光纤制造技术分解表(如何利用光纤传感器技术，实现精准的扭转、扭曲和旋转测量？)
文|奇旅说
编辑|奇旅说
序
光纤传感器技术在测量机械参数方面的应用日益受到关注，特别是在扭转、扭曲和旋转测量领域。
过去十年中，光纤布拉格光栅（FBG）和法布里-珀罗（FPI）干涉仪传感器作为测量机械参数的主要开发技术，取得了令人瞩目的成果。
然而，这些传感器技术尚未充分解决旋转、扭转和扭曲测量中的挑战，而这些正是各个工业部门中最常见的机械参数之一。
近年来，光纤传感器界开始深入研究扭转/旋转测量，并尤其注重成本效益，传感器的成功引入将取决于传感概念和相应的信号获取方案的平衡发展。
此外，基于共享应力调制的传感器利用围绕光纤纵轴的扭转引起的应力变化来实现测量。虽然光谱解调技术目前被广泛接受，但高成本可能限制其商业应用。因此，未来的研究应该关注环境稳定性和成本效益，并提供适用于工业领域的解决方案。
接下来我将会为大家详细讲解，如何利用光纤传感器技术，实现精准的扭转、扭曲和旋转测量？
如何通过光纤测量机械在其他领域泛滥？
通过应用光纤测量机械参数在不同行业领域获得了巨大的商业兴趣，这种兴趣是由光纤传感器技术提供的一系列独特特性，以及过去十年中可用的成熟光电信号询问系统推动的。
用于测量机械参数的最佳开发光纤传感器技术，可能是光纤布拉格光栅（FBG）和法布里-珀罗干涉仪（FPI）传感器。
虽然FPI主导着光学压力传感应用，但FBG本质上是应变传感器，并且可以配置在各种传感系统中，在这些系统中，测量的机械量可以与应变明确相关。
例如，在力，载荷，应力和类似测量的情况下，然而，这些商业上成功的技术都没有充分解决旋转、扭转和扭转的测量问题，而这些是各种工业部门中最常测量的机械参数之一。
因此，扭转/旋转的测量最近成为光纤传感器界深入研究的主题，此外，旋转/扭转/扭转传感中的许多应用无法容忍测量系统的高成本。
因此，这些新型传感器的成功引入将取决于传感概念和随之而来的信号询问的平衡发展，我们这篇评论文章回顾了光纤旋转、扭转和扭转传感器的基本原理和当前最新技术。
基于光纤的扭曲/旋转传感器领域的早期工作出现在1980年代后期，以及当时新兴的光纤传感器技术的其他子领域的研究，这些早期的解决方案要么利用外在方法。
例如，通过在两根准直光纤之间插入延迟板，要么利用偏振旋转的几何效应和高度多模光纤中的模界面的固有方法，然而，扭曲/旋转/扭转领域的研究一直很低，直到2000年代初，该领域的出版物数量开始稳步增加。
基于光纤扭曲诱导双折射调制的传感器
这类传感器利用由光纤扭曲引起的传感光纤双折射变化的测量，自纤维早期以来，扭曲诱导双折射一直是研究的主题，对这一现象的基本研究可追溯到1970年代末和1980年代初，并一直持续到最近几年，单模光纤的扭曲会导致两种影响：
（一）圆双折射的出现（也表现为光学活动的外观）。
（二）线性双折射的调制，如果传感光纤中预先存在线性双折射。
光纤的扭转扭曲在同一光纤内引起扭转应力，从而导致扭转弹性光学效应，进而导致圆双折射的出现，扭曲诱导的圆双折射?nc与二氧化硅的弹光系数g和施加在光纤上的捻率τ成正比，例如?nc∝gτ。
因此，当完全圆对称和线性无双折射的光纤暴露于扭曲/旋转时，它的行为几乎就像完美的圆双折射（光学有效）传输介质。
如果一小段加捻光纤（但不是直纤维）被线偏振光激发，则发射光的线性偏振将被保留;但是，偏振平面将沿光纤长度旋转（类似于在光学活性介质中）。
这种偏振平面旋转对应于光纤绕其z轴的机械旋转/扭曲约0.069°，因此，与围绕z轴的机械纤维旋转相比，机械纤维扭曲引起的偏振平面旋转相对较小，扭曲诱导圆双折射也与温度有关，温度系数约为9.6×10?5K?1。
例如，如果偏振光在一个固定端发射到单模光纤中，并且如果同一光纤绕其z轴扭曲，则光纤输出端的偏振平面将以每光纤机械旋转度0.069°的速率扎根，单模光纤中偏振旋转的这种表现在不同的参考文献中进行了研究。
直接观察这种偏振旋转需要在双绞光纤和引出光纤之间使用旋转接头或类似的机械自由空间耦合，这对于传感器植入可能是不切实际的。
当线性双折射单模光纤双绞时，其线性双折射取决于光纤的双折射速率，这是由于线性双折射光纤的圆形非对称性。
这在快轴和慢轴上产生了不同程度的光弹性效应，线性双折射的扭曲诱导变化与扭曲幅度和光纤的圆形非对称性成正比（因此与光纤的初始双折射成正比）。
因此，这种效应仅存在于表现出初始/固有线性双折射，完美电路对称/均匀光纤的扭曲不会导致同一光纤内出现线性双折射因此，光纤中存在圆形非对称性，从而产生了测量效果，可以通过观察由扭转/旋转引起的光纤线性双折射变化来观察测量效果。
一般来说，可能会出现三种不同的情况：
