[发明专利]基于纤栅干涉结构的二维弯曲矢量传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种可进行二维弯曲矢量传感测量的新技术，具体由一段错位熔接的光纤与长周期光纤光栅级联而成，能够在垂直于纤轴的平面上同时测量弯曲大小和方向，可应用于物体形变与形貌探测、结构健康监测等技术领域。

背景介绍

全光纤马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，简称MZI)是在光纤上制作的一种分振幅干涉器件。一般由光纤、光纤耦合器、光源和光电探测系统组成。其中，光纤作为敏感元件起接收信号和传输信号作用，光纤耦合器(两个)分别用作分波器和合波器。用于传感器的MZI有两个干涉臂，一个称之为参考臂，另一个称之为探测臂，探测臂放置于待测环境中。由于待测环境的影响(如应力、折射率等的变化)，使在探测臂中传输的光相对参考臂中的光获得了新的相位差，通过探测器可观察到干涉条纹的移动。检测这种移动变化量，从中能够获得待测环境中某些物理量变化的细致信息。利用这一原理，可以测量诸如温度、应变、压力、弯曲、折射率等参量的微小变化。全光纤MZI传感器具有体小质轻、纤细柔软、抗电磁干扰、易制作及布设等优点，因此适宜于分布式传感及长距离感测，在机敏材料、结构检测等方面已得到广泛应用。

弯曲矢量传感器是一种能够同时测量弯曲大小和方向的传感器，并因其在机械结构形态探测方面的重要应用，一直是人们研究的热点问题。利用光学技术，特别是光纤技术，是实现弯曲传感的有效手段。以往这方面的研究工作及成果报道，大多集中于利用光栅来实现弯曲大小和方向的同时探测，主要有两种实现方式：一种是在普通光纤上引入非对称的折射率调制，另外一种是在特殊的非对称光纤上写制光栅。这两种方式也有其局限性，一是光纤光栅对温度敏感，在弯曲测量过程中会出现交叉敏感问题；二是特种光纤成本较高，且与单模光纤熔接较难，会产生较高的损耗，不利于规模化生产应用。近年来，随着光纤干涉仪设计和制作技术的不断进步和成熟，基于全光纤MZI的弯曲传感器愈来愈受到人们的关注。2007年，等人(Opt.Letters，v.32，2007：3074-3076)提出了一种基于多模干涉和长周期光栅级联的全光纤MZI弯曲传感器；2011年，D.Monzon-Hernandez等人(Opt.Letters，v.36，2011：4380-4382)通过在单模光纤拉锥方式，制作出一种可用于弯曲测量的MZI。此外，还有一些其他结构的干涉仪被设计和制作出来。然而，能够辨别弯曲方向的MZI弯曲传感器鲜有报道。2012年，本研究小组(Opt.letters，v.37，2012：4480-4482)首次提出并研制出一种MZI弯曲矢量传感器，该器件由错位熔接和过度熔接两种结构级联构成，可以辨别与错位相平行的两个弯曲方向；但因结构所限，其他弯曲方向无法感测。本发明设计的基于纤栅干涉结构的二维弯曲矢量传感器，采用垂直非对称结构，将对弯曲方向的辨识由一维拓展到二维，为弯曲矢量的多维感测提供了新的实现思路，同时也能解决温度的交叉敏感问题。

发明内容

针对现有光纤及光栅传感器对方向辨识存在的不足，本发明设计一种基于纤栅结构的MZI，提供一种能够在垂直于纤轴平面上实现弯曲大小和方向同时测量的传感器。该MZI弯曲矢量传感器由一段错位熔接的光纤与长周期光纤光栅(LPFG)级联而成。其特点在于：所述光纤为标准单模光纤，或者双包层光纤、微结构光纤、光子晶体光纤；光纤熔接的错位方向与长周期光纤光栅的曝光写制方向垂直(或成一定夹角)；光栅中心位置与错位点的距离为厘米量级。光纤错位熔接量的大小，决定对光场耦合效率的高低；错位量大，耦合效率越高，反之亦然。光栅折射率的调制深度，决定谐振峰处耦合强度的大小；调制越深，耦合强度大，反之亦然。