CN103134627B - 一种基于低双折射pm-flm的温度不敏感应力传感器 - Google Patents

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Abstract

一种基于低双折射PM-FLM(Polarization Maintaining Fiber Loop Mirror，PM-FLM)的温度不敏感应力传感器，其特征在于：由入射光纤(1)、3-dB耦合器(2)、连接光纤(3)、第一低双折射保偏光纤(4)和第二低双折射保偏光纤(5)、偏振控制器(6)、出射光纤(7)组成；3-dB耦合器(2)一边的两个端口分别与入射光纤(1)以及出射光纤(7)相连接，3-dB耦合器(2)另两个端口分别与两段连接光纤(3)相连，两连接光纤(3)中间分别接第一低双折射保偏光纤(4)和第二低双折射保偏光纤(5)，第一低双折射保偏光纤(4)和第二低双折射保偏光纤(5)由一段连接光纤(3)相连，其中此段连接光纤(3)上接一个偏振控制器(6)；3-dB耦合器(2)、三段连接光纤(3)和第一低双折射保偏光纤(4)和第二低双折射保偏光纤(5)构成光纤环镜；本传感器灵敏度高、抗外界电磁干扰能力强，可以应用于各类实际工程中。

Description

一种基于低双折射PM-FLM的温度不敏感应力传感器
技术领域
本发明提供了一种基于低双折射偏振保持光纤环镜(Polarization Maintaining Fiber LoopMirror，PM-FLM)的温度不敏感应力传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术
光纤环镜(FLM)广泛应用于光纤通信与传感系统中。在由同一光纤绕成的光纤圈中沿相反方向前进的两光波，在外界因素作用下产生不同的相移。其最典型的应用就是转动传感，即光纤陀螺。由于它没有活动器件，没有非线性效应和低转速时激光陀螺的闭锁区，因而非常有希望制成高性能低成本器件。通过干涉效应进行检测，就是sagnac干涉仪的基本原理。基于sagnac干涉仪的光纤传感器在长距离、小泄露管道检测定位上有其明显的优势，同时也可应用在光纤围栏报警系统中，具有简单高效、安装便捷、维护简单、成本较低等优点。
在传统的FLM中插入两段双折射系数不同的低双折射保偏光纤构成HiBi-PM-FLM，一段作为参考光纤，一段作为传感光纤。施加在传感光纤上应力改变了FLM的光程差，通过监测干涉光谱的漂移量可以实现应力测量，通过测量对应两段保偏光纤的干涉光谱的波长差，可以消除温度对测量结果的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于低双折射PM-FLM的温度不敏感应力传感器。该装置能够将待测应力的变化量转化为探测信号的波长漂移量。具有结构简单、易于操作、灵敏度高等特点。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于低双折射PM-FLM的温度不敏感应力传感器，由入射光纤(1)、3-dB耦合器(2)、连接光纤(3)、第一低双折射保偏光纤(4)和第二低双折射保偏光纤(5)、偏振控制器(6)、出射光纤(7)组成；3-dB耦合器(2)一边的两个端口分别与入射光纤(1)以及出射光纤(7)相连接，3-dB耦合器(2)另两个端口分别与两段连接光纤(3)相连，两连接光纤(3)中间分别接第一低双折射保偏光纤(4)和第二低双折射保偏光纤(5)，第一低双折射保偏光纤(4)和第二低双折射保偏光纤(5)由一段连接光纤(3)相连，其中此段连接光纤(3)上接一个偏振控制器(6)；3-dB耦合器(2)、三段连接光纤(3)和第一低双折射保偏光纤(4)和第二低双折射保偏光纤(5)构成光纤环镜。
所述的一种基于低双折射PM-FLM的温度不敏感应力传感器，其特征在于：入射光纤(1)、出射光纤(7)和连接光纤(3)可采用G.652、G.653和G.655单模光纤，入射光纤(1)和出射光纤(7)长度为20～40cm，连接光纤(3)长度为10～20cm。。
所述的一种基于低双折射PM-FLM的温度不敏感应力传感器，其特征在于：第一低双折射保偏光纤(4)和第二低双折射保偏光纤(5)为熊猫型或领结型低双折射保偏光纤，长度为20～30cm。
所述的一种基于低双折射PM-FLM的温度不敏感应力传感器，其特征在于：偏振控制器(6)采用型号为FPC030或FPC020的高消光比偏振控制器。。
本发明的工作原理是：入射光由3-dB耦合器(2)分为两个反向传输的光信号，由偏振控制器(6)控制光信号偏振态，两束光经过PM-FLM后产生相位延迟：
Δλ = ( LΔB + BΔL ) k = L k · ( P t · ΔT + B · ϵ ) - - - ( 1 )
其中B为传感保偏光纤的双折射系数，L为接入保偏光纤的长度，λ为入射光波长。ΔT为外围环境温度的变化，ε为施加在传感光纤上的应力大小。当两束光通过整个FLM后重新回到3-dB耦合器(2)并发生干涉，出射光呈明暗相间的干涉条纹。外围环境温度变化与施加在传感光纤上的应力变化均会改变传感光纤的双折射系数B，从而改变在FLM中正逆向传输光的相位差，使干涉条纹发生改变，监测干涉光谱波长漂移量可以还原待测信号。
本发明的有益效果是：该应力传感器在FLM接入两段双折射系数不同PMF，长度相同的低双折射PMF，一段作传感光纤，一段作参考光纤。由于两PMF的双折射系数的不同，当入射光进入FLM并最后重新回到3-dB耦合器(2)并发生干涉时，对应两段PMF的干涉条纹将会有不同的干涉极小值，最终会使两干涉光谱相互叠加。应力施加在传感光纤上时，对应传感光纤的干涉光谱将会漂移，而参考光纤由于没有受到应力，因此其对应的干涉光谱不会漂移。而外界温度改变时，由于两段PMF的材质一样，因此温度变化对两PMF对应的干涉光谱的影响相同。通过检测两PMF对应的干涉光谱漂移的相对间隔，即可消除温度对应力测量的影响。另外，由于该装置采用的是低双折射的PMF，因此该传感器还可以获得较大的测量范围。
附图说明
图1是本发明的基于低双折射PM-FLM温度不敏感应力传感器示意图；
图2是本发明的不同应力施加在传感光纤上时的干涉光谱变化实验图；
图3是本发明的应力灵敏度曲线图；
图4是本发明的温度不敏感实验光谱图。
具体实施方式
下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述：
参见附图1，一种基于低双折射PM-FLM的温度不敏感应力传感器，由入射光纤(1)、3-dB耦合器(2)、连接光纤(3)、第一低双折射保偏光纤(4)和第二低双折射保偏光纤(5)、偏振控制器(6)、出射光纤(7)组成；3-dB耦合器(2)一边的两个端口分别与入射光纤(1)以及出射光纤(7)相连接，3-dB耦合器(2)另两个端口分别与两段连接光纤(3)相连，两连接光纤(3)中间分别接第一低双折射保偏光纤(4)和第二低双折射保偏光纤(5)，第一低双折射保偏光纤(4)和第二低双折射保偏光纤(5)由一段连接光纤(3)相连，其中此段连接光纤(3)上接一个偏振控制器(6)；3-dB耦合器(2)、三段连接光纤(3)和第一低双折射保偏光纤(4)和第二低双折射保偏光纤(5)构成光纤环镜。
第一低双折射保偏光纤(4)和第二低双折射保偏光纤(5)均采用低双折射熊猫型保偏光纤，长度为25cm，其中第一低双折射保偏光纤(4)的双折射为7.7024×10-6，第二低双折射保偏光纤(5)的双折射为7.7316×10-6。融接在其两端的连接光纤(3)为普通G.652单模光纤，长度为15cm。入射光纤(1)与出射光纤(7)均采用普通G.652单模光纤，长度均为30cm。偏振控制器(6)采用型号为FPC020高消光比偏振控制器。第一低双折射保偏光纤(4)为传感光纤，用于探测作用在其上的应力大小，第二低双折射保偏光纤(5)为参考光纤，用于温度补偿。实验时，将第一低双折射保偏光纤(4)两端分别固定在位移平台上，通过沿光纤轴向移动位移平台来给传感光纤施加轴向应力。图(2)为室温条件下不同应力施加在第一低双折射保偏光纤(4)上时的干涉光谱变化实验图，可见，当施加在第一低双折射保偏光纤(4)上的应力在0～1400εμ的范围内变化时，对应第一低双折射保偏光纤(4)的干涉光谱向长波长方向漂移，由于第二低双折射保偏光纤(5)不受应力，所以干涉光谱基本不会漂移。图3是本发明的应力灵敏度曲线图，该传感器的灵敏度为3.5pm/με。图4是本发明的温度不敏感实验光谱图，外围环境温度变化是，干涉光谱的整体朝长波长方向漂移，但对应第一低双折射保偏光纤(4)和第二低双折射保偏光纤(5)的干涉光谱的谐振波长间隔是不会改变的，通过测量两干涉光谱的间隔，可以消除温度对测量结果的影响。

