一种多芯光纤光栅万向弯曲传感器制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术包括多芯光纤，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。本发明专利技术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。

Multi core fiber grating universal bending sensor

The invention belongs to the technical field of optical fiber sensor, in particular to a can be used for detection and analysis of intelligent materials and structures, also can be used in the space structure of the 3D position and attitude of the monitoring and control of multi core fiber grating as multi core optical fiber grating universal bending sensor composed of basic sensing unit. The invention comprises a multi core optical fiber, with a central core, the core of orthogonal type distribution or symmetrical distribution around the central core, using the same block phase mask and exposure of fiber gratings in each fiber core of the multi-core optical fiber on the same horizontal position, the center wavelength of the plurality of grating Prague multi core fiber of different. The invention can measure the amplitude and direction angle of the bend by monitoring the change of a plurality of reflecting wavelengths of the multi-core fiber grating.

【技术实现步骤摘要】
一种多芯光纤光栅万向弯曲传感器
本专利技术属于光纤传感
，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。
技术介绍
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。本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的有益效果在于：本专利技术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专利技术做进一步描述。本专利技术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λB＝2neff×Λ(1)式中：Λ为光栅周期,neff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；Pi,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。而本专利技术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ΔλB便可得到被测量。在不考虑温度变化时，式(2)可写成式中：P＝neff[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ΔλB成正比，所以曲率C与ΔλB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。把本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑立波，赵雨佳，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23