CN106959077A - 一种多芯光纤光栅万向弯曲传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种可用于智能材料和结构在线检测与分析，也可用于空间结构物的空间三维位置和姿态的监测与控制的以多芯光纤光栅作为基本传感单元构成的多芯光纤光栅万向弯曲传感器。本发明包括多芯光纤，具有一个中心纤芯，其余的纤芯正交式分布或对称式分布在中心纤芯周围，在该多芯光纤横向相同的部位的每个纤芯上采用同一块相位掩模板同时曝光光纤光栅，所述多芯光纤上的多个布拉格光栅的中心波长不同。本发明通过监测该多芯光纤光栅的多个反射波长的变化可实现对弯曲的幅度和方向角的测量。

Description

一种多芯光纤光栅万向弯曲传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种可用于智能材料和结构在线检测与分析，也可用于空间结构物的空间三维位置和姿态的监测与控制的以多芯光纤光栅作为基本传感单元构成的多芯光纤光栅万向弯曲传感器。

背景技术

将光纤光栅技术用于角度及弯曲传感，目前存在的主要问题有：1.一个光纤光栅传感器通常只能检测一至两个方向上的角度变化，如果增加传感信息的维数，则必须相应增加传感器的数目。2.尚不能完全解决温度交扰问题。目前减小温度交扰的方法主要是利用两根距离较近的传感器同时探测，用其中一路传感器的信号对另一路传感器信号进行温度补偿。但此种方法不能完全补偿温度的影响，而且使得传感器的数量增加一倍，增加了系统成本。

为解决上述问题，我们在光纤光栅技术的基础上应用了多芯光纤技术，从而构成一种可应用在机器人手腕和手指关节中的光纤万向弯曲传感器。由于多芯光纤中的各分立纤芯由相同的材料构成，具有相同的热膨胀系数，并且在空间上紧密地靠在一起，所以此方法的优点是可以免受温度和轴向应变的影响，可用于对绝对弯曲的测量。而且利用不同纤芯的光纤光栅对弯曲响应的差异，可以对弯曲的幅度和方向角进行测量，用一个光纤万向弯曲传感器即可完成空间任意角度和扭转姿态的传感。

本发明采用了多芯光纤光栅传感器作为基本传感单元，基于这种传感单元构成的光纤万向角度传感器不受光强波动的影响。具有结构简单、易于复用、稳定性好等一系列优点，而且利用不同纤芯的光纤光栅对弯曲响应的差异，可以实现任意方向弯曲的幅度和方向角的测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、操作调节容易的集成于一根光纤可实现空间三维姿态的多芯光纤光栅万向弯曲传感器。

本发明的目的是这样实现的：

一种多芯光纤光栅万向弯曲传感器，包括多芯光纤，具有一个中心纤芯，其余的纤芯正交式分布或对称式分布在中心纤芯周围，在该多芯光纤横向相同的部位的每个纤芯上采用同一块相位掩模板同时曝光光纤光栅，所述多芯光纤上的多个布拉格光栅的中心波长不同。

所述的多芯光纤中每个纤芯与标准单模光纤一致，均能在工作波段内以单模的形式传输光波。

所述的多芯单模光纤的多个纤芯以光纤的中心纤芯为中心成等边直角三角形分布或对称的多边形分布。

所述的多芯单模光纤每个芯上都刻有一个光纤光栅，光纤光栅通过相位掩模法写入，可通过同一块相位掩模板在折射率不同的多个纤芯上写入周期相同的光栅，得到具有多个不同反射波长的多芯光纤光栅反射谱；由于多芯光纤中的各分立纤芯由大致相同的材料构成，具有大致相同的热膨胀系数，并且紧密地集成在一根光纤中，所以此方法的优点是可以免受温度和轴向应变的影响，因此所述的光纤光栅万向弯曲传感器对温度不敏感，可用于空间绝对弯曲的测量。

