一种带空气间隙的光纤弯曲传感器的制造方法

文档序号:10978297阅读:478来源:国知局
一种带空气间隙的光纤弯曲传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种带空气间隙的光纤弯曲传感器,采用单模阶跃光纤,包括纤芯和包层,在光纤的上部开设一个一定宽度和深度的间隙,构成带空气间隙的光纤弯曲传感器,将带空气间隙的光纤弯曲传感器粘贴在测量结构上,开口端向外侧,当光纤跟随测量结构发生弯曲时,随着弯曲角度的变化,通过这个空气间隙的光强也发生变化,通过测量通过空气间隙的光强衰减得到测量结构的弯曲半径。本实用新型可以直接测量光强,不需要昂贵的光谱分析仪等设备,同时提高了测量灵敏度。
【专利说明】
-种带空气间隙的光纤弯曲传感器
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种带空气间隙的光纤弯曲传感器,属于应力应变测量技术领 域。
【背景技术】
[0002] 结构的变形弯曲,是一种重要的参数。传统的应变计利用应变与曲率之间的关系 间接推算出结构曲率,但是当结构厚度较薄时,应变可能很小,运使应变计的测量变得比较 困难。
[0003] 光纤传感器,具有耐高溫、灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性 能好、防燃防爆、体积小、结构简单,W及便于与光纤传输系统组成遥测网络等优点。光纤 Bragg传感器是近几年光纤传感器研究热点之一,用于结构弯曲检测的精度相对较高,相当 于10微应变,可检测弯曲半径在200mW下的弯曲变形。外界环境(如溫度)影响较大时,额外 还需要昂贵的光谱分析仪等设备。光强调制型光纤传感器的光纤表面未经过处理,仅仅是 利用光纤在大曲率宏弯时的光强损耗突然增大的原理制成,因此,灵敏度很低。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷,提供一种带空气间隙的 光纤弯曲传感器及弯曲测量方法,在光纤上增加一个空气间隙,作为光敏感区域,利用光损 耗同弯曲变形的有关特性检测结构的曲率。
[0005] 为解决上述技术问题,本实用新型提供一种带空气间隙的光纤弯曲传感器,包括 光纤,所述光纤采用单模阶跃光纤,包括纤忍和包层,所述纤忍的折射率为m,半径为a,所 述包层的折射率为Π 2,半径为R,在光纤的上部开设一个宽度为d、深度为Η的间隙,构成带空 气间隙的光纤弯曲传感器。
[0006] 前述的空气间隙的宽度d和测量结构的弯曲半径W之间满足如下限制:
[0007]
[000引本实用新型所达到的有益效果:
[0009] 本实用新型提出在光纤上增加一个空气间隙,作为光敏感区域,利用其光损耗同 弯曲变形的有关特性,来直接测量弯曲角度或半径,可W直接测量光强,不需要昂贵的光谱 分析仪等设备,同时提高了测量灵敏度。
【附图说明】
[0010] 图1为本实用新型的带空气间隙的光纤弯曲传感器结构示意图,图1(a)为弯曲前 结构,图1(b)为弯曲后结构;
[0011] 图2为空气间隙中光的传输示意图;
[0012] 图3为不同弯曲程度时光强衰减对比图;
[0013] 图4为光纤端面上的光斑坐标;
[0014] 图5为光纤端面上光强分量示意图;
[0015] 图6为d = 1mm情况下的仿真结果。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图对本实用新型作进一步描述。W下实施例仅用于更加清楚地说明本 实用新型的技术方案,而不能W此来限制本实用新型的保护范围。
[0017] 本实用新型的带空气间隙的光纤弯曲传感器结构如图1(a)所示,采用单模阶跃光 纤,包括纤忍和包层,纤忍的折射率为m,半径为日,包层的折射率为m,半径为R,在光纤的上 部开设一个宽度为d、深度为Η的间隙,构成带空气间隙的光纤弯曲传感器。图中,Π 3为空气 折射率。
[0018] 本实用新型的测量原理如下:
[0019] 将上述设计的带空气间隙的光纤弯曲传感器粘贴在测量结构上,开口端向外侧。 如图1(b)所示,当光纤跟随测量结构发生弯曲时,随着弯曲角度的变化,通过运个空气间隙 的光强也发生变化,通过测量通过空气间隙的光强衰减得到测量结构的弯曲半径。如图3所 示,不同弯曲程度时,光强衰减情况不同,影响光强衰减的因素主要有W下几个:
[0020] 1.光从光纤中进入开口时,在开口左侧的界面上产生Ri的反射,计对应的光强透 射率为Τι,
[0021] 根据菲涅尔定律,透射系数为:
[0022]

