CN102944253B - 基于偏振测量的光纤光栅横向压力和温度同时测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偏振测量的可同时实现横向压力和温度测量功能的光纤光栅传感系统，属于光纤传感领域。主要包括高稳定度可调谐激光器、光隔离器、光环形器、布拉格光纤光栅、偏振依赖损耗测试仪和光谱分析仪。当光纤光栅受到横向压力和温度同时作用后，由于双折射效应使其透射端的偏振依赖损耗特性发生明显变化，通过偏振依赖损耗测试仪测量可以解调横向压力的大小。光纤光栅的反射光通过环形器输入到光谱分析仪内，通过分析反射光谱的中心波长移动可以实现温度的测量。本发明的系统同时实现了横向压力和温度双参量的测量，具有灵敏度高，结构简单，全光传感的特点。

Description

基于偏振测量的光纤光栅横向压力和温度同时测量系统

技术领域

本发明涉及一种基于偏振测量的可同时实现横向压力和温度测量功能的光纤光栅传感系统，属于光纤传感领域。

背景技术

近年来，光纤布拉格光栅(FBG)在传感领域越来越受到重视。FBG传感器的基本工作原理是，当FBG受到温度及应变作用时，其中心波长的漂移呈线性变化，通过检测波长的移动即可还原温度和应变等物理参数的信息。与传统的电传感器相比，FBG传感器主要有以下技术优点：1．不受电磁波干扰，抗腐蚀性强，鉴于其波长绝对编码特性，它不会受到光源波动及系统损耗的影响，可靠性高。2．灵敏度高，反应速度快，检测范围大，可重复性好。3．可复用性强，采用多个FBG传感器易于构成分布式传感网络。4．结构简单紧凑，探头尺寸小，尤其适合于埋入材料内部构成智能材料和结构。

然而，目前大多数FBG传感器只适合检测沿着光纤轴向的应力。但是很多应用场合，包括飞行器或空间结构、桥梁、建筑、高速公路、矿井顶部等，主体结构往往还会受到横向压力的作用，因此要求FBG传感系统还能进行横向压力的测量，并且具有温度无关或者能提供温度补偿的能力。

目前，对横向压力的测量是FBG传感技术的难点和研究热点之一。有两种最典型的测量方案被提出，首先是中国专利CN1230253提出的利用FBG在横向压力作用下的双折射效应进行测量的方法。其基本原理是，在横向压力作用下，FBG的光谱通常会发生分裂，通过测量两个偏振方向对应峰值的中心波长差就可以实现横向压力的测量。但这一方法具有很明显的缺点，那就是如果采用的是普通圆对称单模光纤制作的FBG，则其横向压力灵敏度非常低，远小于轴向应力，也就是说除非有较大的横向压力，否则产生的双折射效应很微弱，其光谱的反射峰几乎不发生变化或者仅发生展宽，无法从光谱中找出两个反射峰。而为了加强双折射对FBG反射谱的影响，该专利又提出利用保偏光纤上制作的FBG，与普通FBG不同的是，由于保偏光纤存在两个固有的偏振轴方向（快轴和慢轴），并且其有效折射率差异较大，因此保偏FBG的反射谱本身就带有两个反射峰，分别对应不同的偏振轴，因此一旦横向压力作用时，两反射峰之间峰值的移动比较明显，易于测量。但是，保偏光纤及保偏器件的价格十分昂贵，对偏振光的控制也有很高的要求；再者，这种方法要求精确测量横向压力与保偏光纤固有偏振轴的夹角，对各种不同类型的保偏光纤还需分别进行有限元分析，整个过程非常复杂，此外，引入保偏FBG将很难与现有的“非保偏”传感系统相融合，因此该方法几乎难以实用。

为了提高测量横向压力的灵敏度，J.Paul等人相继在“EnhancedlateralpressuretuningoffiberBragggratingsbypolymerpackaging”(OpticsCommunications,Vol.242,425-430,2004)和“EnhancedwavelengthtuningoflaterallyloadedFBGstrainsensorsthroughoptimizationofthepressuretransmittingsystem”一文(SensorsandActuatorsA:PhysicalVol120,416-423,2005)中提出利用特殊聚合物材料封装FBG，或者改变FBG横向施压接触面的结构来提高其横向压力灵敏度，其中心思想是将横向应力转换成轴向应力以提高光栅的响应，由此可获得比裸光栅更高的横向压力灵敏度。但是这种方法受限于聚合物材料和特殊材料结构的稳定性，其长期工作稳定性和重复性都比较差，并增加了FBG的尺寸和负荷，同样难以长期稳定的使用。

