CN100498216C - 低相干绞扭式类Sagnac光纤形变传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种低相干绞扭式类Sagnac光纤形变传感装置。光源和光电探测器连接在一个耦合器的一侧，该耦合器的另一侧接到一个闭合环路中，在这个环路中通过2x2耦合器3将各段单模光纤传感臂7串联组成闭合环路，高反射端面单模光纤4和单模置出光纤9分别从环路中置出，光纤9通过自聚焦透镜5和扫描反射镜6构成用来解调经过光纤传感臂7的光程差的解调端，一部分光经过高反射端面单模光纤4后原路返回到光电探测器2。本发明能够实现对结构的形变进行分布式绝对测量、低成本，并能同时克服光损耗、温度影响和断点造成的系统失效等困难。

Description

低相干绞扭式类Sagnac光纤形变传感装置

(一)技术领域

本发明涉及的是一种光纤形变传感装置，属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光学低相干干涉的测量技术的分布式测量形变的传感装置。

(二)背景技术

光纤传感器与传统传感器相比，具有抗电磁干扰能力强、耐高温、耐高压、抗化学腐蚀能力强、轻巧、灵敏度高、损耗低及易于实现分布传感等优势，自20世纪70年代中期开始研究，至今已成长为年成交额超过10亿美元、预计将于2010年拥有超过50亿美元市场的新兴产业。据由美国光学工程师学会(OSA)主办的一年一度的国际光纤传感会议(OFS)第15届会议统计，应力形变光纤传感器以28％的市场份额成为光纤传感器市场的领航者。分布式光纤形变应力传感器由于其在新型飞机、航天飞行器的设计过程中，以及在桥梁、建筑与水利工程的健康监测中广泛而重要的应用，受到了各国的普遍关注和重视。基于FBG的准分布式光纤形变传感器只能在有限点处实现对形变的测量，无法实现真正意义上的分布式测量，例如公开号CN 1680838A，名称为“多模光纤光栅传感器系统”等；采用大功率相干光源，基于喇曼散射和布里渊散射的分布式光纤传感器虽然传感距离较长，但造价昂贵，例如公开号CN 1400453A，名称为“分布式光纤温度传感系统”；而基于光学低相干干涉分布式光纤应变传感器，由于其信号检测利用了光学低相干干涉原理，具有能实现对形变的准分布绝对测量、成本低等优点，成为这几种分布式传感器中性价比较高的一类。形变、应变和温度一直是智能材料或智能结构中最感兴趣的重要参量，光纤低相干干涉技术为这些参数的监测提供了有效的测量方法。基于Michelson，Mach—Zehnder和Sagnac干涉仪的基本结构，结合低相干干涉光程匹配技术，可实现对多传感器的解调和问询，从而很方便的实现多路相干复用。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现对结构的形变进行分布式绝对测量、低成本，并能同时克服光损耗、温度影响和断点造成的系统失效等困难的低相干绞扭式类Sagnac光纤形变传感装置。

本发明的目的是这样实现的：包括光源1、光电探测器2、耦合器、高反射端面单模光纤4、自聚焦透镜、扫描反射镜6、单模光纤传感臂7和单模置出光纤9，光源和光电探测器连接在一个耦合器的一侧，该耦合器的另一侧接到一个闭合环路中，在这个环路中通过第二2x2耦合器3将各段单模光纤传感臂7串联组成闭合环路，高反射端面单模光纤4和单模置出光纤9分别从环路中置出，单模置出光纤9通过第二自聚焦透镜5和扫描反射镜6构成用来解调经过光纤传感臂7的光程差的解调端，一部分光经过高反射端面单模光纤4后原路返回到光电探测器2。

本发明还可以包括：

1、所述的与光源和光电探测器连接的耦合器是第一2x2耦合器10，光源1和光电探测器2通过第一自聚焦透镜5-1并联在第一2x2耦合器10的一侧，闭合环路中设置有偏振控制器8。

2、所述的与光源和光电探测器连接的耦合器是1x2耦合器11，一个分光镜12把光源1和光电探测器2集成后再与1x2耦合器11相连。

3、所述的光源是宽谱低相干LED光源。

本发明的基本原理是基于低相干干涉测量技术，各路低相干光会经过闭合环路中的各段传感臂，一部分光经过高反射端面单模光纤4后原路返回到光电探测器2，一部分光会经过调制端反射沿另外一路返回到光电探测器2，可选择任何一个光路作为参考光路，再通过扫描反射镜6的移动来调解两路光的光程差，使得相互匹配。这样就可以实现解调端对各段传感臂的问询。在闭合环路的干路中串联一个偏振控制器，是为了解决偏振态造成的影响。

