技术领域：
[0001] 本
发明涉及光纤传感技术领域，进一步涉及一种光纤曲率传感技术，具体一种法珀腔型光纤曲率传感探头及其制作方法。背景技术：
[0002] 在
桥梁、轨道、建筑与
飞行器结构健康监测、
机器人位姿传感、智能材料内部形变测量等工程技术领域，曲率是一个非常重要的物理参数。传统的测量曲率的传感技术主要采用压阻或压电式的
电子式应变片，成本较低，使用灵活，但无法测量较大的弯曲
变形，并且使用
温度有限。而光纤曲率
传感器具有较大的曲率测量范围，并且具有小型化、高灵敏度、耐高温、高
精度、响应速度快、耐
腐蚀、抗
电磁干扰等独特优势，因此受到学术界与产业界的广泛重视。
[0003] 光纤曲率传感器按照解调方式可以分为，光强调制型光纤传感器、
相位调制型光纤传感器、
频率调制型光纤传感器等。其中，光强调制型光纤曲率传感器，主要利用光纤弯曲时产生的光损耗实现对曲率的传感测量。光强调制型光纤曲率传感器的特点是结构简单、成本低，但存在光强漂移、输出非线性以及测量精确度不高的问题。相位调制型光纤传感器，多采用多模光纤或单模光纤的纤芯模与包层模构成的
马赫-曾德尔干涉仪结构。利用多模或单模光纤在弯曲时，曲率对不同传播模式有效折射率影响的不同，实现不同模式经过这种光纤的光程随曲率变化，从而导致干涉
信号的相位变化，利用其相位变化与光纤曲率的函数关系，实现曲率传感。相位调制型光纤曲率传感器的特点是
分辨率和精度高，但系统复杂、造价昂贵、可测量范围相对较窄。频率调制型光纤曲率传感器主要采用了布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅，具有敏感的弯曲特性，通过实验中多个光纤光栅的共同作用，可以同时实现弯曲曲率和方向的测量，此种类型的传感器较容易受到温度的影响，且系统复杂，需要优良的
光谱分析设备等。
[0004] 2016年，Catarina S.MONTEIRO等人在论文Photonic sensors/Vol.6,No.4,2016:339-344“Fiber Fabry-Perot Interferometer for Curvature Sensing”提出了一种基于空气间隙FP腔的光纤曲率传感器，这种光纤曲率传感器结构简单，成本低，但在进行弯曲测量时，法布里-珀罗腔的端面不再平行，反射回的
光信号会有一部分被
辐射到包层，导致曲率测量过程中功率不稳定以及曲率测量与
波长偏移量之间的非线性，使得曲率测量范围受到限制。
发明内容：
[0005] 本发明提出了一种用于曲率测量的光纤法珀传感器及其制作方法，以克服现有法布里-珀罗传感器进行弯曲曲率的测量时信号强度随弯曲衰减以及波长漂移上的非线性的问题。
[0006] 为了达到本发明的目的，本发明提供的技术方案如下：一种法珀腔型光纤曲率传感探头，由第一单模光纤、单模光纤裸纤、第二单模光纤和
石英毛细管组成，第一单模光纤的一个端部为裸纤段且端面斜切
角度为8°，第二单模光纤的一个端部为裸纤段且端面斜切角度为8°，单模光纤裸纤固定设置于石英毛细管的中部，两端分别与第一单模光纤、第二单模光纤的裸纤段的端部在石英毛细管中相接设置,第一单模光纤和第二单模光纤固定穿设于石英毛细管的两端。
[0007] 上述法珀腔型光纤曲率传感探头的制备方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1：将一定长度的普通单模光纤剥离涂覆层形成裸纤段，清洗后，切掉端部，形成平整的垂直于纤芯的端面，制成单模光纤裸纤备用；
[0009] 步骤2：在
显微镜下，在单模光纤裸纤的侧面包层上微量涂紫外胶后，放入石英毛细管的中部，使用紫外照射灯对紫外胶
固化，实现对单模光纤裸纤的固定；
[0010] 步骤3：将普通单模光纤的两个端部均去除一段涂覆层，清洗后，将一端使用光纤切割刀斜切端面8°，另一端平整切下，制得第一单模光纤，在第一单模光纤侧面包层上微量涂紫外胶后，在显微镜下将有斜切端面一端的裸纤段送入石英毛细管，直至与单模光纤裸纤的一端相
