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专利名称：侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于结构弯曲变形检测的光纤传感器，尤其涉及一种使用寿命长，且可使用石英光纤制作的侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器。
背景技术：
在某些情况下，测量结构的弯曲变形或根据弯曲变形推算拉压变形，比测量结构的拉伸和压缩变形更为有利。例如，对于埋入式传感器，由于结构的中性层处不存在拉压变形，传统的对拉压敏感的传感器将不再适用，而弯曲变形仍然存在。另外，传统的粘贴在结构表面的传感器，如电阻应变片，也不能承受较大的弯曲变形。因此，在这种背景下，直接测量结构弯曲变形的传感器应运而生。
传统的方法是基于Bragg光纤光栅，可检测弯曲半径在200米以下的弯曲变形 (参见美国专利 US 20010983048 及 Rathje J.在 1998 年发表在 Conference on Optical Fiber Communication的论文)，然而，由于光栅的制作工艺非常复杂,对温度和拉压应变也敏感，还需要昂贵的光谱分析仪，因此这种传感器的应用受到限制。现有的一种光纤曲率传感器是采用表面刻蚀或热压纹成型的方法，见美国专利US 5, 321, 257,US 2002/0024656A1 和日本专利JP 2007-248213A，其原理是在光纤的芯包界面加工出锯齿状沟槽，当光在传输过程中遇到锯齿状沟槽时，由于不同的光纤弯曲半径改变了光纤入射角度，由菲涅耳定律可知将产生不同的折射光能量损耗比例，因此输出光强随光纤弯曲半径而改变。这种光纤曲率传感器为了达到一定的灵敏度，光纤弯曲增敏区必须有较深的、间距为0. 03毫米 0.5毫米的锯齿状沟槽，然而以这种测量原理对光纤弯曲增敏区进行处理，将导致光纤非常容易折断，即使用树脂涂覆也不能避免微裂纹的发展而产生折断，不能长期使用，尤其是不能在大弯曲变形的条件下使用，对于石英光纤更是不能用这种方法处理。若采用模具热压成型的方法对聚合物光纤进行表面处理获得所需锯齿状沟槽，其热压模具的温度必须达到 170 210°C，超出聚合物光纤的热变形温度，这将导致聚合物光纤变性变脆，透光率也会明显降低。
综上所述，现有光纤曲率传感器存在易折断、使用寿命短，且不能适用石英光纤制作的技术问题。发明内容
本发明的目的在于提供一种侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器，以解决现有光纤曲率传感器存在易折断、使用寿命短，且不能使用石英光纤制作的技术问题。
本发明的另一目的在于提供一种用于结构弯曲变形检测的光纤传感测量系统，以解决现有光纤曲率传感器存在易折断、使用寿命短，且不能使用石英光纤制作的技术问题。
本发明的又一目的在于提供一种光纤弯曲增敏处理方法，以解决现有光纤曲率传感器存在易折断、使用寿命短，且不能使用石英光纤制作的技术问题。
为达到上述目的，本发明提供一种侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器，包括光纤、光纤弯曲增敏区、光发射器、光接收器、第一连接器、第二连接器以及第一信号放大调理电路，光纤一端通过第一连接器与光发射器连接，另一端通过第二连接器与光接收器连接； 光纤弯曲增敏区设置在光纤部分纤芯侧表面，其由散射剂涂敷于纤芯表面，且散射剂由散射体与染色剂和粘接剂的混合物混合而成；第一信号放大调理电路分别与光发射器和光接收器连接，用以对光发射器进行调制驱动及对光接收器的输出电压信号进行放大处理及滤波。
依照本发明较佳实施例所述的侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器，其光纤为聚合物多模光纤或石英多模光纤，且聚合物多模光纤直径可从0. I毫米到3毫米，石英多模光纤直径在0. I毫米到0. 5毫米。