光纤端面与光纤传输中心轴线的垂直面具有8°角度，以消除光纤端面所待料的后向反射光信号噪声。

沿着该多芯光纤可以刻写多组反射波长不同的光纤光栅，每组光纤光栅都能确定该组光纤光栅所处的空间位置处的空间方位；当每个光纤光栅的布拉格反射波长都互不相同时，这种沿着多芯光纤分布的多组光纤光栅就能确定整根光纤的空间姿态和方位。

本发明的有益效果在于：本发明在包含多个纤芯的光纤上刻写光纤光栅，得到具有多个不同反射波长的多芯光纤光栅，多个波长分别对应于多个不同的纤芯，具体可通过在折射率不同的多个纤芯上写入空间周期相同的光栅，或者在相同折射率的纤芯上分别写入不同周期光栅的方法。然后使其弯曲，光栅随之弯曲。不同方向的弯曲引起多个光纤光栅所承受的应变不同，即多个反射波长的变化不同。因此，通过监测该多芯光纤光栅的多个反射波长的变化可实现对弯曲的幅度和方向角的测量。

附图说明

图1是一种基于多芯光纤的光栅万向角度传感器系统示意图。

图2是四芯光纤光栅的结构示意图。。

图3是几种可以用作该光纤光栅万向弯曲传感器的特种多芯光纤的结构示意图。。

图4是多芯光纤光栅弯曲测量万向角度的基本原理坐标示意图。

图5是一种实际的四芯光纤的横截面图。

图6是一种实际的七芯光纤的横截面图。

图7是七芯光纤光栅的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明采用具有不同反射波长的多芯光纤光栅进行万向弯曲传感，既解决了以往光纤光栅弯曲传感只能检测一至两个角度的变化、稳定性差、温度交扰等弊端，同时具有探头尺寸小、抗干扰能力强、重量轻、自带温度补偿等优点。

采用多芯光纤制作的光纤光栅可以构成结构最为紧凑的万向弯曲传感器。与最近文献所报道的技术不同，本项目拟采用纤芯折射率具有微小差别的多芯光纤，制作出具有相同的光纤光栅周期结构，进而沿同一根多芯光纤写入多组反射波长不同的多芯光纤光栅。

光纤光栅是通过改变光纤芯区折射率,产生小的周期性调制而形成的。由于周期性的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响,因此,宽带光波在光栅中传播时,入射光能在相应的频率上被反射回来,其余的透射光则不受影响,这样,光纤光栅就起到了光波选择反射镜的作用。反射中心波长由下式确定

λ_B＝2n_eff×Λ (1)

式中：Λ为光栅周期,n_eff为光栅区的有效折射率。

根据光弹理论，轴向应变和温度引起的波长变化为

式中：ε为外加应变；P_i,j为光弹性张量的普克尔压电系数；ν为泊松比；α为光纤材料的热膨胀系数；ΔT为温度变化量。

曲率是一个矢量，既有方向也有大小，矢量的方向决定了曲线的弯曲方向，矢量的大小决定了曲线的弯曲程度。为了确定空间曲线上某点的曲率矢量，需测出该点处两个已知方向上的曲率矢量的大小值，从而合成出曲率矢量的方向和大小值。而一根光纤光栅在某一点只能反映出一个方向的曲率大小值。因此，必须要多根光纤的多个光栅才能完成。而本发明则利用一根的多芯光纤所制备的多个光栅，既可以完成曲率的测量，又可以实现方向的测量。同时还能消除温度对传感信号的干扰，确保了在环境温度不稳定的情况下传感测量的准确性。

光纤光栅中心波长受外界信号调制产生偏移，解调出波长变化Δλ_B便可得到被测量。在不考虑温度变化时，式(2)可写成

式中：P＝n_eff[p₁₂-ν(P₁₁+P₁₂)]/2为光纤的有效弹光系数。

由于多芯光纤中的各分立纤芯由相同的材料构成，具有相同的热膨胀系数，并且紧密地靠在一起，所以此方法的优点是可以免受温度和轴向应变的影响，可用于绝对弯曲的测量。

在纯弯曲条件下，对于具有圆截面的弹性光纤，轴向应变和曲率之间存在以下关系

在公式(4)中，ε为光纤光栅传感器感测位置承受轴向表面线应变值，ρ为传感器感测位置的曲率半径，C为对应的曲率，D为各个纤芯光栅传感器到光纤中性轴的距离。在给定D、C的情况下，能够求出光纤光栅的应变。而应变与光纤光栅的中心波长偏摆Δλ_B成正比，所以曲率C与Δλ_B成正比。

