同时测量弯曲曲率和弯曲方向的弯曲传感器 【技术领域】
本发明涉及一种光纤传感技术领域的传感器，具体是一种同时测量弯曲曲率和弯曲方向的弯曲传感器。
背景技术
长周期光纤光栅(long period fiber grating：LPFG)是近几年才出现的一种光纤无源带阻滤波器件。长周期光纤光栅具有无后向反射、全兼容于光纤、体积小、可埋入智能材料等优点以及在某些方面具有比光纤布拉格光栅更好的传感特性。因此，长周期光纤光栅从一出现就在光纤传感领域得到了广泛应用。紫外光在普通光纤中写入的长周期光纤光栅的谐振波长随弯曲曲率的增加而线性变化。因此，这种长周期光纤光栅是较好的弯曲传感器。由于常用的紫外光写入的长周期光纤光栅不同弯曲方向的谐振波长弯曲灵敏度几乎相同，因此一般的长周期光纤光栅弯曲传感器只能测量弯曲曲率而不能判别弯曲方向。然而，在许多实际的工程测量应用中，有时不仅需要测量弯曲曲率的大小而且需要判别弯曲方向。因此，既能测量弯曲量又能判别弯曲方向(特别是判别360°范围内的任意弯曲方向)的弯曲传感器对解决工程测量的实际问题具有重要的现实意义。用紫外光在纤芯偏移地特殊光纤中写入的一个长周期光纤光栅，或者用紫外光在氢载光纤中写入的具有一定的弯曲方向相关性的两个长周期光纤光栅相互配合在一定程度上可以解决这一问题，但是这两种方法都只能实现对两个对称弯曲方向(即向上弯曲或向下弯曲)的判别而不能实现对任意弯曲方向的判别。高频CO2激光脉冲可以高效率低成本地在普通光纤中写入高质量的长周期光纤光栅。该长周期光纤光栅由于CO2激光的单测入射导致光栅横截面折射率分布不均匀，从而使得其可能具有许多独特的特性。
经对现有技术的文献检索发现，Y.Liu等人在《IEEE Photonics Technol.Lett.》2000，12，531-533，上发表的“Optical bend sensor based on measurementof resonance mode splitting of long-period fiber grating”(《光子技术快报》，基于长周期光纤光栅偏振模式分离的弯曲传感器)。该文中提及紫外光写入的长周期光纤光栅可以作为弯曲传感器，但该弯曲传感器只能实现弯曲曲率的测量，不能判别弯曲方向。这是因为紫外光写入的长周期光纤光栅的不同弯曲方向的谐振波长弯曲灵敏度几乎相同。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有弯曲传感技术中的不足，提出了一种同时测量弯曲曲率和弯曲方向的弯曲传感器。该弯曲传感器在测量被测工程结构的弯曲曲率的同时可以判别工程结构的弯曲方向，特别是可以实现任意弯曲方向的判别，使其克服了现有的其它弯曲传感器只能测量弯曲曲率或只能判别两个对称的弯曲方向的不足，从而真正实现对工程结构的实时监测，形成所谓的智能结构。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：长周期光纤光栅LPFGA、LPFGB和LPFGC，单模光纤，用单模光纤把长周期光纤光栅LPFGA、LPFGB和LPFGC相互级联构成，长周期光纤光栅级联时LPFGC处于长周期光纤光栅LPFGA和LPFGB之间，并且长周期光纤光栅LPFGA、LPFGB谐振波长对弯曲最敏感的方向相互交叉45°夹角。
长周期光纤光栅LPFGA和LPFGB是两个高频CO2激光脉冲写入的具有弯曲方向相关性的长周期光纤光栅。
长周期光纤光栅LPFGC是一个紫外光写入法写入的没有弯曲方向相关性的长周期光纤光栅。
选择光栅的原则是LPFGA、LPFGB和LPFGC在室温自由状态下的谐振波长不同，以确保弯曲过程中光谱仪能分辨各自的谐振波长。高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅的谐振波长的弯曲灵敏度具有明显的弯曲方向相关性。紫外光写入的长周期光纤光栅的谐振波长随弯曲曲率的增加而线性变化，并且不同弯曲方向的灵敏度相同。因此，用两个高频CO2激光写入的具有较强弯曲方向相关性的长周期光纤光栅和一个其它方法写入的没有弯曲方向相关性的长周期光纤光栅相互配合不但可以实现对弯曲量的绝对测量而且可以实现对任意弯曲方向的判别，其中高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅用于判别弯曲方向而另一个长周期光纤光栅用于测量弯曲量。
将本发明用于测量弯曲曲率和弯曲方向时，首先搭建测量长周期光纤光栅弯曲特性的装置，用该装置测量高频CO2激光脉冲写入的两个长周期光纤光栅LPFGA和LPFGB以及一个用紫外光写入的长周期光纤光栅LPFGC的弯曲特性，主要是测量其谐振波长和幅值对不同弯曲方向的弯曲灵敏度，用作图法画出LPFGA和LPFGB的谐振波长对圆周360°范围内各圆周弯曲方向的弯曲灵敏度曲线；然后将以上光栅级联成本发明的传感器；接着用宽度光源作为输入，用光谱仪实时监测三个长周期光纤光栅谐振波长的变化，测量某一时刻三个长周期光纤光栅谐振波长的变化，再根据LPFGC谐振波长的变化及其弯曲灵敏度计算出被测工程结构弯曲曲率的大小，根据测得的LPFGA和LPFGB谐振波长的变化、以及弯曲曲率的大小，并对比画出的弯曲灵敏度曲线判断出被测工程结构的弯曲方向。
本发明所提出的弯曲传感器测量弯曲曲率的同时解决了弯曲测量中的弯曲方向的判断问题，克服了其它弯曲传感器只能测量弯曲曲率或只能判别弯曲方向的不足。该传感器用长周期光纤光栅作为传感元件，体积小、成本低、全兼容于光纤、能容易地埋入被测工程该结构，可实现对工程结构的实时监测，形成所谓的智能结构。因此，该传感器可望在光纤传感领域获得广泛的应用。
【附图说明】
图1为本发明结构示意图
图2级联长周期光纤光栅横截面示意图，max和min分别表示高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅谐振波长对弯曲最敏感的方向和最不敏感的方向
【具体实施方式】
如图1和图2所示，本发明包括：两个高频CO2激光脉冲写入的具有弯曲方向相关性的长周期光纤光栅LPFGA1、LPFGB2和一个紫外光写入法写入的没有弯曲方向相关性的长周期光纤光栅LPFGC3用单模光纤4相互级联构成。三个长周期光纤光栅级联时长周期光纤光栅LPFGC3处于长周期光纤光栅LPFGA1、LPFGB2之间，并且长周期光纤光栅LPFGA1、LPFGB2的谐振波长对弯曲最敏感的方向相互交叉45°夹角。
长周期光纤光栅LPFGA1、LPFGB2为高频CO2激光脉冲写入的具有弯曲方向相关性的长周期光纤光栅。长周期光纤光栅LPFGC3为紫外光写入法写入的没有弯曲方向相关性的长周期光纤光栅。长周期光纤光栅LPFGA1、LPFGB2和LPFGC3在室温自由状态下的谐振波长有差异，确保弯曲过程中光谱仪能分辨各自的谐振波长。