依照本发明较佳实施例所述的侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器，其光纤弯曲增敏区所涂敷的纤芯侧表面是经抛光处理获得的光滑纤芯表面，且纤芯表面的表面粗糙度低于 RaO. 2。
依照本发明较佳实施例所述的侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器,其散射体为粒径10微米到100微米的空心玻璃微珠，且空心玻璃微珠的折射率大于或等于光纤纤芯折射率。
依照本发明较佳实施例所述的侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器，其染色剂是炭黑或其他油溶性黑色染料。
依照本发明较佳实施例所述的侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器，其粘接剂采用双酚A型环氧树脂和三乙烯四胺固化剂、紫外固化树脂、单组分聚氨酯胶、压克力专用胶或热塑性橡胶胶水。
依照本发明较佳实施例所述的侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器，其光纤弯曲增敏区的长度为10毫米至20毫米，且光纤弯曲增敏区的深度为光纤包层直径的1/3至1/4。
依照本发明较佳实施例所述的侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器，其光发射器为激光LED或LED ;光接收器为光敏三极管；第一连接器和第二连接器采用螺纹锥套锁紧结构，其在锁紧螺母的同时，锥套的锥面压紧光纤实现锁紧。
依照本发明较佳实施例的侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器，其第一信号放大调理电路进一步包括第一光源驱动电路、放大电路及第一滤波电路；第一光源驱动电路与光发射器连接，用以对光发射器进行调制驱动；放大电路与光接收器连接，用以对光接收器的输出信号进行放大；第一滤波电路与放大电路连接，用以对放大电路的输出信号进行滤波处理。
本发明还提供一种用于结构弯曲变形检测的光纤传感测量系统，包括一传输光纤、若干传感光纤、一参考光纤、一光发射器、若干光接收器、一第一连接器、若干第二连接器，扰模器，光纤耦合器，第二信号放大调理电路，以及数据采集卡和计算机，光发射器通过第一连接器与传输光纤连接，扰模器和光耦合器依次与传输光纤连接，且传输光纤经扰模器后分为若干路传感光纤和一路参考光纤，传感光纤上部分纤芯侧表面设置有光纤弯曲增敏区，光纤弯曲增敏区由散射剂涂敷于纤芯表面，且散射剂由散射体与染色剂和粘接剂的混合物混合而成；参考光纤用以实现对外界温度或光纤引线弯曲引起的平衡或不平衡共模干扰信号的抑制作用；第二连接器和光接收器的数量与传感光纤和参考光纤的数量和相对应，且光接收器分别通过第二连接器与对应的传感光纤及参考光纤连接，第二放大调理电路与光接收器连接，数据采集卡分别与第二放大调理电路及计算机连接。
依照本发明较佳实施例所述的用于结构弯曲变形检测的光纤传感测量系统，其光发射器是激光LED或LED，光接收器是光敏三极管，第一连接器和第二连接器采用螺纹锥套锁紧结构，其在锁紧螺母的同时，锥套的锥面压紧光纤实现锁紧。
依照本发明较佳实施例所述的用于结构弯曲变形检测的光纤传感测量系统，其扰模器的结构是将光纤在直径20毫米的圆筒上缠绕数圈；光纤耦合器采用通用型多模光纤率禹合器。
依照本发明较佳实施例所述的用于结构弯曲变形检测的光纤传感测量系统，其第二信号放大调理电路用以对传感光纤和参考光纤的信号进行处理，其进一步包括第二光源驱动电路、若干除法器电路、差动信号放大电路和第二滤波电路，第二光源驱动电路与光发射器连接，除法器的数量与传感光纤的数量相对应，其分别与光接收器和差动信号放大电路连接，第二滤波电路分别与差动信号放大电路和数据采集卡连接。
本发明又提供一种光纤弯曲增敏处理方法，包括以下步骤
(I)在聚合物多模光纤或石英多模光纤上取一段10毫米至20毫米长的区域，去掉光纤护套后露出光纤包层表面，经研磨处理获得露出的纤芯表面，再抛光加工后得到表面粗糙度低于RaO. 2的光滑的纤芯表面；
