器的弯曲半径。于是，有效折射率差可表示为

式中，k是应变-折射率系数。式(1)～式(3)即为双驼峰锥型光纤弯曲传感器感测原理的表达式。当传感器弯曲时，Δneff正比于光纤的曲率1/R，这将导致干涉峰的漂移。由于驼峰锥具有非对称的结构，因此不同方向的弯曲作用产生的干涉峰漂移有所不同，利用这一特性可实现曲率大小和弯曲方向的同时测量。

测量方法：

当双驼峰锥制作完成后，利用光纤测量仪器测量该该传感器的几何参数，同时获得干涉仪未弯曲时的初始光谱，测量装置如图2所示。测量方法如下：

第一步，测量传感器对弯曲方向的识别。首先，将传感器的传感头置于温控箱内，将温度保持在0℃～80℃之间的某一温度不变(如20℃)，记录传感器初始光谱(如图3所示)及相应数据；然后，对传感头分别施加0°方向(图1中光纤受到从+x方向的挤压)、180°方向(图1中光纤受到从-x方向的挤压)的弯曲作用，依次记录传感器干涉峰的漂移情况；最后，将记录的光谱及数据进行处理，得到传感器干涉峰漂移与弯曲方向的对应关系。测量表明：传感器干涉峰对弯曲方向可以灵敏地识别，当向0°方向弯曲时，干涉峰发生红移；而向180°方向弯曲时，干涉峰则发生蓝移，其干涉峰的漂移量与曲率响应呈线性关系。

第二步，测量传感器对弯曲参数的测量，以曲率为例。首先，记录传感器自由状态下的干涉谱及相应数据，并将其定为初始值，同时记录下环境温度(如20℃)并保持不变；然后，弯曲双驼峰锥结构，每隔一定曲率数记录干涉谱漂移及相应数据，从小到大并回复测量；最后，将多次记录的干涉谱及数据进行处理，得到传感器干涉峰与曲率实验关系及拟合曲线。

第三步，改变环境温度，在0℃～80℃之间取某一定值并保持恒温，重复第二步测量过程，对获得的测量数据进行分析、整理，检验不同温度下传感器的干涉峰与曲率的实验关系是否具有一致性，灵敏度曲线是否具有线性特征。

本实用新型的有益效果：

本实用新型传感部分为光纤双驼峰锥结构，其结构灵巧，制作简便，易于系统集成，也便于在待测材料的表面粘贴或者内部嵌入。利用光纤双驼峰锥结构制成的M-Z干涉仪光谱对弯曲作用的不同响应，通过测量干涉峰的漂移量大小和漂移方向，实现曲率大小和弯曲方向的高精度同时测量。这种新型传感器具有测量精度高、抗电磁干扰、易设计加工、耐腐蚀、适合在恶劣环境下工作等特点。

附图说明

图1是传感器的传感头。(a)传感结构图；(c)光纤双驼峰锥实物图。

图2是本实用新型测量装置图。图中，1.传感头；2.传输光纤；3.光源；4.光探测器。

图3是传感器干涉谱图。

图4是传感器在0°和180°两个不同方向弯曲下的干涉峰漂移。

图5是传感器在0°、90°和180°方向弯曲时，其干涉峰λ＝1580.01nm漂移量与曲率变化关系的拟合曲线。

具体实施方式

采用图2所示的测量装置，将传感器的传感头置于温控箱内，保持温度在20℃不变。光从光源发出，经过传感头后由光谱仪接收。测量中使用的光源是波长范围为1250nm～1650nm的宽带光源，光谱仪的型号为Yokogawa AQ6370C，其最小分辨率为0.02nm。把传感器插入长度为10mm、内径为150μm毛细管的正中，毛细管两端套上带有夹口的铜柱并置于两个微位移平台缺口上，其中一端固定，另外一端附加质量为20g的砝码使光纤轴向应力保持不变。调整位移平台，带有圆柱的推进装置横向步进，挤压毛细管使之弯曲，带动毛细管内干涉仪发生同样的弯曲形变。调整光纤驼峰锥凸方向，分别沿0°、90°、180°方向进行弯曲，即可实现曲率大小和弯曲方向的同时测量

测量过程

测量之前，首先设置初始状态，利用光谱仪记录此时传感器的光谱图，同时选择典型的干涉峰并测量其对应的波长值；然后，以传感器的初始值作为参考值，对传感器施加不同的曲率值1/R并保持温控箱的温度不变，记录选定的干涉峰值对应的波长漂移量Δλres；最后，由关系式S＝Δλres/(1/R)计算出传感器的弯曲灵敏度。

测量所用的传感头是利用电弧放电技术制成的光纤驼峰锥，传输光纤为石英单模光纤，其传输波长位于1550nm波段；光源为宽带光源，光谱范围为1250nm～1650nm；光探测器为光纤光谱仪，最高分辨率为0.02nm；传感器的工作环境温度为0℃～80℃之间。

具体测量实例

在本实用新型具体测量实例中，传感头参数如下：光纤双驼峰锥间距L＝13.4mm，驼峰锥锥腰最大宽度为155.4μm，锥区长度为360.8μm，单模光纤为Corning SMF-28e。当传感头未施加弯曲作用时，光纤双驼峰锥处于自然状态，干涉谱如图3所示，干涉条纹对比度超过20dB，插入损耗约为12dB。在弯曲测量时，利用圆柱推进装置的横向步进大小控制光纤的曲率大小，每隔0.1m^-1曲率值记录干涉谱漂移及相应数据，从小到大并回复测量；将多次记录的干涉谱及数据进行处理，得到传感器干涉峰与曲率实验关系及拟合曲线。

图4是本实用新型的实施例在0°和180°两个不同方向弯曲下的测量结果，其中向0°方向弯曲时，干涉峰发生红移；而向180°方向弯曲时，干涉峰则发生蓝移。

图5是本实用新型的实施例在0°、90°和180°方向弯曲时，其干涉峰λ＝1580.01nm漂移量与曲率变化的测量结果。在曲率0～1.2m^-1范围内，经线性拟合得到0°、180°方向的弯曲灵敏度分别为10.224nm/m^-1和-4.973nm/m^-1。由图5并进一步分析可知，本实用新型对于0°、180°方向弯曲敏感，而对于90°、270°方向弯曲则不敏感。

此外，实验研究了环境温度对该传感器的影响，传感部分通过夹持器和滑轮保证平直，置于温控箱中，滑轮质量为20g。温控箱温度变化范围设置为0～80℃，测量时每次变化5℃，经过上升和下降往返温度实验，干涉峰λ＝1580.01nm的温度灵敏度为0.049nm/℃，线性拟合度R²＝0.994。在实际应用中，为了消减温度对弯曲测量结果的影响，可以利用弯曲与温度构成的双参数矩阵，有效解决弯曲参数与温度的交叉敏感问题。

进一步，通过光电转换器将光信号转换为电信号，再用计算机进行数据处理，则可进一步提高本实用新型的弯曲感测灵敏度。