此外，这两种典型的技术方案还存在一个重要的技术问题，那就是存在严重的横向压力和温度的交叉敏感，即FBG所受的温度变化会极大地影响压力测量的精度。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术的不足之处，提供可同时实现横向压力测量和温度测量的FBG传感系统，通过测量FBG透射光的偏振依赖损耗(PDL)特性，可大大提高横向压力的灵敏度和测量精度，并且该测量具有温度无关的优良特性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于偏振测量的光纤光栅横向压力和温度同时测量系统，包括可调谐激光器、光隔离器、PDL测试仪、光环形器、光谱分析仪或者波长解调仪、FBG传感器以及APC接头，PDL测试仪内置有第一APC接头、第二APC接头、偏振控制器和光电探测器，可调谐激光器通过第一光隔离器连接到第一APC接头，第二APC接头与第二光隔离器相连，所述第二光隔离器通过第三APC接头与环形器连接；所述环形器的一个输出口与光谱分析仪或者波长解调仪连接，其另外一个输出口通过第四APC接头与FBG传感器相连，所述FBG传感器再通过第五APC接头连接到所述光电探测器。

为了提高横向压力测量的精度，本发明所采用的可调谐激光器应具有较高的功率稳定性，以防止测量系统中不同位置的微弱反射可能反馈回激光器，干扰激光器的工作并导致输出的不稳定，因此，该光源的输出端加上了隔离器，再输入到PDL测试仪的输入端当中。而结构的主要部分光环形器的一个输出端连接FBG，FBG与PDL测试仪的光电探测模块相连。环形器的另一端连接光谱分析仪或者FBG波长解调仪，环形器的功能是将从FBG反射的光导入到光谱分析仪或相关仪器进行光谱分析和波长解调。另外，在整个光路的连接节点处，为了减少连接器的反射，在可调谐激光光源与PDL测试仪之间的所有连接器都应该使用APC接头，部分APC接头还应涂上折射率匹配膏以减小反射和残余PDL。

同时实现横向压力和温度测量功能的FBG传感系统的工作原理是，当FBG受到横向压力和温度同时作用后，由于双折射效应的影响，其幅度光谱和PDL特性都将发生变化，其中，透射端的PDL特性对横向压力的响应比幅度光谱响应更为敏感，其谱线将会发生明显变化，因此，通过PDL测试仪测量并通过简单的数据分析即可以解调横向压力的大小。由于本发明不需要任何粘结剂或聚合物材料封装，其横向压力响应仅依赖于光纤材料本身，因此具有长期稳定和可靠性好的优点。

与其他FBG传感系统一样，本发明的FBG传感器也存在温度串扰的问题，即温度的变化会引起FBG的工作波长变化，从而带来测量误差。而本发明由于测量机理的不同，巧妙的解决了这一问题。原因在于温度的变化不会影响到PDL谱线的形状而只会引起其谱线的整体移动，而本发明解调横向压力用到的是PDL的高度和其峰值波长间隔的信息，与PDL谱线的整体移动无关，因此该方法具有温度无关的特性。此外，通过将FBG的反射光经环形器导入到光谱分析仪或FBG波长解调仪内，通过分析中心反射光谱的波长偏移，就可以实现温度的同时测量。

与现有技术相比，本发明的效果和益处是：该装置以普通FBG等无源器件作为传感媒介，既用到了FBG透射端的PDL信息，又用到了FBG反射端的幅度光谱的信息，从而同时实现了横向压力和温度双参量的测量；本发明还具有灵敏度高，长期温度可靠性好，结构简单，体积小，数据处理无需光电转换等优点。

