一种基于光纤光栅的空间姿态传感器及制作、测量方法技术

本发明专利技术提供一种基于光纤光栅的空间姿态传感器及制作、测量方法，包括：依次连接的宽带光源、1×3分光器、光隔离器、传感探头、3×1光纤耦合器以及光谱仪；传感探头包括一个盛有NaCl溶液的腔体以及间隔90°固定在腔体内壁上的波长不同、其余参数均相同的三个长周期光栅；且腔体内的NaCl溶液液面位于栅区中点位置，通过监测三个长周期光纤光栅透射峰的波长变化可以测得光栅浸入液面的长度并以此确定坐标系中液面所在平面的坐标方程。计算传感探头倾斜前后液面的角度变化大小和方向即可得到探头在三维空间中的姿态。该传感器可对空间角度进行大范围测量，并且尺寸较小，精确率高，可广泛应用于光纤姿态传感领域。

A space attitude sensor based on FBG and its fabrication and measurement method

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤光栅的空间姿态传感器及制作、测量方法
本专利技术涉及光纤
，具体而言，尤其涉及一种基于光纤光栅的空间姿态传感器及制作、测量方法。
技术介绍
姿态传感器本质上是对于物体偏转角度进行测量，即测量某个对象关于特定基准线或者基准面的夹角。姿态传感在水下姿态检测以及航空、土木工程等领域应用较广。现有的测量方案中大多通过光纤光栅在应力作用下产生波长漂移来实现空间角度的测量，较为典型的有：倪凯等人设计的倾斜传感器由一个通过4根等长的刻有光栅的光纤悬挂在圆盘上的重物组成，4根光纤与圆盘的粘接点均匀分布在圆盘边缘，因此，每一对具有对称位置的光纤光栅可以感知其所属平面的倾斜；包华龙等人报道了一种新颖的钟摆式FBG二维倾斜角传感器，仅采用两个FBG即可实现二维倾斜角传感。以上方法在测量过程中通常会涉及到应力的传递，从而产生测量误差，导致传感器灵敏度降低。并且存在装置体积较大、测量范围小等缺点。光纤光栅具有纤芯折射率呈周期性变化的特性，根据周期的大小，被分为长周期光纤光栅和短周期光纤光栅(布拉格光栅)。长周期光栅的周期一般为几十微米到一毫米，其传输纤芯模和同向传输的包层模耦合后的光。光谱的具体形式受其周期、长度以及周围环境(应变、温度、周围介质折射率)的影响。所以当长周期光纤光栅一部分浸入液体，一部分裸露在空气中时，光栅周围介质的折射率发生分段改变，导致其透射光谱产生漂移。
技术实现思路
根据上述提出的技术问题，而提供一种基于光纤光栅的空间姿态传感器及制作、测量方法，本专利技术通过分段改变长周期光纤光栅周围介质的折射率，使其输出叠加谱发生偏移，从而实现长周期光纤光栅空间姿态传感。该传感器具有精确度高、结构简单的优点。本专利技术采用的技术手段如下：一种基于光纤光栅的空间姿态传感器，包括：依次连接的宽带光源、1×3分光器、光隔离器、传感探头、3×1光纤耦合器以及光谱仪；所述传感探头包括一个盛有NaCl溶液的腔体以及间隔90°固定在所述腔体内壁上的波长不同、其余参数均相同的第一长周期光栅、第二长周期光栅、第三长周期光栅；所述腔体内的NaCl溶液液面位于栅区中点位置，且腔体还需进行封口处理；所述宽带光源发出的光经过分光器分为三路，分别经过不同波长的长周期光栅，在光耦合器处汇成一束光，通过光谱仪观察其透射谱。进一步地，所述腔体内NaCl溶液的浓度为25％，折射率为1.38。进一步地，所述腔体为玻璃材质的圆柱形腔体，直径为3cm，高为5cm。进一步地，所述第一长周期光栅的波长为1545nm，周期为0.55μm，长度为4mm；所述第二长周期光栅的波长为1565nm，周期为0.55μm，长度为4mm；所述第三长周期光栅的波长为1585nm，周期为0.55μm，长度为4mm。进一步地，所述的第一长周期光栅、第二长周期光栅、第三长周期光栅分别通过AB胶将其两端的尾纤粘在腔体内壁上从而实现固定的目的。进一步地，所述的第一长周期光栅、第二长周期光栅、第三长周期光栅中传输光的功率为5.6dB。本专利技术还提供了一种基于光纤光栅的空间姿态传感器的制作方法，所述制作方法包括如下步骤：第一步、采用光纤光栅刻写技术，在单模光纤上对纤芯进行周期性调制，刻写长周期光栅；第二步、设计传感探头，将上述刻写好的长周期光栅间隔90°固定于腔体内壁，并在腔体中倒入浓度为25％的NaCl溶液，将腔体进行封口处理；第三步、按照宽带光源、1×3分光器、光隔离器、传感探头、3×1光纤耦合器、光谱仪的顺序将各部分依次连接。