一种用于三维变形监测的光纤传感器及三维变形监测系统技术方案

本发明专利技术提供了一种用于三维变形监测的光纤传感器，所述光纤传感器包括：多芯光纤，所述多芯光纤包括中心纤芯和围绕所述中心纤芯的多根旁轴纤芯，其中，多根所述旁轴纤芯的每一根旁轴纤芯等间距刻制光栅。本发明专利技术提采用一个多芯光纤布拉格光栅制备传感器，用飞秒激光在多芯光纤的旁轴纤芯上等间距刻出栅区，一定数量的光栅和光纤本身构成形变监测的传感器，器件结构简单，稳定性可靠，可实现对物体三位形变的监测，成本较低、重复性高，易于实现器件的批量加工。批量加工。批量加工。

【技术实现步骤摘要】
一种用于三维变形监测的光纤传感器及三维变形监测系统


[0001]本专利技术涉及光纤传感
，特别是涉及一种用于三维变形监测的光纤传感器及三维变形监测系统。

技术介绍

[0002]随着现代测量技术的发展，三维形变监测传感器越来越受到人们的重视，被广泛用于载具、建筑、仪器等物体的形状感知上。与传统的传感器相比，光纤形状感知传感器具有诸多优良特性，如不受电磁干扰、适用范围广、稳定性好、可靠性好、分辨率高、精度高、体积小、重量轻等显著优点。目前的形变监测传感器还存在算法精度、温度补偿、实时性较差等问题。
[0003]利用飞秒刻写形成的光纤变形监测传感器，当飞秒激光聚焦到光纤纤芯上时，会使材料性质发生改变，使其折射率发生改变，而光纤的表面不会受到任何影响。
[0004]光纤光栅一般可以根据周期的长短分为两类：布拉格光纤光栅(FBG)和长周期光纤光栅(LFPG)。其中FBG又叫做反射式光栅，周期通常小于1um，一般为几百个纳米。特点是模式的耦合发生在纤芯中正向传播和反向传播的两个芯模之间，可对特定波长的入射进行反射，属于反射型带通滤波器，如图1所示布拉格光纤光栅的导光机制示意图。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中三维形状监测传感器算法精度、温度补偿、实时性较差的技术问题，本专利技术的一个目的在于提供一种用于三维变形监测的光纤传感器，所述光纤传感器包括：
[0006]多芯光纤，所述多芯光纤包括中心纤芯和围绕所述中心纤芯的多根旁轴纤芯，其中，多根所述旁轴纤芯的每一根旁轴纤芯等间距刻制光栅。
[0007]在一个优选的实施例中，所述多芯光纤包括六根旁轴纤芯。
[0008]在一个优选的实施例中，每一根所述旁轴纤芯的光栅的栅区长度相同，不同所述旁轴纤芯的之间的光栅的栅区对应。
[0009]在一个优选的实施例中，不同所述旁轴纤芯的光栅的栅区长度相同。
[0010]在一个优选的实施例中，每一根所述旁轴纤芯的光栅采用飞秒激光刻写的方式刻制。
[0011]本专利技术的另一个目的在于提供一种光纤传感器的三维变形监测系统，所述监测系统包括光纤传感器，
[0012]以及，扇入扇出模块、波长采集设备和三维形状监测系统，其中，所述扇入扇出模块连接所述光纤传感器，所述波长采集设备连接所述扇入扇出模块，所述三维形状监测系统连接所述波长采集设备。
[0013]本专利技术提供的一种用于三维变形监测的光纤传感器及三维变形监测系统，为了实现对物体三位形变的监测，采用一个多芯光纤布拉格光栅制备传感器，用飞秒激光在多芯
光纤的旁轴纤芯上等间距刻出栅区，一定数量的光栅和光纤本身构成形变监测的传感器，器件结构简单，稳定性可靠，可实现对物体三位形变的监测，成本较低、重复性高，易于实现器件的批量加工。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，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。
[0015]图1示意性示出了图布拉格光纤光栅的导光机制示意图。
[0016]图2示出了本专利技术一个实施例中一种用于三维变形监测的光纤传感器的结构示意图。
[0017]图3示出了本专利技术一个实施例中一种光纤传感器的三维变形监测系统的结构示意图。
[0018]图4示出了本专利技术一个实施例中不同弯曲曲率下变形对象监测的变形图。
具体实施方式
