非对称双芯光纤的弯曲测量结构、实验仪器以及传感器

1.本发明涉及弯曲检测技术领域，尤其涉及一种非对称双芯光纤的弯曲测量结构、实验仪器以及传感器。


背景技术：

2.弯曲检测是测定材料承受弯曲载荷时的力学特性的试验，是材料机械性能试验的基本方法之一。并且，在进行弯曲检测时，还需要测得材料的弯曲程度，以此得出材料的力学特性。
3.现有技术中，为了实现对弯曲程度和弯曲方向的测量，可采用在被测物的延伸方向上设多组光电测头，通过成像计算测量点的位置偏差，来判断被测物的弯曲程度。
4.但是，现有技术中给出的弯曲测量结构和方法中，限定了被测物的形状和测量结构的方位，很难做到全空间范围内的矢量测量，且测量结构复杂，同时，测量灵敏度较低。


技术实现要素：

5.本发明提供一种非对称双芯光纤的弯曲测量结构、实验仪器以及传感器，用以解决现有技术中弯曲测量结构复杂且灵敏度较低的缺陷，实现提高弯曲测量的灵敏度。
6.本发明提供一种非对称双芯光纤的弯曲测量结构，包括：
7.光纤传感单元，所述光纤传感单元至少包括一段双芯光纤，所述双芯光纤具有两非对称的纤芯；
8.弯曲板，所述光纤传感单元固定于所述弯曲板上，且所述光纤传感单元沿所述弯曲板的一端至另一端平直延伸布置；
9.光源，所述光源连接于所述光纤传感单元的一端的端口；
10.光电检测装置，所述光电检测装置连接于所述光纤传感单元的另一端的端口。
11.根据本发明提供的一种非对称双芯光纤的弯曲测量结构，两所述纤芯的截面尺寸不同。
12.根据本发明提供的一种非对称双芯光纤的弯曲测量结构，两所述纤芯的折射率不同。
13.根据本发明提供的一种非对称双芯光纤的弯曲测量结构，两所述纤芯的中心线均位于一以所述双芯光纤的中心为圆心的圆上。
14.根据本发明提供的一种非对称双芯光纤的弯曲测量结构，所述双芯光纤的长度为10mm-15mm。
15.根据本发明提供的一种非对称双芯光纤的弯曲测量结构，所述光纤传感单元还包括两个单模光纤和两个多模光纤，其中一所述单模光纤、其中一所述多模光纤、所述双芯光纤、另一所述多模光纤以及另一所述单模光纤依序相连，其中一单模光纤端部的端口连接所述光源，另一所述单模光纤端部的端口连接所述光电检测装置。
16.根据本发明提供的一种非对称双芯光纤的弯曲测量结构，所述光源为宽带光源。
17.根据本发明提供的一种非对称双芯光纤的弯曲测量结构，所述光电检测装置为光谱分析仪。
18.本发明还提供一种实验仪器，包括第一支架、第二支架以及如上述任一种所述的非对称双芯光纤的弯曲测量结构；
19.所述第一支架设有第一支撑杆，所述第一支撑杆连接于所述弯曲板的一端，所述第二支架设有可移动的第二支撑杆，所述第二支撑杆连接于所述弯曲板的另一端，所述第二支撑杆朝向或远离所述第一支撑杆的方向移动，所述弯曲板的两端位于同一水平面。
20.本发明还提供一种传感器，包括如上述任一种所述的非对称双芯光纤的弯曲测量结构；
21.所述弯曲板的两端固定于待测物体的表面。
22.本发明提供的上述方案与现有技术相比，具有以下优点：
23.本发明的非对称双芯光纤的弯曲测量结构是基于光纤模式干涉原理，测量灵敏度高；
24.本发明的非对称双芯光纤的弯曲测量结构，利用非对称双芯光纤将传感臂和参考臂集成在同一根光纤中，结构紧凑，可以有效降低外界扰动对测量结果的影响，提高了系统的稳定性；
25.本发明的非对称双芯光纤的弯曲测量结构，利用双芯光纤的非对称结构使得其在弯曲时用于辨别弯曲方向具有很大的优势。该非对称双芯光纤在受到外界影响而产生弯曲时，因为对不同方向的弯曲灵敏度不同，可以实现对不同弯曲方向的辨别；
