光纖傾斜傳感器的研究及應(yīng)用

作者簡介：

黃金橋，（1988-11），男，籍貫：福建莆田，學(xué)歷：碩士，研究方向：光纖傳感器的設(shè)計(jì)

摘要：闡述了光纖傾斜傳感器的研究進(jìn)展，分析比較了幾種光纖傾斜傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)其應(yīng)用作了討論，表明光纖傾斜傳感器具有廣闊的應(yīng)用前景?，F(xiàn)有的光纖傾斜傳感器從原理上可分為光纖光學(xué)式和光纖光柵式。光纖光學(xué)式傾斜傳感器又可分為干涉式和采用特種光纖。光纖光柵傾斜傳感器又可分為反射式和透射式。隨著現(xiàn)代化建設(shè)的不斷發(fā)展，光纖傾斜傳感器將發(fā)揮越來越重要的作用。

關(guān)鍵詞：光纖傾斜傳感器 光纖光柵 傾斜儀

中圖分類號(hào)：TH744文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

傾斜傳感器用于測量一個(gè)對(duì)象相對(duì)于基準(zhǔn)線或參考面的角偏轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的傾斜傳感器存在成本高，耐久性差，易受干擾，長距離傳輸信號(hào)衰減等問題。光纖傳感器由于不需供電、尺寸小、復(fù)用能力強(qiáng)、靈敏度高、不受干擾和衰減小等優(yōu)點(diǎn)而被密切關(guān)注，被應(yīng)用于測量壓力、加速度、位移和超聲波等物理量。

光纖光學(xué)式傾斜傳感器

1.1 干涉式傾斜傳感器

干涉式光纖傾斜傳感器是基于光學(xué)干涉儀的原理構(gòu)造的。主要有Michelson干涉式和Mach-Zehnder干涉式。Amaral等人于2011年構(gòu)造了一種緊湊的基于光纖拉錐Michelson干涉式傾斜傳感器[1]。當(dāng)以拉錐為中心旋轉(zhuǎn)時(shí)，角度的變化影響纖芯模到包層模的耦合，引起纖芯模和包層模光程差的改變，導(dǎo)致干涉相位的漂移。通過解調(diào)相位變化即可獲得傾斜角大小。Chen等人于2013年提出了一種在高摻雜鉺鐿的光纖上相隔較短距離引入兩個(gè)拉錐制成Mach-Zehnder干涉式傾斜傳感器。當(dāng)以第二個(gè)拉錐為中心旋轉(zhuǎn)其右側(cè)光纖時(shí)，會(huì)影響纖芯模與包層模的耦合，進(jìn)而引起干涉相位的改變。干涉式光纖傾斜傳感器成本低，精度高，但是不能夠大量復(fù)用，難以實(shí)現(xiàn)分布式測量。

1.2 特種光纖式傾斜傳感器

由于制造技術(shù)的進(jìn)步，各種特殊結(jié)構(gòu)的光纖被研制出來并開展了相關(guān)研究。如Miller等人于2009年將一玻璃毛細(xì)管作為光纖懸臂梁的質(zhì)量塊粘貼在多芯光纖的一端構(gòu)成雙軸傾斜傳感器[2]。當(dāng)傾斜角改變時(shí)，寫入在各個(gè)芯子中的光柵由于受到不同的應(yīng)變產(chǎn)生不同的相位變化，通過干涉系統(tǒng)解調(diào)得到相應(yīng)傾角。Liu等人于2013年提出了將一段空芯光子晶體光纖橫向偏移熔接在單模光纖中。測量結(jié)果顯示此傳感器可以達(dá)到45°的測量范圍，相應(yīng)的光譜藍(lán)移超過50nm。特種光纖式傾斜傳感器尺寸小，但跟普通單模光纖熔接困難，且比較昂貴。

2 光纖光柵式傾斜傳感器

2.1 透射式傾斜傳感器

透射式傾斜傳感器主要采用長周期光纖光柵（LPFG）。Wang等人于2011年將一LPFG斜著粘貼在裝有蔗糖溶液的有機(jī)玻璃管內(nèi)制成一種新型的一維大測量范圍傾斜傳感器[3]。浸在蔗糖溶液中的光柵長度隨著傾斜角的變化而變化，導(dǎo)致相應(yīng)LPFG中心波長的改變。通過監(jiān)測中心波長改變量可以測得相應(yīng)傾斜角大小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在 測量范圍內(nèi)精度可達(dá) 。透射式傾斜傳感器有較高的靈敏度，但不適用于單端測量，且存在交叉敏感現(xiàn)象。

2.2 反射式傾斜傳感器

反射式傾斜傳感器主要采用布拉格光柵（FBG）。Guan等人于2004年提出了一種基于兩對(duì)FBG加豎直擺錘的結(jié)構(gòu)[4]，利用每一對(duì)FBG反射波長差來編碼傾斜角。Bao等人于2010年將兩FBG相隔四分之一圓周貼在一個(gè)上部分中空下部分實(shí)心的圓柱體上[5]。Guan等人于2004年提出了一種基于兩對(duì)FBG加豎直擺錘的結(jié)構(gòu)[6]，利用每一對(duì)FBG反射波長差來編碼傾斜角。當(dāng)發(fā)生傾斜時(shí)，F(xiàn)BG反射波長分裂，通過觀測兩個(gè)分裂峰的間隔得到傾斜角。反射式傾斜傳感器能夠輕易設(shè)計(jì)成多維傳感，缺點(diǎn)是采用機(jī)械傳遞裝置，存在不必要的機(jī)械摩擦，影響測量精度和準(zhǔn)確度，且體積大。

3 光纖傾斜傳感器的應(yīng)用

光纖傾斜傳感器被廣泛用于建筑物的健康監(jiān)測，施工初期的基坑測斜，山體滑坡的預(yù)測。在航空領(lǐng)域可用于減小飛機(jī)著陸的阻力。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可用于幫助中風(fēng)或脊椎受傷的病人改善步態(tài)。

參考文獻(xiàn)

[1]L.M.N.Amaral， O.Frazao， J.L.Santos et al. Fiber-optic inclinometer based on taper Michelson interferometer [J].IEEE Sensors Journal.2011，11：1811-1814.

[2]Gary A Miller， Charles G Askins， Geoffrey A Cranch. Interferometric interrogation of a multicore fiber， two-axis inclinometer [J].Proc of SPIE.2009， 7503：75032R-1-4.

[3]Yunpeng Wang， Chunliu Zhao， Limin Hu et al. A novel tilt sensors with a large measurement range based on long-period fiber grating [J].2011 international conference on electronics and optoelectronics， 2011， V4：65-67.

[4]B O Guan， H Y Tam， S Y Liu. Temperature independent fiber Bragg grating tilt sensor [J]. IEEE Photon. Technol. Lett.， 2004， 16（1）： 224-226.

[5]L H Bao， Y X Dong， Y L Shao et al. Temperature-insensitive 2-D tilt sensor by incorporating fiber Bragg gratings with a hybrid pendulum [J].Opt. Commum， 2010， 283：5021～5024

[6]B O Guan， H Y Tam， S Y Liu. Temperature independent fiber Bragg grating tilt sensor [J]. IEEE Photon. Technol. Lett.， 2004， 16（1）： 224-226.