(2)将散射体、染色剂和粘接剂按体积比2 I 3混合制成散射剂，其中，
散射体为粒径10微米到100微米的空心玻璃微珠，且空心玻璃微珠的折射率大于或等于光纤纤芯折射率；染色剂是炭黑或其他油溶性黑色染料；粘接剂是双酚A型环氧树脂和三乙烯四胺固化剂、紫外固化树脂、单组分聚氨酯胶、压克力专用胶或热塑性橡胶胶水。
(3)将步骤(2)制得的散射剂涂敷于步骤(I)得到的纤芯表面，固化后形成光纤弯曲增敏区。
本发明的测量原理是基于光纤倏逝场散射损耗随弯曲变形改变产生对输出光强调制作用的机理，在部分芯包界面掺杂散射体，制成侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器，实验表明，其散射损耗同光纤的弯曲半径有关，光纤弯曲半径的微小变化，可使输出光强损耗发生明显变化，相对没有弯曲增敏区的光纤的宏弯损耗，弯曲灵敏度可提高3个数量级，与原有的光纤曲率传感器一样具有很高的弯曲灵敏度，并且弯曲灵敏度具有方向性。本发明的侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器同原有的光纤曲率传感器相比，传感器的测量原理不同，且制作方法不同，其采用在光滑的纤芯表面涂敷散射体的方法，而不是采用机械刻痕、 化学腐蚀或模具热压成形的糙化处理光纤纤芯表面的方法，光纤表面无机械加工的锯齿状沟槽或刻痕，所以不会产生微裂纹和降低机械强度，光纤不易折断，使用寿命更长。另外， 由于不需使用热压成形的方法，可用石英光纤作为光纤传感器材料，便于在工业生产中应用。本发明可用于结构弯曲变形的检测，也可适用于高柔性结构在较大弯曲变形下检测的场合。此传感器能区分正向弯曲和负向弯曲，仅对弯曲变形敏感，不需要待测结构产生拉压应变，可埋入结构的中性层位置进行检测，适用于精密机械、机器人、结构状态监测等工程测量技术领域。
综上所述，与现有技术相比，本发明具有光纤在光纤弯曲增敏区处不易折断，传感器使用寿命长、灵敏度高、成本低、易于制作且可用石英光纤作为传感器材料，适合实际工业生产应用的优点。


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图I为本发明侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器的应用示意图；2为本发明实施例的弯曲增敏区的结构示意图；3为图2的A-A剖面图；4为本发明侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器的传感原理图；5为本发明侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器的输出方向性示意图；6为本发明用于结构弯曲变形检测的光纤传感测量系统的结构示意图；7为多个(本例用3个)侧掺杂光纤曲率传感器埋入复合材料板内部的测量原8为本发明实施例的光纤出口保护结构示意图；9为一种便于光纤敏感区方向定位的方案图；10为本发明光纤弯曲增敏处理方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图，具体说明本发明。
请同时参阅图I至图4，一种侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器，通过粘接剂粘接在待测结构3表面，其包括光纤I、光纤弯曲增敏区2、光发射器4、光接收器5、第一连接器6、第二连接器7以及第一信号放大调理电路8，光纤I 一端通过第一连接器6与光发射器4 连接，另一端通过第二连接器7与光接收器5连接；光纤弯曲增敏区2设置在光纤I部分纤芯12侧表面，其由散射剂涂敷于纤芯12侧表面，且散射剂由散射体13与染色剂和粘接剂的混合物14混合而成；第一信号放大调理电路8分别与光发射器4和光接收器5连接，用以对光发射器4进行调制驱动及对光接收器5的输出电压信号进行放大处理及滤波。
光纤I为聚合物多模光纤或石英多模光纤，且若采用聚合物多模光纤，则光纤直径可为0. I毫米到3毫米，而采用石英多模光纤，则直径在0. I毫米到0. 5毫米。
