一種帶空氣間隙的光纖彎曲傳感器及彎曲測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種帶空氣間隙的光纖彎曲傳感器及彎曲測量方法，采用單模階躍光纖，包括纖芯和包層，在光纖的上部開設(shè)一個一定寬度和深度的間隙，構(gòu)成帶空氣間隙的光纖彎曲傳感器，將帶空氣間隙的光纖彎曲傳感器粘貼在測量結(jié)構(gòu)上，開口端向外側(cè)，當(dāng)光纖跟隨測量結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲時，隨著彎曲角度的變化，通過這個空氣間隙的光強也發(fā)生變化，通過測量通過空氣間隙的光強衰減得到測量結(jié)構(gòu)的彎曲半徑。本發(fā)明可以直接測量光強，不需要昂貴的光譜分析儀等設(shè)備，同時提高了測量靈敏度。
【專利說明】
一種帶空氣間隙的光纖彎曲傳感器及彎曲測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種帶空氣間隙的光纖彎曲傳感器及彎曲測量方法，屬于應(yīng)力應(yīng)變測 量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 結(jié)構(gòu)的變形彎曲，是一種重要的參數(shù)。傳統(tǒng)的應(yīng)變計利用應(yīng)變與曲率之間的關(guān)系 間接推算出結(jié)構(gòu)曲率，但是當(dāng)結(jié)構(gòu)厚度較薄時，應(yīng)變可能很小，這使應(yīng)變計的測量變得比較 困難。
[0003] 光纖傳感器，具有耐高溫、靈敏度高、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣性 能好、防燃防爆、體積小、結(jié)構(gòu)簡單，以及便于與光纖傳輸系統(tǒng)組成遙測網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點。光纖 Bragg傳感器是近幾年光纖傳感器研究熱點之一，用于結(jié)構(gòu)彎曲檢測的精度相對較高，相當(dāng) 于10微應(yīng)變，可檢測彎曲半徑在200m以下的彎曲變形。外界環(huán)境(如溫度)影響較大時，額外 還需要昂貴的光譜分析儀等設(shè)備。光強調(diào)制型光纖傳感器的光纖表面未經(jīng)過處理，僅僅是 利用光纖在大曲率宏彎時的光強損耗突然增大的原理制成，因此，靈敏度很低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種帶空氣間隙的光纖 彎曲傳感器及彎曲測量方法，在光纖上增加一個空氣間隙，作為光敏感區(qū)域，利用光損耗同 彎曲變形的有關(guān)特性檢測結(jié)構(gòu)的曲率。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種帶空氣間隙的光纖彎曲傳感器，包括光纖， 所述光纖采用單模階躍光纖，包括纖芯和包層，所述纖芯的折射率為m，半徑為a，所述包層 的折射率為n 2，半徑為R，在光纖的上部開設(shè)一個寬度為d、深度為Η的間隙，構(gòu)成帶空氣間隙 的光纖彎曲傳感器。
[0006] 利用權(quán)利要求帶空氣間隙的光纖彎曲傳感器進行彎曲測量的方法，包括以下步 驟：
[0007] 1)將帶空氣間隙的光纖彎曲傳感器粘貼在測量結(jié)構(gòu)上，開設(shè)間隙端向外側(cè)；
[0008] 2)測量結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲，通過測量通過空氣間隙的光強衰減得到測量結(jié)構(gòu)的彎曲半 徑;所述彎曲半徑與通過空氣間隙的光強衰減之間的關(guān)系通過如下方式確定：
[0009] 2-1)光從光纖中進入空氣間隙時，在空氣間隙左側(cè)的界面上產(chǎn)生心的反射，計對 應(yīng)的光強透射率為T 1:
(2)
[0011] 其中，ts為透射系數(shù)，η3為空氣折射率；