假设所用的多芯光纤为四芯光纤，其横截面图如图5所示。光纤有四个纤芯，只有一个共同的包层，这四根独立光纤芯其中的三个纤芯以正三角形的形式排列并置放于三角形的三个角上，每个纤芯都可以作为一个独立的波导，光纤的直径为125μm，用相位掩模法，在四个芯上写了中心波长不同的四个光纤光栅。

图4为多芯光纤光栅弯曲测量万向角度的基本原理坐标示意图，当基材在OMZ平面内绕N-N'轴作曲率半径为ρ的弯曲时：N-N′为基材弯曲时的中性轴，y轴与中性轴N-N′夹角为β，由图中几何关系可以得到：

式中：r为正三角形的中心到任一光栅的距离。

把式(5)代入式(4)及式(3)中，可得：

解此方程组，即可得到曲率。

图1是一种基于多芯光纤的光栅万向角度传感器系统示意图，由宽谱光源1、单模光纤2、三端口环行器3、单模光纤和多芯光纤锥区4、基于多芯光纤的布拉格光栅5，对于四芯光纤，包括四个光纤光栅FBG₁、FBG₂、FBG₃和FBG₄，光谱仪6组成。

图2是四芯光纤光栅的结构示意图。单模光纤与四芯光纤通过拉锥耦合，对四芯光纤通过高压载氢增加光敏性，并利用掩膜法同时在四根纤芯上写入均匀布拉格光栅。它是通过改变光纤芯区折射率，产生小的周期性调制而形成的。在四芯光纤光栅的端面处以斜八度角切割，以便减小端面反射。

图3是几种可以用作该光纤光栅万向弯曲传感器的特种多芯光纤的结构示意图。其中第一个是三芯光纤，三个纤芯分别处于等腰直角三角形的三个顶角位置，中心纤芯处于直角的顶点。第二个是四芯光纤，包括中间芯和呈正三角形分布的外围的三个芯，第三个是五芯光纤，包括中间芯和呈正四边形分布的外围的四个芯。

图4是多芯光纤光栅弯曲测量万向角度的基本原理坐标示意图，用于表示每个光纤光栅与整体光纤处于任意空间坐标系下各个弯曲量之间的关系。

图5是一种实际的四芯光纤的横截面图。光纤有四个纤芯，只有一个共同的包层，这四根独立光纤芯其中的三个纤芯以正三角形的形式排列并置放于三角形的三个角上。

图6是一种实际的七芯光纤的横截面图。光纤有七个纤芯，只有一个共同的包层，这七根独立光纤芯其中的六个纤芯以正六角形的形式排列并置放于六角形的三个角上。

图7是七芯光纤光栅的结构示意图。在七芯光纤光栅的端面处以斜八度角切割，以便减小端面反射。

本发明提出了一种基于多芯光纤光栅的万向弯曲角度传感器。不失一般性，在实施过程中，采用了如图5所示的四芯光纤，并在四芯单模光纤的每个纤芯上均写入光栅，得到了如图2所示的四芯光栅传感器结构，四个光纤光栅具有不同的反射波长。