光纤弯曲增敏区2的长度为10毫米至20毫米，其深度为光纤I包层直径的1/3 至1/4。并且，光纤弯曲增敏区2所涂敷的纤芯12侧表面是经抛光处理获得的光滑纤芯侧表面，纤芯侧表面的表面粗糙度低于RaO. 2。
散射体13为粒径10微米到100微米的空心玻璃微珠，并且，为了保证传感器有较高的灵敏度，空心玻璃微珠的折射率大于或等于光纤纤芯12的折射率。染色剂是炭黑或其他油溶性黑色染料。粘接剂采用双酚A型环氧树脂和三乙烯四胺固化剂、紫外固化树脂、单组分聚氨酯胶、压克力专用胶或热塑性橡胶胶水。
光发射器为激光LED或LED ;光接收器5为光敏三极管；第一连接器6和第二连接器7采用螺纹锥套锁紧结构，其在锁紧螺母的同时，锥套的锥面压紧光纤I实现锁紧。
第一信号放大调理电路8进一步包括第一光源驱动电路、放大电路及第一滤波电路；第一光源驱动电路与光发射器4连接，用以对光发射器4进行调制驱动；放大电路与光接收器5连接，用以对光接收器5的输出信号进行放大；第一滤波电路与放大电路连接， 用以对放大电路的输出信号进行滤波处理。
如图2和图3所示，为获得光纤弯曲增敏区2，选用聚合物多模光纤或石英多模光纤I作为光纤基体材料，首先去除部分光纤I的外层保护套10，露出长度为10毫米至20毫米的光纤包层11表面，然后经研磨处理，去除此段长度的部分光纤包层11，并用磨料抛光至光纤纤芯12，获得光滑的光纤纤芯12侧表面，此段长度的光纤纤芯12侧表面经抛光加工后表面粗糙度应低于RaO. 2 ;然后用单组分聚氨酯胶作为粘接剂和炭黑染色剂混合，制成粘接剂和染色剂的混合物14，并同粒径10微米到100微米的空心玻璃微珠即散射体13混合成散射剂，散射体、染色剂、粘接剂的体积比为2 I 3 ;再将散射剂涂敷到此段抛光后的光纤纤芯12侧表面，固化后获得光纤弯曲增敏区2。为保证传感器有较高的灵敏度，控制抛光处理至光纤纤芯12的弯曲增敏区2的深度为光纤包层11处直径的1/3至1/4。
本发明的测量原理是基于光纤倏逝场散射损耗随弯曲变形改变产生对输出光强调制作用的机理当光传输至光纤的芯包界面时，在反射点和入射点间存在几个光波长的古斯-汉欣(Goos- Hanchen)位移，透过边界之外与返回界面之内的电磁能量按其时间的平均值等于零，在界面平整且界面外媒质为非吸收、散射媒质的情况下，透射的能量仍然全部返回到原介质内，因此称此种电磁场为“倏逝场”，但如果在部分芯包界面掺杂散射体，制成“侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器”，就会有部分倏逝场的光能量发生散射(包括直接从散射体上散射出光纤，前向散射和后向散射三部分)损耗。实验表明，其散射损耗同光纤的弯曲半径有关，并且弯曲灵敏度具有方向性，同原有的光纤曲率传感器相比，同样具有很高的灵敏度。
采用聚合物多模光纤或石英光纤作为光纤基体材料，为加大光纤在弯曲状态下的弯曲损耗，对光纤表面进行弯曲增敏处理，因光纤弯曲增敏区的倏逝场散射损耗的改变产生对输出光强的调制作用，当光纤在不同弯曲半径下，输出光强会发生明显的改变，同没有加工弯曲增敏区的光纤相比，因弯曲产生的光传输宏弯损耗会提高3个数量级，其光强输出信号通过光敏元件和信号放大调理处理电路可转换成电压输出信号。请参见图4，其为本发明侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器的传感原理图，在光纤I内按全反射原理传输的光，传输至纤芯12与光纤弯曲增敏区2界面时，遇到散射体13发生倏逝场散射损耗，并产生光的前向散射、后向散射及散射体上的散射，部分散射光被黑色染色剂吸收，总的光散射损耗大小与光纤弯曲半径和弯曲方向有关，即传感器的输出还具有方向性。
