差动式光纤微弯传感器

1 引言

光纤微弯传感器是利用光纤弯曲变形引起纤芯或包层中传输的光载波强度变化这一原理制成的全光纤型传感器。它是1980年J.N.Fields和J.H.Cole首次提出的，已经广泛用于力、应变、位移、液位和温度等的检测。本文设计了一种差动式光纤微弯传感器，不仅可以用于测量拉(压)力、位移、应力、应变等的大小，还可以判断其方向，并对该传感器的特性进行了实验研究。

2 差动式光纤微弯传感器原理

传统的光纤微弯传感器一般只能测量力、位移、应力、应变等的大小，无法知道这些参量的方向。为此，本文设计了一种差动式光纤微弯传感器，其结构如图1所示。具体结构是在两个骨架上分别固定安装两个变形齿，不同骨架上的两个变形齿相对放置构成变形齿对，形成两个光纤变形装置。两根光纤分别置于两对微弯变形齿对的齿间隙中。通过增加了弹性装置、变形齿限位和光纤定位槽，大大改善了差动式光纤微弯传感器的性能，并且使用简单。设计变形齿的移动位置限位，是防止光纤被夹断。

调整两个骨架相对位置使光纤预先弯曲。两个骨架相对移动时，一根光纤弯曲程度加剧，光功率损耗增加，另一根光纤的弯曲程度减弱，光功率损耗减小，构成差动式结构。其特点是，本差动式光纤微弯传感器不仅灵敏度是单一传感器灵敏度的两倍，而且可以确定拉(压)力、应力、应变、位移、加速度的方向以及温度的增加或减小。

3 差动式光纤应变传感器

首先，将传感器固定安装在铝片上，利用万能实验仪对铝条进行拉伸测试，进行应变的测量，实验结果如图2。实验所使用的光源为LED。

图中△Va表示光纤A在传感器的调制下输出电压变化量;△Vb表示光纤B在传感器的调制下输出电压变化量。

4 差动式光纤微弯位移传感器

实验中，设定某一初始位置，使得两根光纤的输出光强相等。调节位移器，分别对平衡位置左右进行位移测量，当为正方向位移时，随着位移的增加，光纤A的光强增加，光纤B的光强减弱;当为负方向位移时，光纤B的光强增加，光纤A的光强减弱。测量时，始终是一支光纤的光强增加，另一支光纤的光强减弱，构成差动式。根据两根光纤的电压变化，不仅可以判断其位移的大小，还可以通过输出的正负判断方向。实验中使用200/320 μm多模光纤进行实验，实验结果如图3所示。图中还可以看出，差动式光纤微弯位移传感器具有很好的线性度和很高的灵敏度。

5 结 论

从以上研究可以看出，差动式光纤微弯传感器的灵敏度是单一传感器灵敏度的两倍，而且可以测量拉(压)力、应力、应变、位移、加速度的大小和方向，或者判断温度的增加或减小。光纤微弯传感器由于属于强度调制，测试技术比较简单，光纤微弯传感器元件易于制作，可以较快地投入使用，而且具有成本较低的特点。