当固有线性双折射非常低时，例如在现代电信单模光纤（SMF）中，与线性双折射调制相关的偏振效应微不足道，而圆双折射相关效应占主导地位（即光学活动）。当具有低但不可忽略的固有线性双折射的光纤扭曲时，圆形双折射的出现与线性双折射调制相结合，导致椭圆双折射的出现和沿光纤长度的复杂偏振演变，像这样的例子是一些（高度）掺杂的，但在暴露于加捻时会变成圆形纤维。
当光纤为高线性双折射（HLB）时，与线性双折射调制相关的扭曲诱导效应占主导地位，与圆双折射存在相关的效应变得不显著，后者也可以解释为HLB光纤中偏振模式的强分裂，这“保证”了HLB光纤内两种线偏振模式的独立和无模式耦合传播。
因此，高线性双折射可防止任何扭曲诱导的偏振平面旋转，并且当最初只有一个线性偏振模式被激发时，电场矢量的空间方向将遵循光纤的双折射轴之一，即使光纤暴露于强扭曲/旋转，如图所示。
基于径向剪切应力分布调制的传感器
当实心棒（例如光纤）暴露于围绕其纵轴的扭转扭曲时，扭曲的棒/光纤会产生扭曲引起的共享应力，杆/纤维中心的份额应力为零，并且与棒/光纤的外边缘成线性比例增加，达到最大值。
共享应力矢量可以进一步分解为纵向和径向分量（第一个与光纤轴平行，第二个垂直于光纤轴），纤维的应力区域发生折射率变化，这与局部应力和材料的弹光学系数成正比，这意味着双绞光纤中应力引起的折射率变化将在光纤的外边缘达到最高，在光纤中心为零。
观察基波和包层（或在某些情况下高阶引导）模式之间的相位常数差异的既定方法是基于LPFBG的应用，在过去十年中，对这些类型的传感器进行了非常详细的研究，例如，当将具有固定/已知周期Λ的LPFBG引入SMF时，基波模式和包层模式之间将发生强耦合。
机械诱导LPFBG（MLPFBGs）在过去引起了相当大的兴趣，使用这种方法时，传感光纤被挤压在两个波纹板之间，以在光纤上施加微弯曲，基于MLPFBG扭转/扭转的传感器简单，制造灵活。
并且具有良好的成本效益设计潜力，它们也相对容易研究/调查，机械诱导/制造的MLPFBG通常具有相当数量的线性双折射，这是由波纹板诱导的。
在某些情况下，这可能导致模态的充分简并以获得两个线性极化解，因此，与MLPFBG中的包层模式耦合可能会变得偏振相关，例如，中通过偏振相关损耗（PDL）和差分群延迟（DGD）测量证明了这一点。
使用MLPFBG传感器的扭曲/旋转传感器也可以通过使用各种不同的光纤来构建，例如步进折射率SM光纤，色散位移光纤，光子晶体光纤和掺杂SM光纤，使用不同的纤维类型需要对微弯变形器和每种纤维类型的机械设置进行适当的定制。
其次用紫外线（UV）照射制造的LPFBG经历了核心的折射率调制，而包层的折射率调制要少得多，这是光纤芯的Ge掺杂和相关芯的光敏性的结果。
这是由紫外线诱导和Ge相关的色心引起的，由于折射率调制主要局限于较小的核心区域，因此核心模式主要耦合到圆形对称包层模式。
这些光栅中与捻合相关的显性测量效应与高阶模态有效折射调制直接相关，这是由感应共享应力和圆形双折射的出现引起的，这两者都与施加到光纤上的捻度成正比，与一氧化碳相比基于LPFBG的内切和波纹扭曲/旋转传感器。
由于扭曲引起的共振波长变化较小，但光纤的机械强度较大，因为纤维上没有结构或机械变化会降低其机械强度。
典型报道的波长偏移为0.05nm/（rad/m），利用偏振相关损耗（PDL）测量的UV-LPFBG扭曲传感器的另一个示例在中介绍。
在后一种情况下，UV-LPFBG的透射光谱对于沿两个正交双折射轴的偏振光是不同的，这是由于入射侧和磁芯远侧之间的紫外诱导折射率变化而出现的，PDL峰值的变化编码了光纤扭曲的信息。
当没有施加扭曲时，PDL光谱具有几乎相等的峰值，以慢轴和快轴共振波长为中心，施加扭曲后，峰值的幅度与诱导扭曲率成比例调制，报告的温度灵敏度低是由于慢极化和快极化模式的温度效应相等。
用高频一氧化碳制造的LPFBG2脉冲由于LPFBG横截面上的折射率变化分布不对称（图10），结合圆形双折射的出现，产生了椭圆双折射的表现。
结论
基于光纤的扭曲/扭转/旋转传感器在过去十年中一直是深入研究的主题，提出并论证了不同的方法和概念。
一般来说，现有的解决方案可以分为四个主要类别的传感器：基于双折射调制的传感器、基于份额应力折射率调制的传感器、基于电场位移检测的传感器和其他方法，这些组中的每一个都有一组独特的属性。
其中许多方法都基于对传感器光谱响应的询问，虽然光谱分辨询问技术目前被广泛接受，并且在大多数工业光纤应用中是首选。
但频谱解调仪的相对高成本可能会限制这些方法在扭曲/旋转传感中的商业引入，扭转/旋转传感器是典型的单点传感器，对多路复用的能力或需求有限，通常不能容忍过高的系统成本。
因此，这些方法中的哪一种将在实用产品方面取得进展仍有待观察，但是，将来可能应更多地关注能够提供环境稳定和具有成本效益的设计的方法。
由于旋转传感器是现代机械测量系统的主力，该领域未来可能会在学术界和工业界看到持续的研究兴趣。