一种基于相移光纤布拉格光栅的扭转传感器的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种基于相移光纤布拉格光栅的扭转传感器，利用相移光纤布拉格光栅进行双向扭转传感，能够对扭转角度和方向进行高精度传感测量。
【背景技术】
[0002]由于扭转是智能工程监测中反映基础设施内部退化情况的重要物理参数，扭转传感器近年来吸引了众多研究者的兴趣。传统的扭转传感器主要分为以下两类:一是基于电学方法的扭转传感器，此类传感器易受电噪声及温度的干扰;二是基于电磁感应现象的扭转传感器，此类传感器体积庞大，且易受电磁干扰。光纤扭转传感器，特别是基于光纤光栅的扭转传感器由于其具有体积小、可绕性好、便于埋入结构内部、成本低、精度高、重量轻等优点，被广泛应用于扭转测量。目前，光纤扭转传感器主要是基于长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅，前者机械强度差、易受温度和应力的影响，后者存在成本高、灵敏度低等缺点。因此，目前迫切需要制作出灵敏度高、体积小、对温度及应力变化不敏感、成本低的光纤光栅扭转传感器。
【发明内容】
[0003]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于相移光纤布拉格光栅的扭转传感器，灵敏度高，体积小，对温度和应力变化不敏感，且成本低，能用于需要测量扭转角度和方向的各种场合。
[0004]为实现上述目的，本发明提供了一种扭转传感器，包括宽带光源、光纤起偏器、光纤偏振控制器、相移光纤布拉格光栅和光谱仪，宽带光源通过单模光纤依次连接光纤起偏器、光纤偏振控制器、相移光纤布拉格光栅和光谱仪;工作时，宽带光源发出的光依次通过光纤起偏器、光纤偏振控制器和相移光纤布拉格光栅，相移光纤布拉格光栅的透射谱显不在光谱仪上，通过调节光纤偏振控制器设定进入相移光纤布拉格光栅的入射光的初始偏振态，通过将相移光纤布拉格光栅发生扭转后得到的透射谱的两个偏振透射峰的幅度差值作为传感编码，解码后得到待测物体的扭转角度和扭转方向。
[0005]优选地，通过增加相移光纤布拉格光栅的长度或者折射率调制深度，提高相移光纤布拉格光栅的透射谱深度，进而提高扭转传感器的灵敏度。
[0006]优选地，相移光纤布拉格光栅为多个，多个相移光纤布拉格光栅具有不同的中心波长，级联设置在光纤偏振控制器和光谱仪之间，使扭转传感器能同时实现多点测量。
[0007]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果:
[0008](1)灵敏度高，以相移布拉格光栅两个偏振峰的幅度差值作为编码，有效的提高了灵敏度，与现有类似技术相比，本发明的传感器的灵敏度至少提高了一个数量级。
[0009](2)体积小，目前基于光纤光栅的扭转传感器所采用的光栅长度一般在5mm以上，本发明的扭转传感器中的相移光纤布拉格光栅可采用飞秒逐线刻写得到，四阶光栅的长度仅为1.7_，二阶光栅的长度可减小至1_以下。
[0010](3)对温度和应力变化不敏感，由于属于不同偏振模式的两个偏振峰具有相同的温度和应力响应，其幅度不会受到温度和应力变化的影响，从而使本发明的扭转传感器具有对温度和应力变化不敏感的优点。
[0011](4)成本低，本发明的扭转传感器中的相移光纤布拉格光栅可通过直接刻写在单模光纤上得到，与现有技术中基于保偏光纤布拉格光栅的扭转传感器相比，单模光纤造价低，同时解调装置仅需光谱仪，无需使用价格十分昂贵的偏振相关损耗测量计，而且可使用功率计代替光谱仪进一步降低成本。
【附图说明】
[0012]图1是本发明实施例的基于相移光纤布拉格光栅的扭转传感器的结构示意图；
[0013]图2(a)是π相移光纤布拉格光栅在扭转作用下的透射谱；
[0014]图2(b)是π相移光纤布拉格光栅在不同的扭转角度和方向下的两个偏振透射峰的幅度差值响应。
[0015]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中:1_宽带光源，
2-单模光纤，3-光纤起偏器，4-光纤偏振控制器，5-光纤夹持夹具，6-相移光纤布拉格光栅，7-光纤扭转夹具，8-光谱仪。
【具体实施方式】
[0016]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0017]如图1所不，本发明实施例的基于相移光纤布拉格光栅的扭转传感器包括宽带光源1、光纤起偏器3、光纤偏振控制器4、相移光纤布拉格光栅6和光谱仪8。宽带光源1通过单模光纤2依次连接光纤起偏器3、光纤偏振控制器4、相移光纤布拉格光栅6和光谱仪8。
[0018]宽带光源1发出的光依次通过光纤起偏器3、光纤偏振控制器4、相移光纤布拉格光栅6，相移光纤布拉格光栅6的透射谱清晰地显示在光谱仪8上。通过调节光纤偏振控制器4设定进入相移光纤布拉格光栅6的入射光的初始偏振态，由于光栅结构引入的双折射，相移光纤布拉格光栅6的透射谱与入射光的偏振态相关。
