基于宏弯损耗效应的光纤位移传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及位移传感技术，具体为一种基于宏弯损耗效应的光纤位移传感器。
【背景技术】
[0002] 位移移测量在很多领域内是必不可少的，例如，纳米技术系统，精密仪器，微加工， 结构损伤，桥梁变形等。目前，人们常用的位移传感器有电位式，磁敏式，电感式，电阻式，光 电式，超声波式等。光电式位移传感器有激光式，光栅式以及光纤式。相较于其他位移测量 法，光纤位移测量技术具有容易布置，价格低廉，灵活性高，全程非电测量，无电磁干扰等优 点，在结构健康监测，桥梁变形领域内具有广泛的应用前景。目前，关于光纤位移传感器的 研究越演越烈。有的学者将集中精力研制高分辨率的位移传感器，其分辨率达到纳米级别， 甚至毫微米级，但其测量范围相对较低，为微米级甚至纳米级，例如，法布里-珀罗式，光纤 光栅式，干涉式等。而有的学者将精力集中在大量程的位移传感技术上，其测量范围能够达 到毫米级，但其分辨率在几十个微米，甚至毫米级，例如，Zhao Yong等利用光纤光栅设计的 位移传感器测量范围为50mm，其分辨率为0. 06mm。另外，有的位移传感器同时具备精度高， 分辨率大的特点。例如，Zhou Xinlei等利用法布里-珀罗干涉仪制成的位移传感器测量 范围3mm，分辨率达到0. 084nm，具有很高的参数支持。但是结构复杂，检测设备价格昂贵， 限制了其在生活，生产过程中的应用。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种基于宏弯损耗效应的位移检测传感器。通过宏弯引 起光纤内模场畸变，引起宏弯损耗。由两根塑料裸光纤形成双绞宏弯福射親合结构，利用 宏弯损耗效应实现两根光纤之间的親合，称为宏弯福射親合。通过宏弯半径改变宏弯损耗 的光能量，引起接收光纤内光功率变化，从而实现对物体位移的检测。在较大尺度范围内 (140_)具有微尺度（最大达到Sum)的分辨率。在提高分辨率的同时也兼顾了传感器的测 量范围。另外，其易于布置，结构简单，成本低，在结构检测，桥梁变形等领域具有很好的发 展前景。
[0004] 本发明是采用如下技术方案实现的：
[0005] -种基于宏弯损耗效应的光纤位移传感器，包括两根光纤，其中一根为传光光纤， 另一根为接收光纤，所述传光光纤始端连接LED光源、终端连接光功率计P1，所述接收光纤 始端用黑色盖帽密封固定、终端连接光功率计P2。
[0006] 所述传光光纤和接收光纤通过双绞后形成宏弯福射親合结构；所述双绞宏弯福射 親合结构的始?而固定，为固定知5 ;终?而移动，为移动立而。
[0007] 初始状态下，所述宏弯辐射耦合结构的圆周部分的弯曲半径等于阈值，所述阈值 为当入射光在传光光纤的纤芯-包层界面上的入射角Θ等于全内反射角Θ。时所对应的弯 曲半径，即设纤芯的折射率为η。。，包层的折射率为I1，那么t=sin 1O^1Ara);也就是说， 纤芯和包层的折射率确定后，临界角就是已知值，那么，宏弯辐射耦合结构的圆周部分的弯 曲半径就可以通过相关计算确定，在此不再赘述。
[0008] 如图1所示，该光纤位移传感器由LED光源、宏弯辐射耦合结构以及光功率计组 成。传光光纤始端连接LED光源，终端连接光功率计Pl ;接收光纤终端连接光功率计P2,始 端用黑色盖帽密封固定，以防可见光，污染等的干扰；Pl和P2分别用以检测传光光纤和接 收光纤的输出功率。光纤位移传感器是由传光光纤和接收光纤通过双绞后形成双绞宏弯辐 射耦合结构，利用两条光纤的宏弯辐射耦合效应来检测位移的。
[0009] 当传感器位于初始状态时，入射角等于临界角，设1^为纤芯折射率，η包层折 射率，Θ为入射光线与光纤轴线的夹角（即入射角），Θ ^sin1O^1AO为临界角。
[0010] 当光纤的弯曲半径小于一定的阈值，此时，入射光在纤芯-包层界面上的入射角 小于其全内反射角（临界角）时，低阶模会向高阶模的转变，从而引起能量的损耗，即宏弯 损耗。如图3所不，其中，光纤1为接收光纤，2为传光光纤，入射光10由LED光源发出，进入 传光光纤内，直接输出光进入光功率计Pl ;发生宏弯损耗后，耦合输出光进入光功率计P2。 损耗系数为菲涅尔传输系数（the Fresnel transmission coefficient)T，表示为：
[0012] 其中，由于损耗的量不可能比传光光纤中光能量多，所以T〈l。
[0013] 双绞宏弯福射親合结构的始?而固定，为固定?而，终?而移动，为移动?而。当移动?而背 向始端移动，则双绞宏弯辐射耦合结构的圆周部分的半径R逐渐减小，入射角θ将随之改 变，则T将随之增大，此时传光光纤的损耗功率将增大。若输入的总功率为Ρ。，则损耗的功 率（理论上，等于Ρ。减去光功率计Pl的测得值）表示为：
[0014] P0 · T............................................................... (2);
[0015] 宏弯辐射的光能量将在传光光纤外部空间形成辐射场。当接收光纤足够接近传光 光纤，辐射场的部分光进入接收光纤而重新分布，沿接收光纤轴线传播，其光能量受到耦合 系数K的影响。
[0016] 假设两根裸光纤之间的耦合系数为常数Κ，则接收光纤接收到的光功率Pglft为：
[0017] P接收=P0 · T · K......................................................... (3)；
[0018] 同时，接收光纤也处于弯曲状态，接收光纤中的能量也将辐射出去，其损耗的功率 为Psft，表示为：
[0019] = P1 * T = P0 · T · K · T............................................. (4);
[0020] 由式⑶和⑷得，接收光纤的输出功率为：
[0021] P2= P 挪-P损耗
[0022] = P0TK-P0T2K
[0023] = PK (Τ-Τ2)......................................................· · (5);
[0024] 当0〈Τ〈1时，P2随着T增大而增大。因此，当入射角等于临界角时，不发生宏弯辐 射，接收光纤的输出功率为一最小固定值；移动端不断位移，使得宏弯辐射耦合结构的圆周 部分的半径不断减少，接收光纤的输出功率随着宏弯半径R的减小而增大。其中，接收光纤 的输出功率可以直接由光功率计Ρ2测得。当移动端随着滑动杆移动时，光功率计Ρ2所测 光功率随之改变，从图5中可知，宏弯辐射耦合结构的移动端的位移与Ρ2端输出功率之间 存在一一对应的关系，且属于单调函数。根据P2端输出功率的变化可以直接由图6中查找 出位移的变化量，实现位移检测。
[0025] 本发明设计合理，提出了一种基于宏弯损耗效应的光纤位移传感器，其测量范围 达到140mm，其分辨率达到8um，实现了在较大尺度范围内具有微尺度分辨率位移传感。另 外，本位移传感器结构简单，成本低廉，易于布置，可应用于桥梁变形检测，结构损伤检测等 领域，具有广泛的应用前景。
【附图说明】
[0026] 图1表示光纤位移传感器的原理示意框图。
[0027] 图2表不传光光纤和接收光纤双绞后形成的宏弯福射親合结构不意图。