[0012] 2-2)進入空氣間隙的光線，有的能進入另一側(cè)光纖，有的不能進入另一側(cè)的光纖， 計能進入另一側(cè)光纖的纖芯的光強透射率為Τ 2: (8)
[0014]其中，x、yl表示光線在空氣間隙一側(cè)端面上的出射點的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，y2表示 光線在空氣間隙另一側(cè)端面上的入射點的縱坐標(biāo)，W表示測量結(jié)構(gòu)的彎曲半徑，Θ表示測量 結(jié)構(gòu)的彎曲角度；
[0015] Er2表示相對光能量的分布：
(5)
[0017]其中，Jo( ·)為零階貝塞爾函數(shù)，r為光纖中徑向距離，U為一無量綱的量，其值由 下式?jīng)Q定：
.(6:)
[0019]其中，JQ( · )、JK ·)分別為零階、一階貝塞爾函數(shù)，κ〇( · )、ΚΚ ·)分別為零階、一 階漢克爾函數(shù);V為光纖的歸一化頻率，其值為：
(7)
[0021] λ為工作波長；
[0022] 2-3)光從空氣間隙進入另一側(cè)光纖時，在另一側(cè)光纖的端面上產(chǎn)生反射R3,造成 光強損失，計該部分光強透射率為T 3:
[0023] T3=(l+cos2ai)T3 x+sin2ai · T3y (12)
[0024] 其中，Μ表示進入另一側(cè)光纖端面上的光線的入射角，Τ3χ表示與光纖端面平行的 光強透射率，T 3y表示與光纖端面垂直的光強透射率，
(10) (11)
[0027] a2表示進入另一側(cè)光纖端面上的光線的折射角；
[0028] 2-4)對于單模階躍光纖，只有沿光纖軸線傳輸?shù)墓饽軌虮惶綔y器獲得，將傳輸光 強分解為沿光纖軸線傳播分量和沿光纖徑向傳輸分量，最終能夠被探測器獲得的光強為沿 光纖軸線傳播分量，記該部分光強透射率為T 4:
[0029] T4=cos〇2
[0030] (13)
[0031] 2-5)整個光線通過空氣間隙的透射率T為：
[0032] T = TiT2T3T4 (14)
[0033] 則光強衰減ρ為:p = 101〇g1Q( 1-Τ)。
[0034] 前述的空氣間隙的寬度d和測量結(jié)構(gòu)的彎曲半徑W之間滿足如下限制： 1"
[0036] 本發(fā)明所達到的有益效果：
[0037] 本發(fā)明提出在光纖上增加一個空氣間隙，作為光敏感區(qū)域，利用其光損耗同彎曲 變形的有關(guān)特性，來直接測量彎曲角度或半徑，可以直接測量光強，不需要昂貴的光譜分析 儀等設(shè)備，同時提高了測量靈敏度。
【附圖說明】
[0038] 圖1為本發(fā)明的帶空氣間隙的光纖彎曲傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，圖1(a)為彎曲前結(jié)構(gòu)， 圖1(b)為彎曲后結(jié)構(gòu)；
[0039] 圖2為空氣間隙中光的傳輸示意圖；
[0040] 圖3為不同彎曲程度時光強衰減對比圖；
[0041 ]圖4為光纖端面上的光斑坐標(biāo)；
[0042]圖5為光纖端面上光強分量示意圖；
[0043]圖6為d = 1mm情況下的仿真結(jié)果。
【具體實施方式】
[0044] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明 的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。
[0045] 本發(fā)明的帶空氣間隙的光纖彎曲傳感器結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，采用單模階躍光纖， 包括纖芯和包層，纖芯的折射率為m，半徑為a，包層的折射率為n 2,半徑為R，在光纖的上部 開設(shè)一個寬度為d、深度為Η的間隙，構(gòu)成帶空氣間隙的光纖彎曲傳感器。圖中，n3為空氣折 射率。
[0046] 本發(fā)明的測量原理如下：