[0019]在光纤偏振控制器4和相移光纤布拉格光栅6之间的单模光纤上设置光纤夹持夹具5，用于将相移光纤布拉格光栅6的一端固定，在相移光纤布拉格光栅6和光谱仪8之间的单模光纤上设置光纤扭转夹具7，用于扭转相移光纤布拉格光栅6，模拟扭转传感器感知待测物体发生扭转的情况。
[0020]在入射光偏振态为0°或90°时，相移光纤布拉格光栅6的透射谱中间仅有一个透射峰，通过光纤扭转夹具7对相移光纤布拉格光栅6施加一定角度的扭转，使入射光的偏振态随之发生变化，透射谱中的单个透射峰分裂成两个透射峰，将扭转引起的两个偏振透射峰的幅度差值作为传感编码，解码后得到相移光纤布拉格光栅6的扭转角度和扭转方向。
[0021]在入射光偏振态为大于0°且小于90°时，相移光纤布拉格光栅6的透射谱中的单个透射峰分裂为两个偏振透射峰。例如，调节光纤偏振控制器4将入射光的初始偏振态设定为45°，通过光纤扭转夹具7对相移光纤布拉格光栅6施加正向或反向不同角度的扭转，使进入相移光纤布拉格光栅6的入射光的偏振态随之发生变化，进而引起相移光纤布拉格光栅6的透射谱中的两个偏振透射峰的幅度发生变化，扭转传感器将变化后的两个偏振透射峰的幅度差值作为传感编码，解码后得到相移光纤布拉格光栅6的扭转角度和扭转方向。
[0022]优选地，通过增加相移光纤布拉格光栅6的长度或者其折射率调制深度，提高相移光纤布拉格光栅6的透射谱深度，进而提高扭转传感器的灵敏度。
[0023]优选地，扭转传感器包括多个中心波长不同的相移光纤布拉格光栅，这多个相移光纤布拉格光栅级联设置在光纤偏振控制器4和光谱仪8之间，使扭转传感器能同时实现多点测量。
[0024]下面结合具体实施例对本发明的基于相移光纤布拉格光栅的扭转传感器进行详细说明。
[0025]入射光的初始偏振态为45°，相移光纤布拉格光栅6的相移为π，其长度为1.7mm，扭转测试光纤长度为20cm。分别记录相移光纤布拉格光栅6在顺时针方向分别扭转0°、20°、40°、60°和80°情况下的透射谱，如图2(a)所示，可以很明显地观察到两个偏振透射峰的幅度与扭转角度相关。图2 (b)是π相移光纤布拉格光栅在不同的扭转角度和方向下的两个偏振透射峰的幅度差值响应，可以看出相移光纤布拉格光栅6的两个偏振透射峰的幅度差值随扭转角呈正弦函数周期性变化。在顺时针方向140°到240°和逆时针方向100°到210°两个区间分别进行线性拟合，所得到的拟合直线的斜率分别为0.0819和-0.08778，对应的灵敏度分别高达963.53dB/(rad/mm)和-1032.71dB/(rad/mm)，明显高于现有技术的28dB/(rad/mm) ο
[0026]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种扭转传感器，其特征在于，包括宽带光源、光纤起偏器、光纤偏振控制器、相移光纤布拉格光栅和光谱仪，所述宽带光源通过单模光纤依次连接所述光纤起偏器、所述光纤偏振控制器、所述相移光纤布拉格光栅和所述光谱仪;工作时，所述宽带光源发出的光依次通过所述光纤起偏器、所述光纤偏振控制器和所述相移光纤布拉格光栅，所述相移光纤布拉格光栅的透射谱显示在所述光谱仪上，通过调节所述光纤偏振控制器设定进入所述相移光纤布拉格光栅的入射光的初始偏振态，通过将所述相移光纤布拉格光栅发生扭转后得到的透射谱的两个偏振透射峰的幅度差值作为传感编码，解码后得到待测物体的扭转角度和扭转方向。2.如权利要求1所述的扭转传感器，其特征在于，通过增加所述相移光纤布拉格光栅的长度或者折射率调制深度，提高所述相移光纤布拉格光栅的透射谱深度，进而提高所述扭转传感器的灵敏度。3.如权利要求1或2所述的扭转传感器，其特征在于，所述相移光纤布拉格光栅为多个，所述多个相移光纤布拉格光栅具有不同的中心波长，级联设置在所述光纤偏振控制器和所述光谱仪之间，使所述扭转传感器能同时实现多点测量。
【专利摘要】本发明公开了一种基于相移光纤布拉格光栅的扭转传感器。包括宽带光源、光纤起偏器、光纤偏振控制器、相移光纤布拉格光栅和光谱仪，宽带光源通过单模光纤依次连接光纤起偏器、光纤偏振控制器、相移光纤布拉格光栅和光谱仪；通过调节光纤偏振控制器设定进入相移光纤布拉格光栅的入射光的初始偏振态，通过将相移光纤布拉格光栅发生扭转后得到的透射谱的两个偏振透射峰的幅度差值作为传感编码，解码后得到待测物体的扭转角度和扭转方向。该传感器灵敏度高，体积小，对温度和应力变化不敏感，且成本低，能用于需要测量扭转角度和方向的各种场合。
【IPC分类】G01B11/26, G01P13/02
【公开号】CN105466362
【申请号】CN201510873422
【发明人】舒学文, 黄波
【申请人】华中科技大学
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2015年12月2日