通过实验表明，本发明的侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器的输出具有方向性 参见图5，当光纤向弯曲增敏区一侧的方向(图5中的X轴负向)弯曲时，倏逝场散射损耗变小，传感器的输出光强增大；当光纤向弯曲增敏区的反方向(图5中的X轴正向)一侧弯曲时，倏逝场散射损耗变大，传感器的输出光强减小，因此传感器可以区分正向弯曲和负向弯曲。另外，当光纤沿弯曲增敏区的切向方向(图5中的Y轴)弯曲时，其倏逝场散射损耗不变，传感器的输出光强不变；当光纤沿其它方向(与图5中的X轴和Y轴成一夹角)弯曲时，见图5，侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器的灵敏度Se符合余弦变化规律，传感器沿X 轴方向存在最大灵敏度Sm，且有Se = SmXcos 0。
基于上述的侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器，本发明还提供一种用于结构弯曲变形检测的光纤传感测量系统，包括一传输光纤、若干传感光纤、一参考光纤、一光发射器、若干光接收器、一第一连接器、若干第二连接器，扰模器，光纤稱合器，第二信号放大调理电路，以及数据采集卡和计算机，光发射器通过第一连接器与传输光纤连接，扰模器和光耦合器依次与传输光纤连接，且传输光纤经扰模器后分为若干路传感光纤和一路参考光纤，传感光纤上部分纤芯侧表面设置有光纤弯曲增敏区，光纤弯曲增敏区由散射剂涂敷于纤芯侧表面，且散射剂由散射体与染色剂和粘接剂的混合物混合而成；参考光纤用以实现对外界温度或光纤引线弯曲引起的平衡或不平衡共模干扰信号的抑制作用；第二连接器和光接收器的数量与传感光纤和参考光纤的数量和相对应，且光接收器分别通过第二连接器与对应的传感光纤及参考光纤连接，第二放大调理电路与光接收器连接，数据采集卡分别与第二放大调理电路及计算机连接。
在本实施例中，光发射器、光接收器及第一连接器和第二连接器的结构均与前述侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器的光发射器、光接收器及第一连接器和第二连接器的结构相同，因此，在此不予赘述。
在本发明的较佳实施例中，扰模器的结构是将光纤在直径20毫米的圆筒上缠绕数圈；光纤耦合器采用通用型多模光纤耦合器。上述的第二信号放大调理电路用以对传感光纤和参考光纤的信号进行处理，其进一步包括第二光源驱动电路、若干除法器电路、差动信号放大电路和第二滤波电路，第二光源驱动电路与光发射器连接，除法器的数量与传感光纤的数量相对应，其分别与光接收器和差动信号放大电路连接，第二滤波电路分别与差动信号放大电路和数据采集卡连接。
以下以采用两路传感光纤和一路参考光纤组成的结构弯曲变形测量系统对本发明的用于结构弯曲变形检测的光纤传感测量系统的工作过程进行说明。
请参阅图6，由第二光源驱动电路20对光发射器4用IKHz方波信号进行调制驱动，与滤波电路26共同实现对外界杂散光的干扰抑制；光发射器4与第一连接器6相连,输出光经传输光纤9传输至扰模器21，扰模器21是将传输光纤9在直径20毫米的圆筒上缠绕数圈，使多模光纤中的高阶模较快衰减，输出更稳定；然后由传输光纤9经光纤耦合器22 分为两路传感光纤la、Ib和一路参考光纤Ic,即la、lb、Ic共用同一光发射器4的输出；参考光纤Ic用以实现对外界温度或光纤引线弯曲引起的平衡或不平衡共模干扰信号的抑制作用；两根传感光纤Ia和Ib埋入或粘贴在待测结构3的内部或表面；la和Ib上加工有光纤弯曲增敏区2a和2b，并保证粘贴时光纤弯曲增敏区2a、2b的法线方向相反，即待测结构 3弯曲时，2a和2b —个向待测结构3的凸的一侧弯曲，一个向待测结构3的凹的一侧弯曲； 参考光纤Ic上没有光纤弯曲增敏区；7a、7b、7c分别是3个独立的与第二连接器7结构相同的连接器，与光接收器5a、5b、5c分别相连；光强信号经5a、5b、5c后转换成电压信号,然后两路传感光纤la、lb的输出电压信号分别通过两个除法器23、24同一路参考光纤Ic的输出电压信号相除，实现对不平衡共模干扰信号的抑制；通过除法器后的两路输出再经过差动放大电路25，实现对电压信号的放大和对平衡共模干扰信号的抑制，最后通过第二滤波电路26进行对调制信号的带通滤波和对低频干扰信号的滤波后进入数据采集卡27，由数据采集卡27传输至计算机及显示单元28完成最终信号的处理和显示。