Claims (4)

1.一种基于低双折射PM-FLM的温度不敏感应力传感器，其特征为：由入射光纤(1)、3-dB耦合器(2)、连接光纤(3)、第一低双折射保偏光纤(4)和第二低双折射保偏光纤(5)、偏振控制器(6)、出射光纤(7)组成；3-dB耦合器(2)一边的两个端口分别与入射光纤(1)以及出射光纤(7)相连接，3-dB耦合器(2)另两个端口分别与两段连接光纤(3)相连，两连接光纤(3)中间分别接第一低双折射保偏光纤(4)和第二低双折射保偏光纤(5)，第一低双折射保偏光纤(4)和第二低双折射保偏光纤(5)由一段连接光纤(3)相连，其中此段连接光纤(3)上接一个偏振控制器(6)；3-dB耦合器(2)、三段连接光纤(3)和第一低双折射保偏光纤(4)和第二低双折射保偏光纤(5)构成光纤环镜。
2.根据权利要求1所述的一种基于低双折射PM-FLM的温度不敏感应力传感器，其特征在于：入射光纤(1)、出射光纤(7)和连接光纤(3)可采用G.652、G.653和G.655单模光纤，入射光纤(1)和出射光纤(7)长度为20～40cm，连接光纤(3)长度为10～20cm。
3.根据权利要求1所述的一种基于低双折射PM-FLM的温度不敏感应力传感器，其特征在于：第一低双折射保偏光纤(4)和第二低双折射保偏光纤(5)为熊猫型或者领结型低双折射保偏光纤，长度为20～30cm。
4.根据权利要求1所述的一种基于低双折射PM-FLM的温度不敏感应力传感器，其特征在于：偏振控制器(6)采用型号为FPC030或FPC020的高消光比偏振控制器。
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