[0047]將上述設(shè)計的帶空氣間隙的光纖彎曲傳感器粘貼在測量結(jié)構(gòu)上，開口端向外側(cè)。 如圖1(b)所示，當(dāng)光纖跟隨測量結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲時，隨著彎曲角度的變化，通過這個空氣間隙 的光強也發(fā)生變化，通過測量通過空氣間隙的光強衰減得到測量結(jié)構(gòu)的彎曲半徑。如圖3所 示，不同彎曲程度時，光強衰減情況不同，影響光強衰減的因素主要有以下幾個：
[0048] 1.光從光纖中進入開口時，在開口左側(cè)的界面上產(chǎn)生心的反射，計對應(yīng)的光強透 射率為Ti，
[0049] 根據(jù)菲涅爾定律，透射系數(shù)為：
(1)
[0051 ]光強透射率為：
(2)
[0053] 2.進入開口的光線，有的能進入另一側(cè)光纖，如圖2間隙中的紅色部分，有的不能 進入另一側(cè)的光纖，如圖2中間隙中的綠色部分，計能進入另一側(cè)光纖的纖芯的光強透射率 為T2。
[0054] 由于采用單模光纖，從光纖中射入空氣間隙的光線，傳播方向垂直于光纖開口的 端面。在三角形Δ0ΑΒ中，如圖1所示，0表示彎曲圓的圓心，A表示光線在空氣間隙一側(cè)端面 上的出射點，B表示光線在空氣間隙另一側(cè)端面上的入射點，可知：
[0055] R+ff+y2 = (R+ff+yl )/cos9 (3)
[0056] y2 = (R+ff+yl )/cos0-R-ff (4)
[0057] 其中，
[0059] x、yl表示光線在空氣間隙一側(cè)端面上的出射點的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，y2表示光線在 空氣間隙另一側(cè)端面上的入射點的縱坐標(biāo)，橫坐標(biāo)與出射點相同，參見圖4所示，W表示測量 結(jié)構(gòu)的彎曲半徑，Θ表示測量結(jié)構(gòu)的彎曲角度。
[0060] 如圖4所示的光纖端面上光斑坐標(biāo)，當(dāng)經(jīng)過空氣間隙的光線落在另一側(cè)端面上的 坐標(biāo)滿足：
[0061] - Va2 -X2 < v2 < yja2 - x~，-a<x<a時，
[0062] 光線可以通過間隙，繼續(xù)在光纖里傳輸。
[0063]考慮到單模階躍光纖中，相對光能量的分布，滿足如下關(guān)系：
[0064] ：S-E^ a (5)
[0065] 其中，Jo( ·)為零階貝塞爾函數(shù)，a為光纖纖芯半徑，r為光纖中徑向距離，取值范 圍為:-a<r〈a』為一無量綱的量，其值由下式?jīng)Q定：
(6)
[0067]其中：JQ( · )、JK ·)分別為零階、一階貝塞爾函數(shù)，Κο( · )、KK ·)分別為零階、一 階漢克爾函數(shù);V為光纖的歸一化頻率，其值為：
(7；)
[0069] λ為工作波長。
[0070]貝 1J:
8)
[0072] 3.光從空氣間隙進入光纖時，在另一側(cè)光纖的端面上產(chǎn)生反射R3,造成光強損失， 計該部分光強透射率為T3。
[0073] 光纖中的光線部分能量可以通過開口，繼續(xù)在光纖里傳輸。
[0074]進入另一側(cè)光纖端面上的光線的入射角為α? = θ，則根據(jù)折射定律，折射角為：
[0076] 如圖5所示，入射到光纖端面的光分解為//￡&、//句；兩個振動方向的模式。 (9) (10)
[0077]其中，//』沿與光纖端面平行，根據(jù)菲涅爾定律，光強透射率為：
[0079] //盡〗分解成平行于端面和垂直于端面的兩個方向，平行于光纖端面的光強透射率 與上式相同，垂直光纖端面的光強透射率為：
(1:1)
[0081 ]假設(shè)，能量相同，則整個光強透射率為：
[0082] T3=(l+cos2ai)T3x+sin 2ai · T3y (12)
[0083] 4.由于是單模光纖，只有沿光纖軸線傳輸?shù)墓饽軌虮惶綔y器獲得，將傳輸光強分 解為沿光纖軸線傳播部分和沿光纖徑向傳輸部分，最終能夠被探測器獲得的光強為沿光纖 軸線傳播部分，該部分的光強透射率為T4:
[0084] T4=cos〇2 (13)
[0085] 整個光線通過空氣間隙的透射率為：
[0086] T = TiT2T3T4 (14)
[0087] 則光強衰減為:p = 101〇g1Q( 1-Τ)