对于上述系统，可进一步将多根侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器埋入复合材料内部，制成一种埋入式光纤传感器，在线检测薄板或薄壁件的变形情况。如图7所示是一种在线检测复合材料板形状的测量装置采用三根传感光纤la、lb、Id和一根参考光纤lc，在 la、lb、Id上分别加工有光纤弯曲增敏区2a、2b、2d，然后分别按一个环形回路埋入复合材料板30的中性层处，将光纤弯曲增敏区2a、2b、2d间隔均匀地布置在复合材料板内。当对复合材料板各层加入树脂粘接剂和固化剂时，应控制弯曲增敏区2a、2b、2d的最大灵敏度方向垂直于复合材料板的表面。另外，当将侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器埋入复合材料内部时，为防止脆弱的光纤在复合材料板的引出位置发生折断，在光纤从复合材料板的引出位置安装有光纤出口保护结构31。如图8，光纤出口保护结构31是由铝合金保护盒上半40和铝合金保护盒下半41组成，光纤从复合材料板的侧表面引出，光纤在出口附近套有塑料套管42 ;在40和41之间填充硅酮密封胶43，四根光纤la、lb、lc、Id从复合材料板引出后通过光纤耦合器22同外部传输光纤相连接，将输出光信号传输至位于远端的第二信号放大调理电路，转换成放大的模拟量信号送数据采集卡27，由计算机及显示单元28完成最终信号处理和显示。
为防止光纤埋入待测结构3内部或粘贴在待测结构3上时发生滚动，可将多根侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器并排布置以便于光纤敏感区方向定位。如图9所示，先将多根光纤I并排成为一条光纤带，粘贴或埋入待测结构3并初步定位，然后在各光纤表面加工光纤弯曲增敏区2，最后将多根光纤I组成的光纤带用粘接剂定位在待测结构3表面或待测结构3内部。
本发明又提供一种光纤弯曲增敏处理方法，参见图10，包括以下步骤
Sll :在聚合物多模光纤或石英多模光纤上取一段10毫米至20毫米长的区域，去掉光纤部分护套后露出光纤包层表面，经研磨处理获得露出的纤芯侧表面，再抛光加工后得到表面粗糙度低于RaO. 2的光滑的纤芯侧表面；
S12 :将散射体、染色剂和粘接剂按体积比2 I 3混合制成散射剂，其中，散射体为粒径10微米到100微米的空心玻璃微珠，且空心玻璃微珠的折射率大于或等于光纤纤芯折射率；染色剂是炭黑或其他油溶性黑色染料；粘接剂是双酚A型环氧树脂和三乙烯四胺固化剂、紫外固化树脂、单组分聚氨酯胶、压克力专用胶或热塑性橡胶胶水。
在本发明的较佳实施例中，上述的粘接剂采用单组分聚氨酯胶和炭黑染色剂混合，制成粘接剂和染色剂的混合物，并同粒径10微米到100微米的空心玻璃微珠混合成散射剂。
S13 :将步骤S12制得的散射剂涂敷于步骤Sll得到的纤芯侧表面，固化后形成光纤弯曲增敏区。
在该步骤中，为保证传感器有较高的灵敏度，要抛光处理至光纤纤芯的弯曲增敏区的深度为光纤包层处直径的1/3至1/4。
本发明为加大光纤在弯曲状态下的弯曲损耗而采用的光纤弯曲增敏处理方法，是在光滑的纤芯表面涂敷散射体的方法，而不是采用机械刻痕、化学腐蚀或模具热压成形的糙化处理光纤纤芯表面的方法，因此纤芯表面无刻痕和沟槽，不会产生微裂纹和降低机械强度，传感器不易损坏。
本发明的测量原理是基于光纤倏逝场散射损耗随弯曲变形改变产生对输出光强调制作用的机理，在部分芯包界面掺杂散射体，制成侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器，实验表明，其散射损耗同光纤的弯曲半径有关，光纤弯曲半径的微小变化，可使输出光强损耗发生明显变化，相对没有弯曲增敏区的光纤的宏弯损耗，弯曲灵敏度可提高3个数量级，与原有的光纤曲率传感器一样具有很高的弯曲灵敏度，并且弯曲灵敏度具有方向性。本发明的侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器同原有的光纤曲率传感器相比，传感器的测量原理不同，且制作方法不同，其采用在光滑的纤芯表面涂敷散射体的方法，而不是采用机械刻痕、 化学腐蚀或模具热压成形的糙化处理光纤纤芯表面的方法，光纤表面无机械加工的锯齿状沟槽或刻痕，所以不会产生微裂纹和降低机械强度，光纤不易折断，使用寿命更长。