一种采用多芯光纤测量多方向位移的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种使用多芯光纤用于测量多方向位移的方 法。
【背景技术】
[0002] 光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能；径细、质软、重 量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等。因此，光 纤传感器可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、应变、温度、速度、位移等。目前， 光纤的应用主要是基于单芯光纤，但是，单芯光纤中由于只有一束光的传输，只能对于一个 方向的物理量进行测量。随着光纤技术的不断发展，各种新型结构光纤也日益得到发展， 出现了二芯、四芯、六芯等多芯光纤，四芯光纤干涉图样为正方形分布的光斑，很容易实现 莫尔编码，这对四芯光纤在用于光纤传感方面提供了很大的优越性，如果是高双反射率保 偏光纤，还可通过控制四个纤芯的偏振角来调节调制度。但市场上还没有采用多芯光纤进 行物理量测量的实践，尤其是对多方向的位移测量。
【发明内容】
[0003] 本发明提供一种采用多芯光纤测量多方向位移的方法。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
[0005] -种采用多芯光纤测量多方向位移的方法，包括如下步骤：
[0006] 1)对多芯光纤的至少一个纤芯端面进行45°的反射镜面加工，至少一个纤芯 45°反射镜面的反射方向与多芯光纤端面的垂直方向呈空间立体垂直；
[0007] 2)将加工完成的多芯光纤固定在被测物体上，被测物体沿多芯光纤端面的平行或 垂直方向移动产生第一方向的位移；
[0008] 3)多芯光纤端面的反射光与镜面物体的反射光形成干涉，得到光强信号的条纹对 比度V，如下式所示：
[0010] 其中1^，12分别为多芯光纤端面反射光和镜面物体反射光的光强；
[0011] 4)由步骤3)得到的条纹对比度V，结合光强信号的表达式，得到干涉信号IR，如下 式所示：
[0013] 其中I。是直流分量，η为光纤反射率，L为腔长，％为初相位，该初相位％-般取 值:π或〇 ;
[0014] 5)将步骤4)的干涉信号^进行标准化处理，根据频率与波长的关系，将
带 入干涉信号IR的式中，得到光谱信号：
[0016] 6)对步骤5)得到的光谱信号进行采样处理，将频率v看成独立变量，将横坐标λ 转换为^，利用MATLAB中的插值算法，对得到的光谱信号重新取样到频域进行快速傅里叶 变换，得到干涉信号的频域图像，第一个峰值对应于直流分量'第二个峰值则对应于干涉 信号频率f，计算腔长L，如下式所示：
[0018] 7)解调出腔长变化，测得第一方向上的位移，重复上述步骤，依次测得多方向移动 产生的位移。
[0019] 优选地，所述多芯光纤末端的45°反射镜面上涂覆有铂层。
[0020] 由以上技术方案可知，本发明利用多芯光纤45°镜面的反射和透射作用，使得光 纤端面的反射光与镜面物体的反射光形成干涉，再根据快速傅里叶变换为基础的算法可以 解调出腔长变化，从而测得物体多个方向上的位移，测量精度高。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明的测量原理图，示出了两个方向的测量；
[0022] 图2为图1的侧视图。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。
[0024] 本发明多芯光纤测量多方向位移使用到的设备有激光器、光纤光栅解调仪、扇出 装置、光电探测器、采集卡及电脑，其中激光器作为光源，多芯光纤与光电探测器之间所接 的扇出装置也是测量系统的重要一环，其作用是将所接入多芯光纤的每根纤芯以单模光纤 的形式输出，单模光纤被放在一个V型槽阵列中。安装时，首先将四个单模光纤组成的V型 槽阵列耦合在扇出装置的V型槽端口，通过使用反射率匹配凝胶和一个手动的三维平移台 进行调整来完成，然后，采用同样的方法将多芯光纤直接耦合在扇出装置的多芯光纤端口。
[0025] 本实施例中采用四芯光纤来进行位移测量，可测量两方向和三方向的位移，利用 聚焦离子束加工技术对四芯光纤的末端进行加工，将纤芯端面加工成45°的反射镜面，其 中测量二维方向时，参照图1和2,取四芯光纤10中的两根纤芯进行测量，其中一根纤芯12 的端面加工为45°反射镜面，另外一根纤芯11端面不做处理，纤芯45°反射镜面的反射方 向与多芯光纤端面的垂直方向垂直，四芯光纤10水平侧端和下端分别放置镜面物体20和 镜面物体30,纤芯11和纤芯12端面的反射光与镜面物体20和镜面物体30的反射光形成 干涉，再根据以快速傅里叶变换为基础的算法可以解调出腔长变化，从而测得二维方向上 的位移。