26.本发明的非对称双芯光纤的弯曲测量结构，不需要错位熔接或拉锥，也不需要腐蚀，制作过程简单，成本低。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1是本发明提供的非对称双芯光纤的弯曲测量结构的结构示意图；
29.图2是本发明提供的非对称双芯光纤的弯曲测量结构的双芯光纤的截面结构示意图；
30.图3是本发明提供的实验仪器的光电检测装置得到的干涉光谱图之一；
31.图4是本发明提供的实验仪器的光电检测装置得到的干涉光谱图之二；
32.附图标记：
33.10：光纤传感单元；11：双芯光纤；111：第一纤芯；112：第二纤芯；12：单模光纤；13：多模光纤；20：光源；30：光电检测装置；41：第一支架；411：第一支撑杆；42：第二支架；421：第二支撑杆；422：微位移调节旋钮。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本
发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.下面结合图1-图4描述本发明的非对称双芯光纤的弯曲测量结构、实验仪器以及传感器。
36.请结合参阅图1和图2，本发明实施例中，非对称双芯光纤的弯曲测量结构，包括：
37.光纤传感单元10，所述光纤传感单元10至少包括一段双芯光纤11，所述双芯光纤11具有两非对称的纤芯；
38.弯曲板，所述光纤传感单元10固定于所述弯曲板上，且所述光纤传感单元10沿所述弯曲板的一端至另一端平直延伸布置；
39.光源20，所述光源20连接于所述光纤传感单元10的一端的端口；
40.光电检测装置30，所述光电检测装置30连接于所述光纤传感单元10的另一端的端口。
41.上述结构中，双芯光纤11包括两个纤芯和外周的包层，两光纤是非对称的，此处所说的非对称可以为两光纤的截面大小不同，也可为布置位置不同，也即布置位置为非绕双芯光纤11的中心对称，这样，会使得两个纤芯对外界弯曲变化敏感程度不一致的特性，在不同的弯曲程度和方向下，所产生的干涉光谱也会不同，以实现对弯曲程度的测量和对弯曲方向的辨别。
42.另外，弯曲板则是为了搁置并固定光纤传感单元10的结构，保证光纤传感单元10在未弯曲的状态下是呈平直的，以实现较高灵敏度的测量，本实施例中，弯曲板是切割良好、表面光滑、弯曲后能基本恢复原状的材料，可选为黄铜片，光纤传感单元10可以是通过粘贴固定在弯曲板上的。
43.此外，光源20为提供光信号的结构，光电检测装置30则为接收光信号的结构，通过所接收的光信号得到的干涉光谱的偏移，实现对曲率的有效测量。
44.本实施例中，利用双芯光纤11的非对称结构，使得其在弯曲时，两个纤芯对外界弯曲变化敏感程度不一致，这样，以实现对弯曲程度的测量和对弯曲方向的辨别。并且，双芯光纤11将传感臂和参考臂集成在同一根光纤中，结构紧凑，可以有效降低外界扰动对测量结果的影响，提高了系统的稳定性。相较于现有技术而言，本发明给出的非对称双芯光纤的弯曲测量结构，实现了全空间范围内的矢量测量，提高了弯曲测量的灵敏度，且结构简单成本较低。
45.请结合参阅图2，本发明一实施例中，两所述纤芯的截面尺寸不同。
46.此处所给的两纤芯为一大一小的两个纤芯，从而实现上述所说的非对称结构。这样，尺寸不同的纤芯的有效折射率对外界弯曲变化敏感程度不同，通过监测宽谱光干涉峰或者干涉谷的波长漂移，或者监测可调谐窄谱光的干涉强度的变化来测量曲率的变化。
47.在另一实施例中，两所述纤芯的折射率不同。