另外，由于不需使用热压成形的方法，可用石英光纤作为光纤传感器材料，便于在工业生产中应用， 有效克服了已有的机械刻痕或模具热压成形的方法不适用于石英光纤的缺点。本发明可用于结构弯曲变形的检测，也可适用于高柔性结构在较大弯曲变形下检测的场合。此传感器能区分正向弯曲和负向弯曲，仅对弯曲变形敏感，不需要待测结构产生拉压应变，可埋入结构的中性层位置进行检测，适用于精密机械、机器人、结构状态监测等工程测量技术领域。
综上所述，与现有技术相比，本发明具有光纤在光纤弯曲增敏区处不易折断，传感器使用寿命长、灵敏度高、成本低、易于制作且可用石英光纤作为传感器材料，适合实际工业生产应用的优点。
以上所述，仅是本发明的较佳实施实例而已，并非对本发明做任何形式上的限制， 任何未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。
权利要求
1.一种侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器，其特征在于，包括光纤、光纤弯曲增敏区、光发射器、光接收器、第一连接器、第二连接器以及第一信号放大调理电路，所述光纤一端通过所述第一连接器与所述光发射器连接，另一端通过所述第二连接器与所述光接收器连接；所述光纤弯曲增敏区设置在所述光纤部分纤芯侧表面，其由散射剂涂敷于纤芯侧表面，且所述散射剂由散射体与染色剂和粘接剂的混合物混合而成；所述第一信号放大调理电路分别与所述光发射器和光接收器连接，用以对光发射器进行调制驱动及对光接收器的输出信号进行放大处理及滤波。
2.如权利要求I所述的侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器，其特征在于，所述光纤为聚合物多模光纤或石英多模光纤，且所述聚合物多模光纤直径为0. I毫米到3毫米，所述石英多模光纤直径为0. I毫米到0. 5毫米。
3.如权利要求I所述的侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器，其特征在于，所述光纤弯曲增敏区所涂敷的纤芯侧表面是经抛光处理获得的光滑纤芯侧表面，且所述纤芯侧表面的表面粗糙度低于RaO. 2。
4.如权利要求I所述的侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器，其特征在于，所述散射体为粒径10微米到100微米的空心玻璃微珠，且所述空心玻璃微珠的折射率大于或等于所述光纤纤芯折射率。
5.如权利要求I所述的侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器，其特征在于，所述染色剂是炭黑或其他油溶性黑色染料。
6.如权利要求I所述的侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器，其特征在于，所述粘接剂采用双酚A型环氧树脂和三乙烯四胺固化剂、紫外固化树脂、单组分聚氨酯胶、压克力专用胶或热塑性橡胶胶水。
7.如权利要求I所述的侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器，其特征在于，所述光纤弯曲增敏区的长度为10毫米至20毫米，且所述光纤弯曲增敏区的深度为所述光纤包层处直径的1/3至1/4。
8.如权利要求I所述的侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器，其特征在于，所述光发射器为激光LED或LED ;所述光接收器为光敏三极管；所述第一连接器和第二连接器采用螺纹锥套锁紧结构，其在锁紧螺母的同时，锥套的锥面压紧所述光纤实现锁紧。