[0026] 当测量三维方向时，取四芯光纤中的三根纤芯进行测量，其中两根纤芯的端面加 工为45°反射镜面，另外一根纤芯的端面不做处理，两个纤芯45°反射镜面的反射方向与 多芯光纤端面的垂直方向呈空间立体垂直。扇出装置将三根光纤接入光电探测器即可对三 维方向进行位移测量，通过对于各方向的光谱数据进行解调即可得到位移量。
[0027] 二维方向的测量步骤具体描述如下：
[0028] 步骤一、将加工完成的多芯光纤固定在被测物体上，被测物体沿多芯光纤端面的 平行方向（前后方向）移动产生第一方向的位移；
[0029] 步骤二、纤芯11端面的反射光与镜面物体20的反射光形成干涉，得到光强信号的 条纹对比度V，如下式所示：
[0031] 其中1^，12分别为多芯光纤端面反射光和镜面物体反射光的光强；
[0032] 步骤三、由式（1)得到的条纹对比度V，结合光强信号的表达式，得到干涉信号IR， 如下式所示：
[0034] 其中I。是直流分量，η为光纤反射率，一般取1. 46, L为腔长，條为初相位，初相位 興一般取值π或〇 ;
[0035] 步骤四、将式（2)的干涉信号^进行标准化处理，根据频率与波长的关系，将
带入干涉信号IR的式中，得到光谱信号：
[0037] 步骤五、对式（3)得到的光谱信号进行采样处理，将频率v看成独立变量，将横坐 标λ转换为I:，利用MATLAB中的插值算法，对得到的光谱信号重新取样到频域进行快速傅 Λ. 里叶变换，得到干涉信号的频域图像，腔长由频域图的峰值位置来确定，第一个峰值对应于 直流分量'第二个峰值则对应于干涉信号频率f，计算腔长L，如下式所示：
[0039] 步骤六、解调出腔长变化，测得端面的平行方向（前后方向）上的位移；
[0040] 步骤七、被测物体沿多芯光纤端面的垂直方向移动产生第二方向的位移，利用纤 芯12端面的45°反射镜面的反射光与镜面物体30的反射光形成干涉，采用上述步骤中的 算法，测得第二方向上移动产生的位移。
[0041] 对于地貌的测量与确定，可以通过改变多芯光纤中各纤芯的镜面角度，移动多芯 光纤后，由干涉信号经过解调算法得到地貌的形状，采用上述的解调算法，得到各纤芯探测 所得腔长的差别，从而确定地貌的变化。
[0042] 以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范 围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方 案作出的各种变形和改进，应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
【主权项】
1. 一种采用多芯光纤测量多方向位移的方法，其特征在于，包括如下步骤： 1) 对多芯光纤的至少一个纤芯端面进行45°的反射镜面加工，至少一个纤芯45°反 射镜面的反射方向与多芯光纤端面的垂直方向呈空间立体垂直； 2) 将加工完成的多芯光纤固定在被测物体上，被测物体沿多芯光纤端面的平行或垂直 方向移动产生第一方向的位移； 3) 多芯光纤端面的反射光与镜面物体的反射光形成干涉，得到光强信号的条纹对比度 V，如下式所示：其中I1, I2分别为多芯光纤端面反射光和镜面物体反射光的光强； 4) 由步骤3)得到的条纹对比度V，结合光强信号的表达式，得到干涉信号Ir，如下式所 示：其中I。是直流分量，η为光纤反射率，L为腔长，约:为初相位； 5) 将步骤4)的干涉信号^进行标准化处理，根据频率与波长的关系，将带入干 涉信号Ir的式中，得到光谱信号：6) 对步骤5)得到的光谱信号进行采样处理，将频率V看成独立变量，将横坐标λ转 换为I，利用MATLAB中的插值算法，对得到的光谱信号重新取样到频域进行快速傅里叶变 乂 换，得到干涉信号的频域图像，第一个峰值对应于直流分量'第二个峰值则对应于干涉信 号频率f，计算腔长L，如下式所示：7) 解调出腔长变化，测得第一方向上的位移，重复上述步骤，依次测得多方向移动产生 的位移。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多芯光纤末端的45°反射镜面上涂 覆有铂层。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中初相位你取值π或〇。
【专利摘要】本发明提供一种采用多芯光纤测量多方向位移的方法，利用多芯光纤45°镜面的反射和透射作用，使得光纤端面的反射光与镜面物体的反射光形成干涉，再根据快速傅里叶变换为基础的算法可以解调出腔长变化，从而测得物体多个方向上的位移，测量精度高。
【IPC分类】G01B11/02
【公开号】CN105352441
【申请号】CN201510901019
【发明人】李俊, 徐胜明, 董凤忠, 罗渊敏, 朱莉莎
【申请人】安徽中科智泰光电测控科技有限公司
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年12月6日