接触，在石英毛细管端部，对第一单模光纤与石英毛细管
接口处使用紫外胶实现
覆盖，对紫外胶进行固化，实现第一单模光纤的固定；
[0011] 步骤4：将另一段标准单模光纤的一个端部去除一段涂覆层制得第二单模光纤，清洗后，使用光纤切割刀斜切端面8°，包层上微量涂紫外胶后，在显微镜下将裸纤段送入石英毛细管，直至与单模光纤裸纤的另一端部相接触，在石英毛细管端部，对第二单模光纤与石英毛细管接口处使用紫外胶实现覆盖，对紫外胶进行固化，实现第二单模光纤的固定。
[0012] 与
现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0013] 1.本发明结构简单、插入损耗小、原材料成本低，因此制作成本低。
[0014] 2.本发明提供的光纤曲率传感器的法珀腔由一小段垂直切割的单模光纤构成，形成干涉效应的光束始终约束在单模光纤纤芯中传输，弯曲过程中，不会因为端面不再平行，而额外引入反射损耗，输出功率稳定，同时，弯曲过程中反射光谱峰值的移动由弯曲引起的单模光纤弹光效应产生，波长偏移量与曲率有线性关系，有利于信号解调。
[0015] 3.本发明中整个法珀腔及前后两段光纤使用较长的玻璃毛细管封装，结构简单，具有较好的
力学一致性，弯曲过程中不宜断裂，更有利于实现较大范围的曲率测量。
附图说明
[0016] 图1是本发明的结构示意图；
[0017] 图2本发明用于曲率传感的法珀腔型光纤曲率传感实验图；
[0018] 图3单个波峰移动仿真光谱图；
[0019] 图4波长移动量与曲率的仿真关系图；
[0020] 附图标记说明如下：
[0021] 1-第一单模光纤、2-单模光纤裸纤、3-第二单模光纤，4-石英毛细管,5-紫外胶；6-传感探头，7-宽带
光源，8-光纤环行器，9-光谱分析仪，10-第一五维调节架、11-第二五维调节架，12-第一光纤夹具、13-第二光纤夹具。
[0022] 具体的实施方式
[0023] 下面将结合附图和
实施例对本发明进行详细地说明。
[0024] 一种用于曲率测量的光纤法珀传感探头，其结构参见图1，具体由第一单模光纤1、单模光纤裸纤2、第二单模光纤3和石英毛细管4组成，第一单模光纤1的一个端部为裸纤段且端面斜切角度为8°，第二单模光纤3的一个端部为裸纤段且端面斜切角度为8°，单模光纤裸纤2固定设置于石英毛细管4的中部，两端分别与第一单模光纤1、第二单模光纤3的裸纤段的端部在石英毛细管4中相接设置,第一单模光纤1和第二单模光纤3固定穿设于石英毛细管4的两端。
[0025] 第一单模光纤1、单模光纤裸纤2和第二单模光纤3与石英毛细管4的固定均通过使用紫外胶5实现。
[0026] 一种用于曲率测量的光纤法珀传感探头的制作方法，包括以下步骤：
[0027] 步骤1：取一定长度的普通单模光纤，使用光纤剥线钳剥离涂覆层形成裸纤，95％酒精清洗后，使用日本藤仓公司生产的CT52型光纤切割刀切掉两个端部，形成平整的垂直于纤芯的端面，制成单模光纤裸纤2备用；
[0028] 步骤2：在宁波舜宇公司生产的OD630K显微反射仪下，在单模光纤裸纤2的侧面包层上微量涂HY-6809A型紫外胶后，放入石英毛细管4的中部，使用紫外照射灯对紫外胶固化，实现对单模光纤裸纤2(其作为法布里-珀罗传感探头腔体被使用)的固定；
[0029] 步骤3：将普通单模光纤的两个端部均去除一段涂覆层，清洗后，将一端使用日本藤仓公司所生产的CT-101型光纤切割刀斜切端面8°，另一端使用CT52型光纤切割刀平整切下，作为预留熔接检测端，制得第一单模光纤1，第一单模光纤1的侧面包层上微量涂紫外胶后，在显微镜下将斜切端面一端的裸纤段送入石英毛细管4，直至与单模光纤裸纤2的一端相接触，在石英毛细管4端部，对第一单模光纤1与石英毛细管4接口处使用紫外胶5实现覆盖，对紫外胶进行固化，实现第一单模光纤1的固定；
