一种同时测量扭转、温度和应变的反射式光纤传感器制造技术

本发明专利技术属于光纤传感技术领域，针对扭转、温度和应变同时测量的问题，提出了一种基于螺旋长周期光纤光栅与梯形法布里珀罗腔复合结构的反射式扭转、温度和应变三参量同时测量的传感器。传感器由刻写在单模光纤上的正反旋级联的螺旋长周期光纤与梯形法布里珀罗腔的复合制作而成。该传感器制作成本低，体积小，对扭转、温度和应变三个参量可以同时检测。传感器中的梯形法布里珀罗可剥离光纤包层中的光，并且使得信号反射式监测，方便制作传感探头，提高了实用性。高了实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种同时测量扭转、温度和应变的反射式光纤传感器


[0001]本专利技术属于光纤传感
，特别涉及一种基于螺旋长周期光纤光栅与梯形法布里珀罗腔复合结构的反射式扭转、温度和应变三参量同时测量的传感器。

技术介绍

[0002]扭转、温度和应变的测量在反映建筑物的健康状态、监测环境温度变化、跟踪和反馈机器人手臂的旋转位置以及监测机械变形以反映磨损和疲劳程度方面起着至关重要的作用。传统的电磁式传感器体积大、电磁干扰严重、价格昂贵、维护困难，不能满足狭小空间测量要求。光纤传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰等优点，恰好克服了传统扭转传感器的缺点。但是现有的光纤传感器大多只能实现双参数测量，可实现三参数同时测量的光纤传感器寥寥无几。
[0003]另一方面，现有的光纤传感器在测量扭转时大部分为透射式，而透射式信号检测由需要传感器两端导光，不能适应狭小的检测空间，不利于传感器的实际应用。

技术实现思路

[0004]针对以上问题，本专利技术目的在于提供一种反射式的三参数同时测量的光纤传感器。传感器为螺旋长周期光纤光栅与梯形法布里珀罗腔的复合结构，配合使用超连续谱光源、环形器和光谱仪与该传感器组成传感系统，进行扭转、温度和应变的同时测量。该传感器的优点在于可以实现扭转、温度和应变三参量的同时测量，并且传感信号为反射式检测，有助于实际应用。
[0005]本专利技术的具体技术方案为：由超连续谱发出的入射光，被传感结构末端的梯形法布里珀罗腔反射，反射光经过两个正反旋级联螺旋长周期光纤光栅回到光谱仪中。其中，梯形法布里珀罗腔为应变敏感结构，螺旋长周期光纤光栅为扭转和温度灵敏结构，通过分别监测螺旋长周期光纤光栅谐振峰和梯形法布里珀罗腔干涉峰的波长移动实现对扭转、温度和应变的传感。
[0006]本专利技术的实现方法为：步骤一：将空心光纤一端与普通单模光纤熔接，在电荷耦合器件相机监视下，使用光纤切割刀精确切割出25微米空心光纤。在熔接机中将25微米空心光纤另一端与单模光纤熔接，并在熔接过程中控制放电强度，使得形成的微腔为梯形，制作出梯形法布里珀罗腔，并在光谱仪中观察梯形法布里珀罗腔的光谱。
[0007]步骤二：根据已有的梯形法布里珀罗腔光谱，确定需要刻写的螺旋长周期光纤光栅谐振峰的波长位置，根据相位匹配公式，确定需要刻写的螺旋长周期光纤光栅周期。使用搭建的CO2激光器螺旋长周期光纤光栅加工系统，在已有的梯形法布里珀罗腔后刻写需要的级联螺旋长周期光纤光栅，得到所需的光纤传感器，并观察结构光谱图中存在A、B、C三个峰值。
[0008]步骤三：将光纤传感器拉直，一端用光纤夹固定，另一端用粘合剂固定在分辨率为
0.00025
°
的电动旋转器的中心，旋转器可对光纤施加连续扭转。旋转器安装在分辨率为1μm的电动工作台上，可精确地将轴向应变施加到光纤上。制作的传感结构被放置在一个分辨率为0.2℃的封闭温度控制器中，可以很好地调节传感结构的环境温度。通过使用超连续光源、环形器和光谱仪，可以获得所设计的传感结构在三参量同时测量的传感测试下的反射光谱，并测得A、B、C三个峰值对三个参量的响应特性。
[0009]步骤四：在某一参量变化其余两参量不变的条件下，观察不同条件下A、B、C三个峰值响应特性变化情况，验证传感器可实现三参量同时测量。
[0010]步骤五：由步骤三得到的A、B、C三个峰值的传感特性，建立传感矩阵，利用传感矩阵和A、B、C波长变化可解得扭转、温度和应变的变化。
[0011]本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术所设计的梯形法布里珀罗腔可以剥离单模光纤中由螺旋长周期光纤光栅耦合至包层中的光，消除不利于本专利技术传感测量的干涉效应。
[0012](2)本专利技术可以实现扭转、温度和应变三参量同时测量的光纤传感技术。
[0013](3)本专利技术的传感信号为反射式检测，相比于已有的可测量扭转的透射式光纤传感器，反射式传感体积更小，可制作光纤探针，更有利于实际应用。
[0014]附图说明
[0015]图1、螺旋光纤光栅和梯形法布里珀罗微腔复合结构传感器示意图；图2、基于本专利技术的三参量同时测量系统示意图；图3、螺旋光纤光栅和梯形法布里珀罗微腔复合结构传感器光谱图；图4、(a) 传感器对扭转的响应；(b) 传感器对温度的响应；(c) 传感器对应变的响应；其中，图1中的LHLPG和RHLPG分别为左旋螺旋长周期光纤光栅和右旋螺旋长周期光纤光栅，SMF1和SMF2分别为两段单模光纤，HCF为制作梯形法布里珀罗腔使用的空心光纤，H1和H2分别为梯形法布里珀罗腔前端内径和后端内径。图2中的OSA为光谱仪。
具体实施方式
[0016]为使上述目的、优点更加易懂，下面结合附图以及具体实施方式对本专利技术进一步说明。
[0017]本专利技术具体实施过程如下：1）在图2所示的三参量同时测量系统中，分别测得图3中A、B、C三个峰值的扭转、温度和应变的灵敏度，利用测得的灵敏度建立传感器的传感矩阵如下：其中，Δθ、ΔT和 Δε 分别为扭转角度、温度变化量和应变施加量，Δλ
A
、Δλ
B
和Δλ
A
分别为A、B、C三个峰值在三个参量变化时峰值的波长移动量。
[0018]2）将传感器置于待测环境中，等待光源稳定后，记录光谱中A、B、C三个峰值的波长位置，以此作为传感器的各个参数的零点位置。
[0019]3）改变待测参量的值，例如同时对传感器施加180
°
的扭转量，温度升高10℃，施加200με的应变量，再次记录A、B、C三个峰值的波长位置，计算出Δλ
A
、Δλ
B
和Δλ
A
，分别带入1）中的传感矩阵，求得扭转、温度和应变的变化量分别为180
°
、10℃和200με。
[0020]综上说明本传感器及传感方法可以实现扭转、温度和应变的反射式同时测量。
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种同时测量扭转、温度和应变的反射式光纤传感器，其特征在于，传感器由正反旋级联螺旋光纤光栅与梯形法布里珀罗腔复合结构组成。2.根据权利要求1所述的正反旋级联螺旋光纤光栅与梯形法布里珀罗腔复合结构，其特征在于法布里珀罗腔的侧视图形...

【专利技术属性】
技术研发人员：请求不公布姓名，
申请(专利权)人：东北大学秦皇岛分校，
类型：发明
国别省市：