[0019]为了使本专利技术的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本专利技术。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。
[0020]如图2所示本专利技术一个实施例中一种用于三维变形监测的光纤传感器的结构示意图，根据本专利技术的实施例，一种用于三维变形监测的光纤传感器，包括：多芯光纤100。
[0021]多芯光纤100包括中心纤芯101和围绕中心纤芯101的多根旁轴纤芯102，多根旁轴纤芯102的每一根旁轴纤芯102等间距刻制光栅。优选的，多芯光纤包括六根旁轴纤芯102。
[0022]每一根旁轴纤芯102的光栅(图中未示出)的栅区长度相同，不同旁轴纤芯102的之间的光栅的栅区对应。不同旁轴纤芯102的光栅的栅区长度相同。
[0023]根据本专利技术的实施例，每一根旁轴纤芯102的光栅采用飞秒激光刻写的方式刻制。具体地，将飞秒激光聚焦旁轴纤芯102上，垂直于旁轴纤芯102的轴向，等间距刻出栅区。
[0024]本专利技术采用飞秒激光在旁轴纤芯102上刻写光栅，在一些实施例中，根据变形对象(被测变形物体)制备不同长度的栅区和间栅区间隔长度，刻写方法的加工简单、快捷，非常适合批量加工生产。在一些实施例中，选用的飞秒激光器由相干公司生产，中心波长为800nm，脉冲宽度为50fs。
[0025]本专利技术中心纤芯101用来做温度补偿和误差纠正，旁轴纤芯102用来测量变形的大小和坐标。
[0026]本专利技术对变形对象的三维变形重构过程为：
[0027]步骤S1、当一定频率的入射光通过布拉格光栅(FBG)时，会在波长为λ
B
附近的光波反射回来，其余波长的光波将透射过布拉格光栅(FBG)。λ
B
为布拉格光栅(FBG)的波长，满足以下公式：
[0028]λ
B
＝2n
eff
·
Λ
[0029]其中，n
eff
为光纤的有效折射率，Λ为光栅周期。
[0030]步骤S2、对多芯光纤100内的每根旁轴纤芯102进行波长
‑
应变曲线标定，通过标定的波长
‑
应变曲线计算每根旁轴纤芯102的的应变。
[0031]布拉格光栅波长与应变成成线性关系λ
B
＝aε+b，通过标定的方式绘制波长
‑
应变曲线，得到波长
‑
应变曲线参数a和b。
[0032]多芯光纤100的布拉格光栅的波长
‑
应变曲线按照如下方法标定：
[0033]对多芯光纤100进行弯曲，并记录每根旁轴纤芯102的弯曲应变ε1和布拉格光栅波长λ1。
[0034]重复上述过程，并记录每根旁轴纤芯102的弯曲应变ε2、ε3、
…
、ε
n
和布拉格光栅波长λ2、λ3、
…
、λ
n
。
[0035]对每根旁轴纤芯102绘制波长
‑
应变曲线：λ
B
＝aε+b，其中a、b为波长
‑
应变曲线参数。
[0036]步骤S3、通过每根旁轴纤芯102的应变计算每根旁轴纤芯102的的弯曲曲率，其中，每根旁轴纤芯102弯曲曲率通过如下方式计算：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于三维变形监测的光纤传感器，其特征在于，所述光纤传感器包括：多芯光纤，所述多芯光纤包括中心纤芯和围绕所述中心纤芯的多根旁轴纤芯，其中，多根所述旁轴纤芯的每一根旁轴纤芯等间距刻制光栅。2.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述多芯光纤包括六根旁轴纤芯。3.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，每一根所述旁轴纤芯的光栅的栅区长度相同，不同所述旁轴纤芯的之间的光栅的栅区对应。4.根据权利要求3所述的光纤传感器，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝连庆，王元锋，何彦霖，孙广开，周康鹏，何巍，李红，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：