附图说明

图1为本发明基于偏振测量的可同时实现横向压力和温度测量功能的光纤光栅传感系统的结构示意图。

图2为本发明传感系统在不同大小的横向压力作用下，透射端PDL的响应谱线。

图3为本发明传感系统进行横向压力测试的解调原理。

图4为本发明传感系统受到横向压力(10N)和温度同时作用时FBG的反射光谱响应曲线。

图5是FBG的反射光谱的中心波长随温度变化而变化的关系图。

具体实施方式

将可调谐激光器1的光通过隔离器2输入到PDL测试仪3的输入APC接口3.1，随后通过PDL测试仪3内置的偏振控制器3.2按照非确定性的方法改变激光的的偏振态，使其呈现所有可能的偏振状态，随后通过另一个APC接头3.3输出到隔离器4，隔离器2和隔离器4的作用都是防止传感系统中光路的各个节点微弱的反射回馈到激光器内部，从而引起激光器输出的不稳定导致PDL测量出现误差。随后激光通过涂有折射率匹配膏的APC连接头5输入到环形器6，环形器6的一个输出口连接涂有折射率匹配膏的APC连接头8，然后与FBG传感器9相连，FBG传感器9再通过涂有折射率匹配膏的APC连接头10输入到PDL测试仪3内置的光电探测器3.4。其中，可调谐激光器1可采用Agilent81949A型号或者其它市面上更高端的激光器，其重点在于功率输出的稳定性越高测量精度则越高。PDL测试仪3可选用GeneralPhotonics公司的PDL测试仪(PDL-101)，需要有内置的偏振控制模块和光电探测模块，选择测量速度更快的产品还可以提高传感系统地实时性。APC连接头5、8、10涂上折射率匹配膏，作用是用来减少背向反射和残余PDL，以提高PDL的测量精度。

当FBG传感器9受到横向压力和温度同时作用时，横向压力会导致FBG传感器9的横截面折射率分布产生不均匀变化，即产生所谓的双折射变化，该变化直接从FBG的反射或透射幅度谱难以观察出来，而通过测量透射端的PDL特性的变化就能很容易提取出能用于横向压力传感的有用信息。如图1所示，为了测量PDL的特性，激光器1输入到偏振测试仪3以后，通过其内置的偏振控制器3.2改变激光的偏振态，再经过一系列光学器件后由环形器6输出到FBG传感器9中，其透射光输入到偏振控制器3内置的光电探测器3.4中完成PDL的测试。将该测量数据通过偏振控制器3.2的USB或者网络接口送至个人计算机做简单的PDL质心高度或PDL峰值间距的计算处理，即可还原出横向压力的大小。而由于温度并不会影响PDL的谱线形状，因此该横向压力的测量是温度无关的。另一方面，将FBG传感器9的反射光通过环形器6导入光谱分析仪7或者波长解调仪当中，由于温度仅改变FBG传感器9的反射峰波长，因此通过检测中心波长的移动即还原出温度的大小。从而利用对FBG传感器9的两个端口的不同参量的测量实现了横向压力和的温度的同时检测。

工作原理：

FBG是一段在纤芯内有折射率周期性变化结构的光纤。根据模耦合理论，满足λ_B=2nA条件的波长就被光纤光栅所反射回去（其中λ_B为光纤光栅的中心波长，A为光栅周期，n为纤芯的有效折射率）。由于其中心波长易随温度和应力的变化而变化，在光通信领域，这成为光纤光栅应用的难题之一，而在传感领域，它又成为必要的技术基础。

通常外界的被测量引起光纤光栅温度、应力改变时，光纤光栅反射的中心波长都会发生变化。即光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况，这种波长编码特性使光纤光栅不受光源功率波动和光纤弯曲等因素引起的系统损耗的影响，相对于以强度传感为基础的传感方案更有优势。它的中心波长与温度和应变的关系为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=({\mathrm{\α}}_f+\mathrm{\ξ})\mathrm{\ΔT}+(1-P_e)\mathrm{\Δ\ϵ}---\left(1\right)$

其中，为光纤的热膨胀系数，为光纤材料的热光系数，为光纤材料的弹光系数。在1550nm窗口，中心波长的温度系数约为10.3pm/°C，应变系数为1.209pm/με。

与轴向应变和温度相比，横向压力作用下FBG的光谱响应比较特殊，由于横向压力对光纤横截面的不均匀性，将导致FBG产生双折射效应，即产生两个正交的偏振模式，偏振方向分别对应于快轴(y轴)和慢轴(x轴)，其折射率改变的大小分别为：

${\left({\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{eff}}\right)}_x=-\frac{n_0^3}{2E}\{(p_{11}-{2\mathrm{vp}}_{12}){\mathrm{\σ}}_x+[(1-v)p_{12}-{\mathrm{vp}}_{11}\left]({\mathrm{\σ}}_y+{\mathrm{\σ}}_z)\right\}---\left(2\right)$

${\left({\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{eff}}\right)}_y=-\frac{n_0^3}{2E}\{(p_{11}-{2\mathrm{vp}}_{12}){\mathrm{\σ}}_y+[(1-v)p_{12}-{\mathrm{vp}}_{11}\left]({\mathrm{\σ}}_x+{\mathrm{\σ}}_z)\right\}---\left(3\right)$