本发明的有效效果是：

1.基于低相干干涉的测量技术，实现对结构形变进行分布式绝对测量、成本低；

2.多个2x2(3db)耦合器把各段传感器串联于闭合环路中(构成绞扭式结构)，可以实现解调端对各段传感器的多路问询、每一对光纤段还能实现彼此的温度补偿。此外，这种连接方式还可以克服单断点所导致传感系统失效的问题；

3.由于采用了闭合环路拓扑结构，所以可以减少光损失，提高多路相干复用能力；

4.解调端单独置出，用来问询经过各段传感器的光程差，采用单向自聚焦透镜-扫描反射镜，更加容易安装和调整。

本发明能够实现对结构的形变进行分布式绝对测量、低成本，并能同时克服光损耗、温度影响和断点造成的系统失效等困难。

本发明可用于智能结构中进行健康评估与监测(如楼房、桥梁、大坝等大型建筑物，也可用于海洋石油平台、油田及航空等结构物的形变监测)，从而防止工程事故的发生，可以对形变、温度、应力等物理量单点或分布式测量。

(四)附图说明

图1和图2是本发明的两种具体实施方式的结构示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明的第一种实施方式包括宽谱低相干LED光源1、光电探测器2、2x2(3db)耦合器10、2x2(3db)耦合器3、高反射端面单模光纤4、自聚焦透镜、扫描反射镜6、单模光纤传感臂7、偏振控制器8和单模置出光纤9。

光源1和光电探测器2通过自聚焦透镜5-1并联在耦合器10的一侧，耦合器10的另一侧接到一个闭合环路中，在这个环路中通过多个2x2耦合器3将各段单模光纤传感臂7串联组成闭合环路，高反射端面单模光纤4和单模置出光纤9分别从环路中置出，光纤9通过自聚焦透镜5和扫描反射镜6构成用来解调经过光纤传感臂7的光程差的解调端，一部分光经过高反射端面单模光纤4后原路返回到光电探测器2。闭合环路中设置有偏振控制器8。

各路低相干光会经过闭合环路中的各段传感臂，一部分光经过高反射端面单模光纤4后原路返回到光电探测器2，一部分光会经过调制端反射沿另外一路返回到光电探测器2，可选择任何一个光路作为参考光路，再通过扫描反射镜6的移动来调整两路光的光程差，从而实现光程匹配。这样就可以实现解调端对各段传感臂的问询。在闭合环路的干路中串联一个偏振控制器，是为了解决偏振态造成信号衰落问题而采用的控制器件。

结合图2，本发明的第二种实施方式是，在第一种实施方式的基础上，用一个1x2(3db)耦合器11替换2x2(3db)耦合器10，再用一个分光镜12把光源1和光电探测器2集成，使它们成为一个独立的双工组件，同时把偏振控制器8从闭合环路中移除。其它的结构都和第一种具体实施方式一样。这样与第一种具体实施方式相比，集成度可以相对提高。

Claims (4)

1、一种低相干绞扭式类Sagnac光纤形变传感装置，包括光源(1)、光电探测器(2)、耦合器、高反射端面单模光纤(4)、自聚焦透镜、扫描反射镜(6)、单模光纤传感臂(7)和单模置出光纤(9)，其特征是：光源和光电探测器连接在一个耦合器的一侧，该耦合器的另一侧接到一个闭合环路中，在这个环路中通过第二2x2耦合器(3)将各段单模光纤传感臂(7)串联组成闭合环路，高反射端面单模光纤(4)和单模置出光纤(9)分别从环路中置出，单模置出光纤(9)通过第二自聚焦透镜(5)和扫描反射镜(6)构成用来解调经过光纤传感臂(7)的光程差的解调端，一部分光经过高反射端面单模光纤(4)后原路返回到光电探测器(2)。

2、根据权利要求1所述的低相干绞扭式类Sagnac光纤形变传感装置，其特征是：所述的与光源和光电探测器连接的耦合器是第一2x2耦合器(10)，光源(1)和光电探测器(2)通过第一自聚焦透镜(5-1)并联在第一2x2耦合器(10)的一侧，闭合环路中设置有偏振控制器(8)。

3、根据权利要求1所述的低相干绞扭式类Sagnac光纤形变传感装置，其特征是：所述的与光源和光电探测器连接的耦合器是1x2耦合器(11)，一个分光镜(12)把光源(1)和光电探测器(2)集成后再与1x2耦合器(11)相连。

4、根据权利要求1、2或3所述的低相干绞扭式类Sagnac光纤形变传感装置，其特征是：所述的光源是宽谱低相干LED光源。

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