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报料:基于螺旋型结构的新型微弯光纤传感器

导读: 随着弹簧两端固定于两块平行板之间,改变两平行板之间的距离,使该光纤受微弯变形齿的作用而产生相应的弯曲变化,从而产生相应的微弯损耗,该光纤的两端接测试用光源和光功率计。

实验装置介绍:

  光纤微弯传感器是一种光强度调制的传感器,具有成本低、灵敏度高、适用于多种参量测量的特点。本文揭示了一种新型的微弯光纤传感结构--基于螺旋型结构的微弯光纤传感器,见图1和图2其采用的主体结构是一螺旋形压缩弹簧,本实验中采用的弹簧为10圈,除了两端部外,其余的相邻两圈弹簧丝之间、在弹簧丝表面上安置有交错对应的上下微弯变形齿,作为传感用单模光纤(G.652D)被夹持于上下微弯变形齿之间。随着该弹簧两端固定于两块平行板之间,改变两平行板之间的距离,使该光纤受微弯变形齿的作用而产生相应的弯曲变化,从而产生相应的微弯损耗,该光纤的两端接测试用光源和光功率计。

图1

图2 

原理介绍:

  光纤中传输光信号的功率变化的原理是:当光纤受到外界扰动而产生弯曲,导致纤芯中的部分导模耦合至包层,从而产生的弯曲损耗,其损耗可以根据D.Marcuse的理论公式计算弯曲损耗大小,其公式如下:

POUT = PIN exp(-γS)

  其中,POUT和PIN分别为输出和输入光功率,γ是光纤的弯曲损耗系数,S为光纤因外界扰动而产生弯曲的弧长。可以看出光纤的弯曲损耗系数γ越大,即光纤弯曲半径越小,则损耗越大,但弯曲半径过小会导致光纤寿命大幅度减少,影响光纤传感器的使用寿命,所以实际应用中光纤的弯曲半径是受限制的;另一方面,在相同的弯曲损耗系数γ下,若增加弯曲弧长S,则可增大衰减量,从而可以通过增加光纤的弯曲弧长S,提高光纤微弯传感器的动态范围。

结果分析:

  测试结果见图3和图4,从附加衰减-压缩距离关系曲线的图中可以看出:

图3

图4

  1、光纤的弯曲损耗与压缩距离的关系基本满足指数关系,但由于光纤在变形齿上位置的移动,其拟合曲线与实际数据有一定的差异,所以该螺旋型结构还需进一步的优化;

  2、基于螺旋型结构的微弯光纤传感器主要是通过一种立体的螺旋型结构、来达到增加光纤的弯曲长度的目的,从而延长光纤的使用寿命;

  3、该装置使压缩距离变化的动态范围至少大于2.5mm以上,超过了一般微弯压板只有数百微米的动态范围。

相关资料:螺旋光纤传感技术探究

结论:

  基于螺旋型光纤微弯传感装置具有较大的动态范围,结构简单、成本低,仅使用普通光纤及常用的光纤测试仪器,如光源-光功率计或光时域反射计(OTDR),就可以构建准分布式或分布式光纤传感系统,对该结构进行适当的变化,可以对温度、应力、振动、弯曲及弯曲方向等多种参数进行监测,在安防、地震、滑坡、交通等多个方向具有良好的应用前景。

供稿:西安金和光学科技有限公司

OFweek编辑部整理

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