其中p11=0.113和p12=0.252是弹光系数，E=74Gpa是杨氏模量，v=0.17是柏松比，σx、σy和σz分别是三个方向的应力分量。由于光栅的长度远大于它的直径，所以这是一个典型的二维横向应变情况（即平面应力和平面应变），此时光纤纤芯处沿x和y方向的应力分量σx和σy可由弹性理论得到：

${\mathrm{\σ}}_x=\frac{F}{\mathrm{\πlb}},$ ${\mathrm{\σ}}_y=-\frac{3F}{\mathrm{\πlb}},$ σ_z=v(σ_x+σ_y)(4)

其中F是横向压力，l为受力光纤的长度，b是光纤的半径。

PDL定义为当输入光的偏振态在所有可能的偏振态间扫描时，通过待测器件的最大和最小输出功率的比值，对于FBG的透射端而言，PDL的公式可表示为：

PDL_t=10log₁₀(|T_x|²/|T_y|²)(5)

对于横向压力的测试，在中小压力情况下，利用该PDL曲线的质心高度作为解调编码，而在大压力情况下，采用PDL两个峰值之间的波长差作为编码的解调方法，PDL的质心高度可以表示为：

$C=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\λ}}_i\·\mathrm{PDL}\left({\mathrm{\λ}}_i\right)}{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\λ}}_i}---\left(6\right)$

从图2可以看到，在横向压力较小的时候，光栅透射端PDL的质心高度持续增大，而PDL两峰值的间距几乎不变。而当压力较大的时候，该高度几乎不再变化，但是PDL的两个峰值对应的波长间距则逐渐加大，其具体的关系曲线如图3所示，通过图3的分析可以看到对不同压力情况，应该采用测量不同参数的方法。在较小压力情况下，利用图3中PDL质心高度随横向压力变化的关系，可以通过测量PDL的质心高度实现横向压力的测量。而对于较大压力情形，该波长间距随压力的增大而单调的增加，因此采用测量PDL两个峰之间的波长间距来实现解调更为合适。

而对于温度的测量来说，如图4所示，随着温度的增加，FBG反射光谱的形状并未发生变化，而只是中心波长随着温度线性地增加，该结果从FBG传感器的基本原理可以很容易的得出。同样，图5显示的是FBG的反射光中心波长随温度变化的线性对应关系，利用FBG传感器9的反射光谱，通过环形器6的一个端口输出到光谱分析仪7当中，通过光谱分析仪7获知此中心波长的变化即可得到温度的变化。

Claims (3)

1.基于偏振测量的光纤光栅横向压力和温度同时测量系统，包括可调谐激光器、光隔离器、PDL测试仪、光环形器、光谱分析仪或者波长解调仪、FBG传感器以及APC接头，其特征在于，PDL测试仪内置有第一APC接头、第二APC接头、偏振控制器和光电探测器，可调谐激光器通过第一光隔离器连接到第一APC接头，第二APC接头与第二光隔离器相连，所述第二光隔离器通过第三APC接头与环形器连接；所述环形器的一个输出口与光谱分析仪或者波长解调仪连接，其另外一个输出口通过第四APC接头与FBG传感器相连，所述FBG传感器再通过第五APC接头连接到所述光电探测器。

2.根据权利要求1所述的基于偏振测量的光纤光栅横向压力和温度同时测量系统，其特征在于，所述第三APC接头、第四APC接头和第五APC接头均涂有折射率匹配膏。

3.利用如权利要求1所述测量系统的测量方法，其特征在于，具体步骤如下：将可调谐激光器的光经过第一光隔离器输入到PDL测试仪，随后通过PDL测试仪内置的偏振控制器按照非确定性的方法改变激光的偏振态，使其呈现所有可能的偏振状态，随后激光通过第二APC接头输出到第二光隔离器，再通过涂有折射率匹配膏的第三APC接头输入到环形器中；环形器的光通过涂有折射率匹配膏的第四APC接头输出到FBG传感器，再通过涂有折射率匹配膏的第五APC接头输入到PDL测试仪内置的光电探测器中，光电探测器测量的数据送至计算机做PDL质心高度或PDL峰值间距的计算处理；FBG传感器的反射光通过环形器导入光谱分析仪或者波长解调仪中检测中心波长的移动。