[0030] 步骤4：将另一段标准单模光纤的一个端部去除一段涂覆层制得第二单模光纤3，清洗后，使用光纤切割刀斜切端面8°，包层上微量涂紫外胶后，在显微反射仪下将裸纤段送入石英毛细管，直至与单模光纤裸纤2的另一端部相接触，在石英毛细管4端部，对第二单模光纤3与石英毛细管4接口处使用紫外胶5实现覆盖，对紫外胶进行固化，实现第二单模光纤3的固定。即本发明的传感探头6制备成功。
[0031] 本发明法珀型光纤曲率传感探头在光纤弯曲时，法珀腔型单模光纤裸纤2也会随之弯曲，单模光纤裸纤2的两个端面相互平行，在石英毛细管4内部，第一单模光纤1端面和第二单模光纤3端面平行，将光信号约束在纤芯范围内，减小了光信号的损耗。
[0032] 本发明用于曲率传感的基本原理是：多光束干涉原理及弹光效应，即在光纤传感器弯曲时，内部腔体由于压力的作用，产生形变，故而引起腔体折射率的变化，同时光信号在两平行平板间来回反射，反射信号与
输入信号为相干光，在传感腔体内部形成干涉信号，由于光纤本身的材质的影响，光纤端面反射效率仅在4％左右，故而多光束干涉可以近似为双光束干涉。在双光束干涉极大时，满足：
[0033] φ＝4πnL/λm＝2mπ；
[0034] 即：mλm＝2nL；
[0035] 其中，m为干涉级次，λm为m级干涉信号对应的中心波长，n为光纤法珀传感腔体折射率，L为传感腔体腔长。在传感器发生弯曲时，受到弹光效应的影响光纤的有效折射率会发生变化，即；
[0036] n＝n0+Δn＝n0+kdC
[0037] 其中，k为光纤的应变折射率系数，k＝-0.1649×10-6με，d为纤芯与包层之间的距离，C为光纤弯曲曲率。此时，m级干涉中心波长可表示为：
[0038]
[0039] 中心波长移动量为：
[0040]
[0041] 因此干涉峰中心波长、中心波长移动量与曲率满足线性关系，通过监测反射光谱中任意一个反射峰峰值波长，即可实现对曲率传感的测量。
[0042] 具体原理为利用光纤法珀腔的双光束干涉原理，用标准单模光纤代替空气作为腔体，宽带光源发出的光信号通过单模光纤跳线进入光纤环行器1端口，2端口输出，进入法珀腔型光纤曲率传感探头，在法珀腔型光纤曲率传感探头的法珀腔腔体两端面间反射，其反射信号相互
叠加，发生干涉，返回并进入光纤环行器2端口，并由光纤环行器3端口输出，进入光谱分析仪，根据双光束干涉相位调制的原理，实现对光信号的解调。这种曲率传感装置具备精度高、体积小、工作稳定等优点，因此利用该曲率测量的光纤传感装置测量曲率相比于传统的光强调制型光纤传感装置在精度等方面有了显著提升。
[0043] 如图2所示，本实施例所涉及的一种法珀腔型光纤曲率传感装置，在进行光纤曲率传感测量时，将本发明的传感探头6的两端固定在两五维调节架(10、11)上，当两五维调节架之间的距离缩短时，光纤传感探头发生弯曲，传感探头6中的单模光纤传感腔体也随之发生弯曲，进而在光线法珀传感探头内部发生弹光效应，单模光纤传感腔体的折射率发生变化，根据双光束干涉的原理，法珀腔型光纤传感产生的干涉信号发生偏移，通过解调出干涉信号波长移动量与曲率的关系，进而得出曲率变化值。所述光纤环行器8出射的干涉信号被光谱分析仪9接收并显示分析，当光谱分析仪9可以接收到明显的干涉光谱时，通过五维调节架调节两调节架之间的距离，进而使得光纤弯曲，不同的距离对应了光纤法珀传感结构不同的弯曲量，光谱分析仪9可以得到不同曲率条件下的干涉谱线，一张干涉谱线对应一个弯曲状态，由此可以计算出单模光纤的弯曲特性。
[0044] 同时，本实施例通过两五维调节架之间的距离调控得到相应条件下的曲率，可以得到：
[0045]
[0046] 式中，x为五维调节架移动端移动的距离，L0为两五维调节架间的初始距离。通过MATLAB进行仿真分析，设定初始腔长大小为300μm，仿真得到干涉光谱随传感器曲率变化而变化，得到m级中心波长λm、波长移动量δλm与曲率之间的仿真结果，如图4所示，可以看到曲率与波长移动量之间满足良好的线性关系。