本专利技术还提供了一种基于光纤光栅的空间姿态传感器的测量方法，所述测量方法包括：S1、建立三维坐标系；S2、通过观察输出光谱测得长周期光栅浸入溶液中的长度，即可得到倾斜前后液面和长周期光栅的交点坐标；S3、计算液面所在平面的坐标方程，通过倾斜前后两液面所在平面的倾斜方向和夹角可以判断传感探头在空间中的姿态。进一步地，所述步骤S1中三维坐标系的建立方式如下：记传感探头竖直状态的液面为初始液面，初始液面为圆形，圆心为点O，初始液面与第一长周期光栅、第二长周期光栅、第三长周期光栅的交点分别为点A、点B、点C；所述三维坐标系以点O到点C为x轴方向，以点O到点B为y轴方向，以垂直于初始液面向上为z轴方向。较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术提供的基于光纤光栅的空间姿态传感器，其测量范围角度大，可以在三维空间上测量光纤的姿态。2、本专利技术提供的基于光纤光栅的空间姿态传感器，其具有精确度高、结构简单的优点，尺寸较小，有利于传感器的集成化发展。基于上述理由本专利技术可在光纤领域广泛推广。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术装置结构示意图；图2是本专利技术坐标系建立图；图3是本专利技术实施例提供的光栅随传感探头倾斜变化图。图中：1、宽带光源；2、1×3分光器；3、光隔离器Ⅰ；4、光隔离器Ⅱ；5、光隔离器Ⅲ；6、单模光纤；7、第一长周期光栅；8、第二长周期光栅；9、第三长周期光栅；10、NaCl溶液；11、3×1光纤耦合器；12、光谱仪。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本专利技术及其应用或使用的任何限制。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本专利技术的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光纤光栅的空间姿态传感器，其特征在于，包括：依次连接的宽带光源、1×3分光器、光隔离器、传感探头、3×1光纤耦合器以及光谱仪；所述传感探头包括一个盛有NaCl溶液的腔体以及间隔90°固定在所述腔体内壁上的波长不同、其余参数均相同的第一长周期光栅、第二长周期光栅、第三长周期光栅；所述腔体内的NaCl溶液液面位于栅区中点位置，且腔体还需进行封口处理；所述宽带光源发出的光经过分光器分为三路，分别经过不同波长的长周期光栅，在光耦合器处汇成一束光，通过光谱仪观察其透射谱。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤光栅的空间姿态传感器，其特征在于，包括：依次连接的宽带光源、1×3分光器、光隔离器、传感探头、3×1光纤耦合器以及光谱仪；所述传感探头包括一个盛有NaCl溶液的腔体以及间隔90°固定在所述腔体内壁上的波长不同、其余参数均相同的第一长周期光栅、第二长周期光栅、第三长周期光栅；所述腔体内的NaCl溶液液面位于栅区中点位置，且腔体还需进行封口处理；所述宽带光源发出的光经过分光器分为三路，分别经过不同波长的长周期光栅，在光耦合器处汇成一束光，通过光谱仪观察其透射谱。


2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的空间姿态传感器，其特征在于，所述腔体内NaCl溶液的浓度为25％，折射率为1.38。


3.根据权利要求1或2所述的基于光纤光栅的空间姿态传感器，其特征在于，所述腔体为玻璃材质的圆柱形腔体，直径为3cm，高为5cm。


4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的空间姿态传感器，其特征在于，所述第一长周期光栅的波长为1545nm，周期为0.55μm，长度为4mm；所述第二长周期光栅的波长为1565nm，周期为0.55μm，长度为4mm；所述第三长周期光栅的波长为1585nm，周期为0.55μm，长度为4mm。


5.根据权利要求4所述的基于光纤光栅的空间姿态传感器，其特征在于，所述的第一长周期光栅、第二长周期光栅、第三长周期光栅分别通过AB胶将其两端的尾纤粘在腔体内壁上从而实现固定的目的。


6.根据权利要求1所述的基于光...

【专利技术属性】
技术研发人员：付广伟，付兴虎，曹佳琦，李宛励，王碧霖，毕卫红，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13