[0088] 由此，得到了測量結(jié)構(gòu)的彎曲半徑與透過空氣間隙的光強衰減之間的關(guān)系。
[0089] 當(dāng)彎曲半徑變小時，經(jīng)過空氣間隙再次進入光纖傳輸?shù)墓鈴妼⒆內(nèi)酰钡剿械?光線都無法再次進入光纖。
[0090] 因此，對于空氣間隙寬度(d)和測量結(jié)構(gòu)的彎曲半徑(W)之間需要滿足如下限制：
? 15) L0092」如圖6所示，為空氣間隙寬度d = lmm的情況下，彎曲角度與光強衰減的模擬曲線。 [0093]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種帶空氣間隙的光纖彎曲傳感器，其特征在于，包括光纖，所述光纖采用單模階躍 光纖，包括纖芯和包層，所述纖芯的折射率為m，半徑為a，所述包層的折射率為n 2，半徑為R， 在光纖的上部開設(shè)一個寬度為d、深度為H的間隙，構(gòu)成帶空氣間隙的光纖彎曲傳感器。2. 利用權(quán)利要求1所述的帶空氣間隙的光纖彎曲傳感器進行彎曲測量的方法，其特征 在于，包括以下步驟： 1) 將帶空氣間隙的光纖彎曲傳感器粘貼在測量結(jié)構(gòu)上，開設(shè)間隙端向外側(cè)； 2) 測量結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲，通過測量通過空氣間隙的光強衰減得到測量結(jié)構(gòu)的彎曲半徑； 所述彎曲半徑與通過空氣間隙的光強衰減之間的關(guān)系通過如下方式確定： 2-1)光從光纖中進入空氣間隙時，在空氣間隙左側(cè)的界面上產(chǎn)生R1的反射，計對應(yīng)的光 強誘射鑾為Tn(2) 其中，ts為透射系數(shù)，Π 3為空氣折射率； 2-2)進入空氣間隙的光線，有的能進入另一側(cè)光纖，有的不能進入另一側(cè)的光纖，計能 atx 專弈的弈尤的專貺；#隹!·茲乇下。.C 8) 其中，x、yl表示光線在空氣間隙一側(cè)端面上的出射點的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，y2表示光線 在空氣間隙另一側(cè)端面上的入射點的縱坐標(biāo)，W表示測量結(jié)構(gòu)的彎曲半徑，Θ表示測量結(jié)構(gòu) 的彎曲角度； Er2表不相對光能量的分布：(5)其中，J〇( ·)為零階貝塞爾函數(shù)，r為光纖中徑向距離，U為一無量綱的量，其值由下式?jīng)Q 定. <6) 其中，J〇( · )、JK ·)分別為零階、一階貝塞爾函數(shù)，Κο( · )、KK ·)分別為零階、一階漢 克爾函數(shù);V為光纖的歸一化頻率，其值為：C7)： λ為工作波長； 2-3)光從空氣間隙進入另一側(cè)光纖時，在另一側(cè)光纖的端面上產(chǎn)生反射R3,造成光強損 失，計該部分光強透射率為T3: Ti - (I + cos2 Gcl )Ty + sin2 ax · Tf C12) 其中，Ct1表示進入另一側(cè)光纖端面上的光線的入射角，Γ/表示與光纖端面平行的光強透 射率，$表示與光纖端面垂直的光強透射率， CIO)cii) Ct2表示進入另一側(cè)光纖端面上的光線的折射角； 2-4)對于單模階躍光纖，只有沿光纖軸線傳輸?shù)墓饽軌虮惶綔y器獲得，將傳輸光強分 解為沿光纖軸線傳播分量和沿光纖徑向傳輸分量，最終能夠被探測器獲得的光強為沿光纖 軸線傳播分量，記該部分光強透射率為Τ4: T4 = COS〇2 (13) 2-5)整個光線通過空氣間隙的透射率T為： T = TiT2T3T4 (14) 則光強衰減P為:P= 101〇gi〇( 1-T)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述空氣間隙的寬度d和測量結(jié)構(gòu)的彎曲 半徑W之間滿足如下限制：(IS)b.
【文檔編號】G01L1/24GK106017343SQ201610395797
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月6日
【發(fā)明人】張健, 魏峘, 趙靜, 余輝龍, 覃翠
【申請人】南京工程學(xué)院