48.折射率不同的纤芯，在对外界弯曲变化敏感程度也是不同，从而实现弯曲程度的测量和对弯曲方向的辨别。本实施例中，所给出的两个纤芯直径是不同的，两个纤芯的折射率可以是相同的，也可是不同的。
49.请结合参阅图2，此外，本发明一实施例中，两所述纤芯的中心线均位于一以所述
双芯光纤11的中心为圆心的圆上。
50.这样，相较于其中一纤芯位于中心的双芯光纤11结构而言，该实施例给出的纤芯的布置结构，对外界弯曲变化更为灵敏，且使得其在弯曲时用于辨别弯曲方向具有很大的优势。
51.另外，所述双芯光纤11的长度为10mm-15mm。
52.可选的，双芯光纤11的长度为10mm、12mm或15mm，处于该长度范围内的双芯光纤11，测量的灵敏度最佳，能准确测得弯曲程度并辨别弯曲方向。
53.进一步的，两光纤之间的间距小于17μm，可选为15μm，以实现高灵敏度的测量。
54.请结合参阅图1，本发明一实施例中，所述光纤传感单元10还包括两个单模光纤12和两个多模光纤13，其中一所述单模光纤12、其中一所述多模光纤13、所述双芯光纤11、另一所述多模光纤13以及另一所述单模光纤12依序相连，其中一单模光纤12端部的端口连接所述光源20，另一所述单模光纤12端部的端口连接所述光电检测装置30。
55.该实施例中，其中一所述单模光纤12、其中一所述多模光纤13、所述双芯光纤11、另一所述多模光纤13以及另一所述单模光纤12是依序熔接实现连接的。
56.光在从其中一单模光纤12至其中一多模光纤13的传输过程中，由于模场失配，单模光纤12纤芯中的光一部分传输到多模光纤13纤芯中，另一部分传输到多模光纤13的包层中，并激发出高阶包层模，此时多模光纤13作为光分离器；光在从其中一多模光纤13至双芯光纤11的传输过程中，多模光纤13纤芯中的光绝大部分传输到双芯光纤11纤芯中，剩下少部分传输到非对称双芯光纤11的包层中，并激发出高阶包层模；由于双芯光纤11两根纤芯的折射率分布存在差异，两种纤芯模式传输的两部分光的传播常数不同，因此两种纤芯模式之间存在相位差，从而引起模式干涉；光在从双芯光纤11至另一多模光纤13的传输过程中，两种纤芯模式的光又重新耦合进多模光纤13的纤芯中，此时多模光纤13作为光耦合器；光从另一多模光纤13传输至另一单模光纤12，由单模光纤12传输，并由光电检测装置30接收，以实现检测。
57.为了熔接光纤传感单元10的各个光纤，使用熔接机对单模光纤12和多模光纤13进行熔接，通过光纤端面定位仪观察双芯光纤11的方向，并用胶条或其他物品进行辅助标记；标记完成之后，将熔接好的单模光纤12-多模光纤13结构和双芯光纤11的一端进行熔接；最后对双芯光纤11的另一端和熔接好的另一段多模光纤13-单模光纤12结构进行切割、熔接。上述结构中，光纤传感单元10的各个光纤均是直接熔接实现连接的，不需要错位熔接或拉锥，也不需要腐蚀，制作过程简单，成本低。
58.请结合参阅图1，本发明一实施例中，所述光源20为宽带光源20。
59.通过监测宽谱光干涉峰或者干涉谷的波长漂移，以实现测量。当然，光源20还可以为可调谐窄带光源20，通过可调谐窄谱光的干涉强度的变化来测量曲率的变化。
60.另外，所述光电检测装置30为光谱分析仪。
61.通过光谱分析仪可获得干涉光谱，以此实现测量。当然，光电检测装置30还可为光功率计，通过对干涉强度的变化，实现测量。
62.基于上述实施例，本发明给出了光源20为宽带光源20，光电检测装置30为光谱分析仪进行测量的原理。
63.该实施例中双芯光纤11由第一纤芯111、第二纤芯112和包层组成。设双芯光纤11