[0023] 光强透射率为:
[0024]
巧、
[0025] 2.进入开口的光线,有的能进入另一侧光纤,如图2间隙中的红色部分,有的不能 进入另一侧的光纤,如图2中间隙中的绿色部分,计能进入另一侧光纤的纤忍的光强透射率 为Τ2。
[0026] 由于采用单模光纤,从光纤中射入空气间隙的光线,传播方向垂直于光纤开口的 端面。在Ξ角形Δ0ΑΒ中,如图1所示,0表示弯曲圆的圆屯、,A表示光线在空气间隙一侧端面 上的出射点,B表示光线在空气间隙另一侧端面上的入射点,可知:
[0029] 其中,
[0030]
[0031] x、yl表示光线在空气间隙一侧端面上的出射点的横坐标和纵坐标,y2表示光线在 空气间隙另一侧端面上的入射点的纵坐标,横坐标与出射点相同,参见图4所示,W表示测量 结构的弯曲半径,Θ表示测量结构的弯曲角度。
[0032] 如图4所示的光纤端面上光斑坐标,当经过空气间隙的光线落在另一侧端面上的 坐标满足:
[0033]
[0034] 光线可W通过间隙,继续在光纤里传输。
[0035] 考虑到单模阶跃光纤中,相对光能量的分布,满足如下关系:
[0036] - 巧)
[0037] 其中,Jo( ·)为零阶贝塞尔函数,a为光纤纤忍半径,r为光纤中径向距离,取值范 围为:-a<r<a。!]为一无量纲的量,其值由下式决定:
[00;3 引 (伊)
[0039] 其中:J〇( . )、Ji(.)分别为零阶、一阶贝塞尔函数,Κο( · )、Κι( ·)分别为零阶、一 阶汉克尔函数;V为光纤的归一化频率,其值为:
[0044] 3.光从空气间隙进入光纤时,在另一侧光纤的端面上产生反射R3,造成光强损失, 计该部分光强透射率为Τ3。
[0045] 光纤中的光线部分能量可W通过开口,继续在光纤里传输。
[0046] 进入另一侧光纤端面上的光线的入射角为αι = θ,则根据折射定律,折射角为:
[0047]
巧)
[004引如图5所示,入射到光纤端面的光分解为/化|'|、./化,1|两个振动方向的模式。
[0049]其中,//巧',与光纤端面平行,根据菲涅尔定律,光强透射率为:
[(Κ)加 ]
(10)
[0051] /班Γι分解成平行于端面和垂直于端面的两个方向,平行于光纤端面的光强透射率 与上式相同,垂直光纤端面的光强透射率为:
[0化2]
(11)
[0053]假设,/距1'1、巧码;能量相同,则整个光强透射率为:
[0化4]
[0055] 4.由于是单模光纤,只有沿光纤轴线传输的光能够被探测器获得,将传输光强分 解为沿光纤轴线传播部分和沿光纤径向传输部分,最终能够被探测器获得的光强为沿光纤 轴线传播部分,该部分的光强透射率为Τ4:
[0056] T4=cos〇2 (13)
[0057] 整个光线通过空气间隙的透射率为:
[0化引 τ = ΤιΤ2Τ3Τ4 (14)
[0059] 则光强衰减为:ρ = 101ogio( 1-Τ)
[0060] 由此,得到了测量结构的弯曲半径与透过空气间隙的光强衰减之间的关系。
[0061] 当弯曲半径变小时,经过空气间隙再次进入光纤传输的光强将变弱,直到所有的 光线都无法再次进入光纤。
[0062] 因此,对于空气间隙宽度(d)和测量结构的弯曲半径(W)之间需要满足如下限制:
[0063] (15)
[0064] 如图6所示,为空气间隙宽度d = lmm的情况下,弯曲角度与光强衰减的模拟曲线。
[0065] W上所述仅是本实用新型的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技 术人员来说,在不脱离本实用新型技术原理的前提下,还可W做出若干改进和变形,运些改 进和变形也应视为本实用新型的保护范围。
【主权项】
1. 一种带空气间隙的光纤弯曲传感器,其特征在于,包括光纤,所述光纤采用单模阶跃 光纤,包括纤芯和包层,所述纤芯的折射率为m,半径为a,所述包层的折射率为n 2,半径为R, 在光纤的上部开设一个宽度为d、深度为Η的间隙,构成带空气间隙的光纤弯曲传感器。2. 根据权利要求1所述一种带空气间隙的光纤弯曲传感器,其特征在于,所述空气间隙 的宽度d和测量结构的弯曲半径W之间满足如下限制:
【文档编号】G01L1/24GK205669992SQ201620542213
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年6月6日
【发明人】张健, 魏峘, 赵静, 余辉龙, 覃翠
【申请人】南京工程学院
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