光纤倾斜传感器的研究及应用

作者简介：

黄金桥，（1988-11），男，籍贯：福建莆田，学历：硕士，研究方向：光纤传感器的设计

摘要：阐述了光纤倾斜传感器的研究进展，分析比较了几种光纤倾斜传感器的优缺点，并对其应用作了讨论，表明光纤倾斜传感器具有广阔的应用前景。现有的光纤倾斜传感器从原理上可分为光纤光学式和光纤光栅式。光纤光学式倾斜传感器又可分为干涉式和采用特种光纤。光纤光栅倾斜传感器又可分为反射式和透射式。随着现代化建设的不断发展，光纤倾斜传感器将发挥越来越重要的作用。

关键词：光纤倾斜传感器 光纤光栅 倾斜仪

中图分类号：TH744文献标识码：A文章编号：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

倾斜传感器用于测量一个对象相对于基准线或参考面的角偏转。传统的倾斜传感器存在成本高，耐久性差，易受干扰，长距离传输信号衰减等问题。光纤传感器由于不需供电、尺寸小、复用能力强、灵敏度高、不受干扰和衰减小等优点而被密切关注，被应用于测量压力、加速度、位移和超聲波等物理量。

光纤光学式倾斜传感器

1.1 干涉式倾斜传感器

干涉式光纤倾斜传感器是基于光学干涉仪的原理构造的。主要有Michelson干涉式和Mach-Zehnder干涉式。Amaral等人于2011年构造了一种紧凑的基于光纤拉锥Michelson干涉式倾斜传感器[1]。当以拉锥为中心旋转时，角度的变化影响纤芯模到包层模的耦合，引起纤芯模和包层模光程差的改变，导致干涉相位的漂移。通过解调相位变化即可获得倾斜角大小。Chen等人于2013年提出了一种在高掺杂铒镱的光纤上相隔较短距离引入两个拉锥制成Mach-Zehnder干涉式倾斜传感器。当以第二个拉锥为中心旋转其右侧光纤时，会影响纤芯模与包层模的耦合，进而引起干涉相位的改变。干涉式光纤倾斜传感器成本低，精度高，但是不能够大量复用，难以实现分布式测量。

1.2 特种光纤式倾斜传感器

由于制造技术的进步，各种特殊结构的光纤被研制出来并开展了相关研究。如Miller等人于2009年将一玻璃毛细管作为光纤悬臂梁的质量块粘贴在多芯光纤的一端构成双轴倾斜传感器[2]。当倾斜角改变时，写入在各个芯子中的光栅由于受到不同的应变产生不同的相位变化，通过干涉系统解调得到相应倾角。Liu等人于2013年提出了将一段空芯光子晶体光纤横向偏移熔接在单模光纤中。测量结果显示此传感器可以达到45°的测量范围，相应的光谱蓝移超过50nm。特种光纤式倾斜传感器尺寸小，但跟普通单模光纤熔接困难，且比较昂贵。

2 光纤光栅式倾斜传感器

2.1 透射式倾斜传感器

透射式倾斜传感器主要采用长周期光纤光栅（LPFG）。Wang等人于2011年将一LPFG斜着粘贴在装有蔗糖溶液的有机玻璃管内制成一种新型的一维大测量范围倾斜传感器[3]。浸在蔗糖溶液中的光栅长度随着倾斜角的变化而变化，导致相应LPFG中心波长的改变。通过监测中心波长改变量可以测得相应倾斜角大小。实验结果显示在 测量范围内精度可达 。透射式倾斜传感器有较高的灵敏度，但不适用于单端测量，且存在交叉敏感现象。

2.2 反射式倾斜传感器

反射式倾斜传感器主要采用布拉格光栅（FBG）。Guan等人于2004年提出了一种基于两对FBG加竖直摆锤的结构[4]，利用每一对FBG反射波长差来编码倾斜角。Bao等人于2010年将两FBG相隔四分之一圆周贴在一个上部分中空下部分实心的圆柱体上[5]。Guan等人于2004年提出了一种基于两对FBG加竖直摆锤的结构[6]，利用每一对FBG反射波长差来编码倾斜角。当发生倾斜时，FBG反射波长分裂，通过观测两个分裂峰的间隔得到倾斜角。反射式倾斜传感器能够轻易设计成多维传感，缺点是采用机械传递装置，存在不必要的机械摩擦，影响测量精度和准确度，且体积大。

3 光纤倾斜传感器的应用

光纤倾斜传感器被广泛用于建筑物的健康监测，施工初期的基坑测斜，山体滑坡的预测。在航空领域可用于减小飞机着陆的阻力。在医学领域可用于帮助中风或脊椎受伤的病人改善步态。

参考文献

[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.