的长度为l，第一纤芯111和第二纤芯112的折射率分别为和双芯光纤11包层折射率为n。那么根据模式干涉原理，光波在双芯光纤11中传输时，双芯模式之间发生干涉，干涉后的总光强可表示为：
[0064][0065]
上式中，i1和i2分别表示第一纤芯111和第二纤芯112的光强，
△
δ表示两种模式间积累的相位差，可表示为：
[0066][0067]
其中，l为非对称双芯光纤11的长度，λ为光波长，其中，l为非对称双芯光纤11的长度，λ为光波长，表示第一纤芯111模式有效折射率与第二纤芯112模式有效折射率的差。
[0068]
若干涉光谱的累积相位差满足以下关系：
[0069][0070]
则可计算得到干涉谱中m阶干涉的中心波长，可表示为：
[0071][0072]
当外界环境的物理量(如曲率)发生变化时，非对称双芯光纤11纤芯和包层区域的折射率分布会发生变化，从而使得与发生改变，从而导致两种模式中传输光波的累积相位差
△
δ发生改变，造成干涉光谱发生漂移。
[0073]
利用该模型结构制成的非对称双芯光纤的弯曲测量结构，在曲率(1.79m-1-5.92m-1
)范围内，当弯曲方向为+y时，弯曲灵敏度可达-38.94nm/m-1
，当弯曲方向为-y时，弯曲灵敏度可达36.34nm/m-1
。
[0074]
请结合参阅图1，本发明还提供一种实验仪器，包括第一支架41、第二支架42以及上述非对称双芯光纤的弯曲测量结构；
[0075]
所述第一支架41设有第一支撑杆411，所述第一支撑杆411连接于弯曲板的一端，所述第二支架42设有可移动的第二支撑杆421，所述第二支撑杆421连接于所述弯曲板的另一端，所述第二支撑杆421朝向或远离所述第一支撑杆411的方向移动，所述弯曲板的两端位于同一水平面。
[0076]
基于上述弯曲测量结构，此处给出了一种实验仪器，用作获得不同弯曲程度下的干涉光谱，本实施例中，弯曲板通过第一支撑杆411和第二支撑杆421实现支撑，并且，保证弯曲板两端的连接部始终处于同一水平面，此处，第一支撑杆411和第二支撑杆421的顶部具有螺纹柱，分别抵接于弯曲板两端的缺口处，弯曲板的两端的缺口卡嵌在螺纹柱的螺纹槽隙内，以固定弯曲板的位置，第一支撑杆411保持不动，通过第二支撑杆421朝向第一支撑杆411移动，以此弯曲弯曲板，进而弯曲光纤传感单元10，光电检测装置30从而获得不同弯曲程度和弯曲方向的测量结果。
[0077]
具体的，第二支架42上设有微位移调节旋钮422，微位移调节旋钮422与第二支撑
杆421通过齿轮组相连接，通过旋钮微位移调节旋钮422以实现第二支撑杆421的移动，进而改变外界曲率，由于双芯光纤11的非对称结构，使得两个纤芯中传输的光信号的光程差会发生变化，在光电检测装置30为光谱分析仪时，会引起光谱分析仪显示的干涉谱发生漂移。
[0078]
图3为利用该实验仪器在弯曲方向为+y，曲率范围为1.79m-1-5.92m-1
情况下的光谱。
[0079]
图4为利用该实验仪器在弯曲方向为-y，曲率范围为1.79m-1-5.92m-1
情况下的光谱。
[0080]
此外，本发明还提供一种传感器，包括上述非对称双芯光纤的弯曲测量结构；
[0081]
所述弯曲板的两端固定于待测物体的表面。
[0082]
这样，通过将弯曲板固定在待测物体的表面，通过光电检测装置30接收到的测量结果，可以判断待测物体的弯曲程度和弯曲方向，实现高灵敏度的测量，且结果简单，成本较低。
[0083]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。