[发明专利]一种基于强耦合多芯光纤的温度不敏感曲率传感器、曲率测量装置和方法

说明书

本发明公开了一种基于强耦合多芯光纤的温度不敏感曲率传感器、曲率测量装置和方法，曲率传感器包括：强耦合多芯光纤，包括一个中心纤芯和六个位于中心纤芯外围的以正六边形形状排列的外围纤芯，中心纤芯和外围纤芯的轮廓均为正六边形；七个相同中心波长的FBG，分别写入中心纤芯和六个外围纤芯的相同位置；第一单模光纤和第二单模光纤，分别与中心纤芯的两端对准熔接。本发明当强耦合多芯光纤发生弯曲时，其反射光谱没有明显的波长移动；随着光纤的弯曲，两种超模的模式分布会发生改变，其有效折射率差也会发生变化；曲率半径的大小决定参与干涉的两个超模之间的累积相位差变化量；从而两个超模干涉引起了缺口深度的变化，而温度几乎不受影响。

技术领域

本发明涉及曲率检测领域，尤其涉及一种基于强耦合多芯光纤的温度不敏感曲率传感器、曲率测量装置和方法。

背景技术

曲率是描述物体形状的一个重要参数，曲线的曲率(curvature)就是针对曲线上某个点的切线方向角对弧长的转动率，通过微分来定义，表明曲线偏离直线的程度。数学上表明曲线在某一点的弯曲程度的数值。曲率越大，表示曲线的弯曲程度越大。通过对曲率的测量可以了解物体形状的变化趋势。曲率传感器在结构体健康监测、航空航天、机器人学、表面形状测量等方面具有广泛的应用前景，其中基于光纤光栅的曲率传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强和准分布式测量等优点得到国内外学者的青睐。

光纤光栅是近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一。由于它具有许多独特的优点，因而在光纤通信、光纤传感等领域都有着广阔的应用前景，被认为是继掺铒光纤放大器(EDFA)技术之后光纤技术发展的又一重大突破。随着光纤光栅制作技术的不断完善，应用成果的益增加，使得光纤光栅已成为目前最具发展前途，最具代表性的光纤无源器件之一。光纤光栅的出现，极大地拓宽了光纤技术的应用范围。拉格光纤光栅(FBG)作为一种非常重要的传感元件，也广泛应用在光纤传感的许多领域。

Y.P.Wang等人提出的一种基于级联的长周期光纤光栅(Long Period FiberGrating,LPG)曲率传感器，用紫外曝光写入的LPG只受曲率的影响，而两个二氧化碳激光器写入的LPG用于解调弯曲方向(Y.P.Wang,Y.J.Rao.“A Novel Long Period Fiber GratingSensor Measuring Curvature and Determining Bend-Direction Simultaneously,”IEEE Sensors Journal,2005,5(5):839～843.)。此外，J.Kong等人提出了一种基于正交级联偏芯光纤布拉格光栅的二维弯曲传感器，该方案通过比较两个偏芯光纤的中心波长漂移来解调曲率和弯曲方向。(J.Kong,A.Zhou,C.Cheng,et al.“Two-Axis Bending SensorBased on Cascaded Eccentric Core Fiber Bragg Gratings,”IEEE PhotonicsTechnology Letters,2016,28(11):1237～1240.)。

然而在实际应用中，曲率传感器在测量曲率的同时往往伴随着温度的变化。传感器所采集的传感信号是弯曲曲率与温度变化共同作用的结果。现有的曲率传感器解调方案无法区分曲率和温度，因此曲率解调时存在误差。

为解决现有方案中存在的问题，提出了一种基于强耦合多芯光纤布拉格光栅的传感器，可实现温度不敏感曲率传感器，属于本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于强耦合多芯光纤的温度不敏感曲率传感器、曲率测量装置和方法，解决现有技术无法区分弯曲曲率和温度变化导致曲率解调时存在误差的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明的第一方面，提供一种基于强耦合多芯光纤的温度不敏感曲率传感器，包括：