[发明专利]一种白光干涉式纤维集成扭转传感器

说明书

本发明公开了一种白光干涉式纤维集成扭转传感器，其主要特征是：该传感器是由双包层光纤1、螺旋四芯光纤2以及端面反射膜3等部分组成，集成于一根光纤上的扭转传感器。本发明所给出的传感器能够实现扭转角度以及扭转的方向同时测量，由于本发明的固有特性使其在高温条件下尤为适用。另外，还具有灵敏度高、结构紧凑以及成本低等优点。

(一)技术领域

本发明属于光纤技术领域，具体涉及的是一种白光干涉式纤维集成扭转传感器。

(二)背景技术

扭转这个物理量是体现出设备、部件等内部情况的重要参数，所以对于扭转的测量一直是大家研究的重点对象。扭转传感器是对各种旋转的或者是非旋转的部件上对扭转力矩感知的检测。传统的扭转传感器均是基于电学或者电磁感应的原理而进行的扭转测量，此类传感器容易受到电磁干扰，且体积庞大。新生代基于光纤的扭转传感器多是基于光纤光栅的扭转传感器，具有其体积小、易弯折、重量轻等特点，更重要的是不受电磁干扰的特性备受青睐，被广泛应用于扭转的测量。发明专利CN105466362A提出了一种基于相移光纤布拉格光栅的扭转传感器，相移光纤布拉格光栅发生扭转后，透射谱的单个透射峰分裂成两个透射峰，然后对两个透射峰的幅值差值进行编码、解码进而得到扭转角度和扭转方向。申请人于2011年公开了一种基于非对称双芯光纤的扭转传感器(公告号：CN102288136B)，利用非对称的双芯光纤将参考臂和传感臂集成在一个光纤中，避免了复杂的光栅写入等繁杂的步骤，制作也更加低廉、方便，成本更低。

多芯光纤提出于上世纪七十年代，目的是为了解决降低光纤光缆的成本问题以及提高光纤光缆密集度的问题。随着多芯光纤技术的发展，多芯光纤的应用愈加广泛，不仅仅应用于光通信领域，更广泛的应用于光纤激光器、光纤光学器件以及光纤传感领域。

热扩散耦合技术提出于上世纪九十年代，目的在于解决不同光纤的对准、耦合等问题。近年来由于其成本低、插损低等特点得到了广泛的研究与发展，应用于光纤通信中的隔离器件以及滤波器件等。

本发明所提供的白光干涉式纤维集成扭转传感器解决了以往光纤扭转传感器机械强度差、解调依赖光谱仪导致系统复杂，成本高昂等问题。可以实现扭转方向以及扭转角度同时测量，而且多芯光纤同时测量，可以消除环境温度、应力等其它因素的交叉影响。而且，由于传感器仅是一根多芯光纤并且是熔接而成，没有任何用于连接的接插件，所以在高温条件下几乎没有影响，尤其适用于高温条件下的扭转测量，其独特性是其它传感器系统所不能替代的。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种白光干涉式纤维集成扭转传感器，可用于高温条件下的扭转测量。

本发明的目的是这样实现的：该光纤传感器是由双包层光纤1、螺旋四芯光纤2以及端面反射膜3等部分组成。双包层光纤1、螺旋四芯光纤2熔接在一起，在螺旋四芯光纤端面镀金属反射膜3，形成一种白光干涉式纤维集成扭转传感器。

本发明中使用了一种特殊的光纤——双包层光纤(光纤结构如图1所示)、菲涅尔反射定律以及热扩散效应。图1中所示的特殊光纤折射率分为三层，分别为n₁、n₂和n₃，它们之间的关系是n₁n₂n₃(假设螺旋四芯光纤纤芯以及包层折射率分别为n₂和n₃)。当一段这种特殊光纤与螺旋四芯光纤焊接到一起时，两端光纤连接面如图1所示，由于二者存在折射率差，光束在此处会有部分反射、部分投射，反射率R由菲涅尔反射定律可推导：

两光纤之间的折射率差约为0.01，通过公式(1)即可估算出光束在连接面反射率约为3.33*10^-5。这说明在连接处仅有10^-5量级的光信号发生反射，其余的光透射到螺旋四芯光纤中。