本发明涉及光纤光栅阵列制造，特别涉及一种手征型多芯光纤光栅阵列及制备方法。
背景技术：
1、随着我国各领域的高速发展，光纤作为传感敏感元件和传输信号介质在各种监测系统有着重要的作用，光纤光栅形状传感作为一种新型的光学传感元件，可以实现对环境温度、应力应变、湿度、压力以及化学成分变化等的监测，具有小尺寸、抗恶劣环境、抗电磁干扰、耐腐蚀性、高灵敏度和准确度、植入性好等优点，其中基于应力应变监测的光纤光栅形状传感技术在土木、机械、航空航天工程和医学等众多领域发挥着重要作用。光纤光栅形状传感技术可用于航空航天、工业机械和大型建筑等领域的结构监测、地理环境和线缆管道监测，医疗方面可以用于介入治疗追踪、医学微创介入手术、智能健康监测等，工业上能够实现工业机器人生产制造，以其独有的优势呈现出极大的应用潜力。
2、多芯光纤是一种容纳多个纤芯的特种光纤，在同一外包层内含有多根纤芯。将光纤光栅刻写在多芯光纤中制成的多芯光纤光栅具有多芯光纤和光纤光栅的所有优点，多芯光纤光栅结构体积小、抗恶劣环境、抗电磁干扰、耐腐蚀性、高灵敏度和准确度、植入性好、信噪比高。目前已有的厘米级多芯光纤光栅阵列已应用于医疗内窥镜、微创手术、穿戴设备、工业机器人等各个领域，然而由于此种多芯光纤光栅间距较小、光纤光栅阵列长度短，形状监测在空间上无法实现连续，故无法获取测点之间空白无栅区域的形状，其精度相对于大纤芯间距的光纤形状传感器还有一定差距，此种多芯光纤光栅无法探测大范围的大半径形变，在管道沉降、桥梁坍塌、工程监测等需要长距离监测形变的大规模应用中，此种多芯光纤光栅存在局限性。
3、在多芯光纤光栅阵列制备工艺上，现有的制备技术以去涂层、单点刻栅、非连续刻栅方法或者使用转轴刻栅，过程中需要手动控制聚焦位置，易使不同位置的纤芯受到的入射光照射强度不同，该过程难以控制且重复性差，导致写入的光栅中心波长不一致、反射率大小不一，使得多芯光纤光栅阵列质量较低，同时增加了系统复杂性，提高了应用成本，难以实现低成本高效制备多芯光纤光栅的要求，不能量产化，无法实现长距离大规模制备，不具备工业生产的条件。同时，由于制备方法的局限性使得多芯光纤光栅阵列在不同纤芯之间的排列方式为平行排列，以此种方式排列而成的多芯光纤光栅阵列在实际应用中可监测的形变情况单一、应用范围小、误差较多，虽然能够实现弯曲方向和大小的测量，完成正交轴上的曲率测量，但在形变监测过程中对扭转的响应并不敏感，对于因扭力产生形变的区域无法快速定位，无法完成扭力形变还原，影响多芯光纤光栅形状传感准确度。
4、针对上述多芯光纤光栅制备方法中所存在的各项不足，一是现有的制备技术在各方面所需的成本较高，不仅需要各种器件完成纤芯耦合和光栅区域校准，而且需剥离光纤涂覆层，增加了制备步骤和时间及人工消耗，所需器件繁多，制备系统复杂，难以形成工业化制备且光栅一致性难以控制。二是多芯光纤光栅间距较小、光纤光栅阵列长度短，形状监测存在测点盲区，精度不及大纤芯间距的多芯光纤光栅形状传感器，无法探测长距离、大范围、大半径形变。三是以往平行排列的多芯光纤光栅阵列在实际应用中可监测的形变情况单一、应用范围小、误差较多、无法监测扭力应变的问题。四是制备的多芯光纤光栅灵活性不足，难以根据实际进行光栅数量和纤芯间距的灵活配置。本发明涉及的一种手征型多芯光纤光栅阵列制备方法是基于在拉丝塔制备光纤的过程中完成定点刻栅，利用了拉丝塔能够长距离制备光纤光栅的优势，采用本发明专利所述制备方法，能够实现米级至公里级的长距离大规模多芯光纤光栅阵列制备，流程简单流畅，能够实现低成本的工业化生产需要，所制备的多芯光纤光栅阵列能够用于长距离监测宏观区域的应力应变，填补了工程应用中无整体性大范围长距离监测应力应变的应用空白；对以所述方法制备完成的光栅阵列光纤进行增加扭力的合束操作，实现在光纤合束过程中对多芯光纤光栅的螺旋增敏，在实际应用中可以监测形变过程中扭力的影响，消除扭转误差，提升形状传感准确度，并控制螺旋增敏程度，控制扭矩，实现定位快、精度高的多维形状传感；所述的一种手征型多芯光纤光栅阵列制备方法可根据实际进行光栅数量和间距的灵活配置，以完成更灵活的传感距离、更多样的形状变化跨度的形状监测。
