[发明专利]一种高灵敏度高精度的光纤形状传感测量方法及系统

权利要求书

1.一种高灵敏度高精度的光纤形状传感测量方法，其特征在于，

当具有一定厚度的物体产生弯曲时，一侧被拉伸，另一侧被压缩，假定其上光纤纤芯离中性轴的距离分别为d₁、d2，弯曲后应变分别为ε₁、ε₂，未弯曲前长度为L，弯曲半径为R，则：

L₁＝(1+ε₁)L (0-1)

L₂＝(1+ε₂)L (0-2)

几何关系为：

联立上面三个等式得到应变和弯曲半径的关系：

式中κ为曲率，是弯曲半径的倒数；

又有布里渊频移改变量与温度、应变改变量的关系式为：

△v_B＝C_T·△T+C_ε·△ε (0-5)

式中△v_B为布里渊频移改变量，C_T为布里渊频移温度系数，△T为温度改变量，C_ε为布里渊频移应变系数，△ε为应变改变量，从式中看出，布里渊频移改变量与应变改变量呈线性关系，当温度不变时，得到：

△v_B＝C_ε·△ε (0-6)

即有布里渊频移改变量与应变改变量成正比，若初始应变为0，则有：

△v_B＝C_ε·ε (0-7)

式(0-4)为光纤应变和弯曲半径之间的关系，式(0-7)为光纤布里渊频移改变量与应变之间的关系，两者联立有：

△v_B＝C_ε·d·κ＝A·κ (0-8)

就能够将布里渊频移与曲率对应起来；

先测量出无弯曲时光纤的布里渊频移作为基底，然后将传感器摆成任意的形状，再对光纤的布里渊频移进行测量，通过减去基底求出弯曲形状各处的布里渊频移改变量；然后利用式(0-8)推出弯曲各处的曲率半径，进而恢复出相应的弯曲形状；

在进行形状恢复时，使用的算法是圆弧拼接法，该方法采用分段均值的办法，将形状传感器分成若干段，每一段的布里渊频移改变量做平均，求出其对应曲率作为该段的弯曲曲率，这样每一段的曲率都能够求出来，这样我们就得到了一段一段等弧长的圆弧在圆弧进行拼接前，先选定起始段端点的坐标及其切线方向，然后需要对圆弧的弯曲方向进行判定，然后将这一系列圆弧上一段的尾端和下一段的首端连接起来，连接点处保持切线方向相同，这样就完成了整体形状的还原。

2.一种权利要求1所述的高灵敏度高精度的光纤形状传感测量方法使用的测量系统，其特征在于，包括：激光器(1)、50∶50耦合器(2)、偏振控制器一(3)、任意函数发生器(4)、电光调制器一(5)、掺饵光纤放大器(6)、环形器(7)、滤波器(8)、传感器(9)、光电探测器(10)、数据采集卡(11)、隔离器(12)、电光调制器二(14)、微波源(15)和偏振控制器二(16)，所述激光器(1)的输出端与50:50耦合器(2)的输入端相连接，50:50耦合器(2)的两个输出端分别与偏振控制器一(3)的输入端和偏振控制器二(16)的输入端相连接，偏振控制器一(3)的输出端与电光调制器一(5)的输入端相连接，电光调制器一(5)的输出端与掺饵光纤放大器(6)的输入端相连接，掺饵光纤放大器(6)的输出端与环形器(7)的a端相连接，环形器(7)的b端与传感器(9)相连接，偏振控制器二(16)的输出端与电光调制器二(14)的输入端相连接，电光调制器二(14)的输出端与隔离器(12)一端相连接，隔离器(12)的另一端与传感器(9)相连接，任意函数发生器(4)与电光调制器一(5)相连接，微波源(15)和电光调制器二(14)相连接，数据采集卡(11)与光电探测器(10)的一端相连接，光电探测器(10)的另一端与滤波器(8)的一端相连接，滤波器(8)的另一端与环形器(7)的c端相连接。

3.权利要求2所述的高灵敏度高精度的光纤形状传感测量方法使用的测量系统，其特征在于，所述传感器(9)为形状传感器。