光纖傾斜傳感器的研究及應用

作者簡介：

黃金橋，（1988-11），男，籍貫：福建莆田，學歷：碩士，研究方向：光纖傳感器的設計

摘要：闡述了光纖傾斜傳感器的研究進展，分析比較了幾種光纖傾斜傳感器的優缺點，并對其應用作了討論，表明光纖傾斜傳感器具有廣闊的應用前景。現有的光纖傾斜傳感器從原理上可分為光纖光學式和光纖光柵式。光纖光學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。隨著現代化建設的不斷發展，光纖傾斜傳感器將發揮越來越重要的作用。

關鍵詞：光纖傾斜傳感器 光纖光柵 傾斜儀

中圖分類號：TH744文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

傾斜傳感器用于測量一個對象相對于基準線或參考面的角偏轉。傳統的傾斜傳感器存在成本高，耐久性差，易受干擾，長距離傳輸信號衰減等問題。光纖傳感器由于不需供電、尺寸小、復用能力強、靈敏度高、不受干擾和衰減小等優點而被密切關注，被應用于測量壓力、加速度、位移和超聲波等物理量。

光纖光學式傾斜傳感器

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干涉儀的原理構造的。主要有Michelson干涉式和Mach-Zehnder干涉式。Amaral等人于2011年構造了一種緊湊的基于光纖拉錐Michelson干涉式傾斜傳感器[1]。當以拉錐為中心旋轉時，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，導致干涉相位的漂移。通過解調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拉錐制成Mach-Zehnder干涉式傾斜傳感器。當以第二個拉錐為中心旋轉其右側光纖時，會影響纖芯模與包層模的耦合，進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，但是不能夠大量復用，難以實現分布式測量。

1.2 特種光纖式傾斜傳感器

由于制造技術的進步，各種特殊結構的光纖被研制出來并開展了相關研究。如Miller等人于2009年將一玻璃毛細管作為光纖懸臂梁的質量塊粘貼在多芯光纖的一端構成雙軸傾斜傳感器[2]。當傾斜角改變時，寫入在各個芯子中的光柵由于受到不同的應變產生不同的相位變化，通過干涉系統解調得到相應傾角。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。測量結果顯示此傳感器可以達到45°的測量范圍，相應的光譜藍移超過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玻璃管內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，導致相應LPFG中心波長的改變。通過監測中心波長改變量可以測得相應傾斜角大小。實驗結果顯示在 測量范圍內精度可達 。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FBG加豎直擺錘的結構[4]，利用每一對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上部分中空下部分實心的圓柱體上[5]。Guan等人于2004年提出了一種基于兩對FBG加豎直擺錘的結構[6]，利用每一對FBG反射波長差來編碼傾斜角。當發生傾斜時，FBG反射波長分裂，通過觀測兩個分裂峰的間隔得到傾斜角。反射式傾斜傳感器能夠輕易設計成多維傳感，缺點是采用機械傳遞裝置，存在不必要的機械摩擦，影響測量精度和準確度，且體積大。

3 光纖傾斜傳感器的應用

光纖傾斜傳感器被廣泛用于建筑物的健康監測，施工初期的基坑測斜，山體滑坡的預測。在航空領域可用于減小飛機著陸的阻力。在醫學領域可用于幫助中風或脊椎受傷的病人改善步態。

參考文獻

[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.