5、本发明提出一种手征型多芯光纤光栅阵列制备方法，所述制备方法基于拉丝塔制备长距离光纤，在拉丝过程中完成反射率一致、光栅间距按需定制的光纤光栅刻写、确定纤芯距离，所述长距离的光栅阵列光纤穿过旋转送纤模块与合束模块，并在旋转送纤模块与合束模块的旋转作用下受到扭力而形成一种手征型多芯光纤光栅阵列，所述手征型多芯光纤光栅阵列的螺旋扭矩可以由旋转送纤模块与合束模块的旋转速度来加以控制。根据所述方法所制备的一种手征型多芯光纤光栅阵列具有制备成本低、符合工业化生产条件、可以实现大规模长距离制备多芯光纤光栅阵列的目的，各纤芯上的光纤光栅一致性高、中心波长一致、反射率相同、多芯光纤光栅阵列质量高，在监测复杂应变情况时可以实现对扭力的应变监测。
技术实现思路
1、本发明提供了一种多芯光纤光栅阵列制备方法，解决一般多芯光纤光栅制备成本高、需要时间长，无法实现工业化生产以及长距离的大范围应变监测、无法分辨结构形变是否由扭力导致的问题。制备工艺简单、制备步骤简洁，制备成本低，能够实现工业化生产，在实际应用中能够填补工程监测空白。本发明提供的一种手征型多芯光纤光栅阵列制备方法在结构监测应用中不仅可以丰富监测的应力应变种类，并且能够实现大规模长距离监测以及快速定位复杂的扭力应变情况，在大规模工程结构健康监测上具有显著优势。
2、本发明的目的是这样实现的：
3、发明一种手征型多芯光纤光栅阵列制备方法，需要选择一组旋转送纤模块（1），1+n根光栅阵列光纤（2），合束模块（3），涂敷杯（4），收纤装置（5）。
4、旋转送纤模块目的在于完成多根光纤光栅的送纤工作，同时具有自动旋转的能力，所述光栅阵列光纤由拉丝塔制备而成，制备过程中完成光栅刻写，在拉丝塔制备光栅阵列光纤过程中调控光栅间距、确定光纤外径，光纤外径即为多芯光纤的纤芯距离；所述合束模块随着旋转送纤模块一同旋转，带动光栅阵列光纤以手征型方式合束；所述涂敷杯有一定长度，确保所述手征型光栅阵列多芯光纤充分固化；最终将所述手征型多芯光纤光栅阵列整理到收纤盘，合理保护制备完成的手征型光栅阵列多芯光纤。
5、所述的合束模块由一大直径孔洞和其周围n个小直径孔洞形成，其中中心光栅阵列光纤从位于合束模块中心处的大直径孔洞送出，n个光栅阵列光纤由小直径孔洞送出；在制备一种手征型多芯光纤光栅阵列时，1+n根光栅阵列光纤自旋转送纤模块同速穿入合束模块，并在旋转送纤模块的旋转作用下受到扭力而合束成单根多芯光纤光栅阵列，此单根多芯光纤光栅阵列的内部结构是由1+n根光栅阵列光纤螺旋形成的一种手征型多芯光纤光栅阵列。
6、将1+n根光栅阵列光纤自旋转送纤模块送出，再穿入合束模块，小孔与光纤一一对应，穿过合束模块的1+n根光栅阵列光纤送入涂敷杯，涂敷杯位置固定且不旋转，所述涂敷杯有一定长度，确保所述手征型光栅阵列多芯光纤充分固化。
7、在旋转送纤模块上安置1+n根光栅阵列光纤盘，旋转送纤模块自动旋转并送纤，所述旋转送纤模块带动合束模块一同旋转，涂敷杯位置固定不动，穿过合束模块的1+n根光栅阵列光纤因旋转扭力而围绕中心光纤光栅以螺旋状态合束为单根多芯光纤光栅，控制旋转速度则可以实现确定扭矩的螺旋增敏效果，根据不同的旋转速度，能够决定手征型多芯光纤光栅监测结构系统扭力应变的范围以及灵敏度高低。