9.如权利要求I所述的侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器，其特征在于，所述第一信号放大调理电路进一步包括第一光源驱动电路、放大电路及第一滤波电路；所述第一光源驱动电路与所述光发射器连接，用以对所述光发射器进行调制驱动；所述放大电路与所述光接收器连接，用以对所述光接收器的输出信号进行放大；所述第一滤波电路与所述放大电路连接，用以对所述放大电路的输出信号进行滤波处理。
10.一种用于结构弯曲变形检测的光纤传感测量系统，其特征在于，包括一传输光纤、若干传感光纤、一参考光纤、一光发射器、若干光接收器、一第一连接器、若干第二连接器，扰模器，光纤耦合器，第二信号放大调理电路，以及数据采集卡和计算机，所述光发射器通过所述第一连接器与所述传输光纤连接，所述扰模器和光耦合器依次与所述传输光纤连接，且所述传输光纤经所述扰模器后分为若干路传感光纤和一路参考光纤，所述传感光纤上部分纤芯侧表面设置有光纤弯曲增敏区，所述光纤弯曲增敏区由散射剂涂敷于纤芯侧表面，且所述散射剂由散射体与染色剂和粘接剂的混合物混合而成；所述参考光纤用以实现对外界温度或光纤引线弯曲引起的平衡或不平衡共模干扰信号的抑制作用；所述第二连接器和光接收器的数量与所述传感光纤和参考光纤的数量和相对应，且所述光接收器分别通过所述第二连接器与对应的传感光纤及参考光纤连接，所述第二放大调理电路与所述光接收器连接，所述数据采集卡分别与所述第二放大调理电路及计算机连接。
11.如权利要求10所述的用于结构弯曲变形检测的光纤传感测量系统，其特征在于， 所述光发射器是激光LED或LED，所述光接收器是光敏三极管，所述第一连接器和第二连接器采用螺纹锥套锁紧结构，其在锁紧螺母的同时，锥套的锥面压紧所述光纤实现锁紧。
12.如权利要求10所述的用于结构弯曲变形检测的光纤传感测量系统，其特征在于， 所述扰模器的结构是将所述光纤在直径20毫米的圆筒上缠绕数圈；所述光纤耦合器采用通用型多模光纤耦合器。
13.如权利要求10所述的用于结构弯曲变形检测的光纤传感测量系统，其特征在于， 所述第二信号放大调理电路用以对所述传感光纤和参考光纤的信号进行处理，其进一步包括第二光源驱动电路、若干除法器电路、差动信号放大电路和第二滤波电路，所述第二光源驱动电路与所述光发射器连接，所述除法器的数量与所述传感光纤的数量相对应，其分别与所述光接收器和差动信号放大电路连接，所述第二滤波电路分别与所述差动信号放大电路和数据采集卡连接。
14.一种光纤弯曲增敏处理方法，其特征在于，包括以下步骤(1)在聚合物多模光纤或石英多模光纤上取一段10毫米至20毫米长的区域，去掉光纤部分护套后露出光纤包层表面，经研磨处理获得露出的纤芯侧表面，再抛光加工后得到表面粗糙度低于RaO. 2的光滑的纤芯侧表面；(2)将散色体、染色剂和粘接剂按体积比2 I 3混合制成散射剂，其中，所述散射体为粒径10微米到100微米的空心玻璃微珠，且所述空心玻璃微珠的折射率大于或等于光纤纤芯折射率；所述染色剂是炭黑或其他油溶性黑色染料；所述粘接剂是双酚A型环氧树脂和三乙烯四胺固化剂、紫外固化树脂、单组分聚氨酯胶、压克力专用胶或热塑性橡胶胶水。(3)将步骤(2)制得的散射剂涂敷于步骤(I)得到的纤芯侧表面，固化后形成光纤弯曲增敏区。
全文摘要
一种侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器，包括光纤、光纤弯曲增敏区、光发射器、光接收器、第一连接器、第二连接器以及信号放大调理电路，光纤一端通过第一连接器与光发射器连接，另一端通过第二连接器与光接收器连接；光纤弯曲增敏区设置在光纤部分纤芯侧表面，其由散射剂涂敷于纤芯侧表面，且散射剂由散射体与染色剂和粘接剂的混合物混合而成；信号放大调理电路分别与光发射器和光接收器连接，用以对光发射器进行调制驱动及对光接收器的输出信号进行放大处理及滤波。本发明的传感器具有不易损坏、使用寿命长，且可使用石英光纤制作的优点。
文档编号G01D5/353GK102538702SQ20111042321
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月16日 优先权日2011年12月16日
发明者何俊, 刘仁强, 刘品宽, 张青, 赵现朝, 陈杰, 高峰 申请人:上海交通大学