图1是多芯光纤光栅传感器系统的示意图，本发明的工作方式为：使用一个三端口光纤环形器3，其三个端口通过普通单模光纤分别与宽谱光源1，光谱仪6和四芯光纤光栅传感器5相连接，其中与四芯光纤光栅传感器5连接点处采用拉锥耦合的方式，实现普通单模光纤2与四芯光纤光栅传感器5的光路耦合。宽谱光经普通单模光纤2从宽谱光源1引出，经过三端口光纤环形器3传输并经过锥体耦合区4进入四芯光纤光栅传感器5中传输，宽谱光传输至多芯光纤光栅传感器5处，在FBG₁、FBG₂、FBG₃、FBG₄处发生反射，反射光将经过耦合区4和光纤环形器3，传输至光谱仪6中进行分析，从而得到测量结果。不同方向的弯曲引起同一根光纤中四个光纤光栅的反射波长的变化不同，通过监测四个光纤光栅的四个不同的反射波长的变化，经波长测量和数据处理就得到弯曲的大小和方向。由于四芯单模光纤的其中三个纤芯构成以中心纤芯为中心的等边三角形分布，周围温度变化会同时引起四个光纤光栅的波长共同发生变化，或同时增大或同时减小，但是这种对称分布使得光纤光栅波长彼此的相对变化不变，因此本发明所述的多芯光纤万向弯曲传感器可以实现温度的自动补偿。

如图3所示的几种典型的多芯光纤结构也可用于实现该发明专利。

下面以七芯光纤光栅作为实施例来进一步说明本发明的制作过程：

图7展示的是本发明使用到的一种七芯光纤的示意图。首先是将七芯光纤进行高压载氢，载氢的时间一般是15天左右，载氢之后将单模光纤与七芯光纤进行熔融拉锥，使多芯光纤的每个芯的通光功率大致相同，然后采用相位掩膜法在七芯光纤上写入光栅。然后对该光纤端面处以斜八度角切割，以便减小端面反射。这样便制得了本发明所述的七芯光纤光栅万向弯曲传感器。

这种集成于单根光纤的多芯光纤光栅万向弯曲传感器系统能够很容易粘贴于机器人关节表面或者嵌入关节内部，实现对机器人全身关节弯曲状态的实时分布式监测。也可广泛用于智能材料和结构的在线检测与分析。

Claims (6)

1.一种多芯光纤光栅万向弯曲传感器；其特征是：包括多芯光纤，具有一个中心纤芯，其余的纤芯正交式分布或对称式分布在中心纤芯周围，在该多芯光纤横向相同的部位的每个纤芯上采用同一块相位掩模板同时曝光光纤光栅，所述多芯光纤上的多个布拉格光栅的中心波长不同。

2.根据权利要求1所述的一种多芯光纤光栅万向弯曲传感器，其特征在于：所述的多芯光纤中每个纤芯与标准单模光纤一致，均能在工作波段内以单模的形式传输光波。

3.根据权利要求1所述的一种多芯光纤光栅万向弯曲传感器，其特征在于：所述的多芯单模光纤的多个纤芯以光纤的中心纤芯为中心成等边直角三角形分布或对称的多边形分布。

4.根据权利要求1所述的一种多芯光纤光栅万向弯曲传感器，其特征在于：所述的多芯单模光纤每个芯上都刻有一个光纤光栅，光纤光栅通过相位掩模法写入，可通过同一块相位掩模板在折射率不同的多个纤芯上写入周期相同的光栅，得到具有多个不同反射波长的多芯光纤光栅反射谱；由于多芯光纤中的各分立纤芯由大致相同的材料构成，具有大致相同的热膨胀系数，并且紧密地集成在一根光纤中，所以此方法的优点是可以免受温度和轴向应变的影响，因此所述的光纤光栅万向弯曲传感器对温度不敏感，可用于空间绝对弯曲的测量。

5.根据权利要求1所述的一种多芯光纤光栅万向弯曲传感器，其特征在于：光纤端面与光纤传输中心轴线的垂直面具有8°角度，以消除光纤端面所待料的后向反射光信号噪声。

6.根据权利要求1所述的一种多芯光纤光栅万向弯曲传感器，其特征还在于：沿着该多芯光纤可以刻写多组反射波长不同的光纤光栅，每组光纤光栅都能确定该组光纤光栅所处的空间位置处的空间方位；当每个光纤光栅的布拉格反射波长都互不相同时，这种沿着多芯光纤分布的多组光纤光栅就能确定整根光纤的空间姿态和方位。