8、旋转送纤模块与合束模块同速同向旋转，使1+n根光栅阵列光纤由同一方向因受到扭力形成一种手征型多芯光纤光栅，并在涂敷杯完成涂敷并固化。
9、经过涂敷固化的手征型多芯光纤光栅阵列经收纤装置收入收纤盘。
10、所述收纤装置由两个大滚轮带动小滚轮，最后连接收纤盘；经过涂敷固化的所述一种手征型多芯光纤光栅阵列经收纤装置收入收纤盘。
11、本发明为解决技术问题所采取的装置：
12、其特征在于：由旋转送纤模块（1），光栅阵列光纤（2),合束模块（3），涂敷杯（4）,收纤装置（5）组成；所述合束模块（3)由一大直径孔洞与周围n个小直径孔洞环绕而成；1+n根光栅阵列光纤（2）自旋转送纤模块（1）送出后穿入合束模块（3）后汇入涂敷杯（4），旋转送纤模块（1）与合束模块（3）同速同向旋转，使1+n根光栅阵列光纤（2）由同一方向因受到扭力形成一种手征型多芯光纤光栅，并在涂敷杯（4）完成涂敷并固化，最终由收纤装置（5）收至收纤盘。
13、与现有技术相比，本发明的有益效果为：
14、（1）本发明提出了一种手征型多芯光纤光栅阵列制备方法，本发明选取用拉丝塔制备的光栅阵列光纤，在拉丝塔制备光纤的过程中完成定点刻栅，对以所述方法制备完成的光栅阵列光纤进行增加扭力的合束操作，实现光栅数量和间距灵活配置的多芯光纤光栅阵列的制备，流程简单流畅，以所述多芯光纤光栅阵列制备的方法代替在已有多芯光纤上刻栅的多芯光纤光栅阵列制备方法无需逐点纤芯定位刻栅，无需复杂的光纤扇入扇出器件等，大大降低了多芯光纤光栅阵列的制备成本，保证了光栅一致性和刻写效率的同时实现低成本的工业化生产需要，满足工业化制备条件。
15、（2）本发明选取1+n根光栅阵列光纤作为作为多芯光纤的多根纤芯，能够根据不同的应用需求，选择确定的纤芯间距和纤芯中光栅间距，应用灵活，不仅能够制备小纤芯间距的多芯光纤光栅阵列，以用于微小设备的形状传感，如医疗内窥镜、机器人手臂等，而且能够制备大纤芯间距的多芯光纤光栅阵列，以实现大范围长距离的形变监测，在工程结构、道路桥梁等大型应变监测领域有显著优势，如在地质沉降、桥梁坍塌、管道下沉等方面可以实现高灵敏度高准确度的长距离形变测量。
16、（3）本发明选择的旋转送纤装置和合束装置，能够有序的完成送纤工作同时由于自身的旋转为多芯光纤光栅阵列进行螺旋增敏，在增敏过程中可以通过控制旋转的速度来控制多芯光纤的旋转扭矩，实现形变过程中对扭力的测量，消除扭转误差，提升形状传感准确度，实现定位快、范围广、精度高的多维形状传感。
1.一种手征型多芯光纤光栅阵列及制备方法，其特征在于：包括旋转送纤模块、1+n根光栅阵列光纤、合束模块、涂敷杯、收纤装置，其中：
2.根据权利要求1所述一种手征型多芯光纤光栅阵列及制备方法所需要的装置，其特征在于：包括旋转送纤模块、1+n根光栅阵列光纤、合束模块、涂敷杯、收纤装置，其中：
3.根据权利要求1所述方法制备的一种手征型多芯光纤光栅阵列，其特征在于：一种手征型多芯光纤光栅阵列其多个纤芯为多根光栅阵列光纤，所述光栅阵列光纤光栅波长、光栅间距、光栅反射率相同或不同，各纤芯的芯径大小相同或不同，纤芯数量为1+n，1为中心纤芯，在所述一种手征型多芯光纤光栅阵列中位于中心竖直位置，n为n个围绕中心纤芯均匀分布的n个边芯，以螺旋盘绕的方式位于中心纤芯四周，所述1+n个纤芯以手征型方式形成一种手征型多芯光纤光栅阵列，所述一种手征型多芯光纤光栅阵列其螺旋螺距可以自由调配，能够根据不同应变监测、扭力监测、形状传感等选择合适的螺旋程度及螺距。
