CN103148794A - 一种基于双折射光纤环境的轴向应变测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双折射光纤环境的轴向应变测量方法，在构建现有双折射光纤环境轴向应变测量装置的基础上，通过选择最佳监测点测量轴向应变，不仅保证了应变的顺利测量，而且提高了应变的灵敏度。相对于通过结构创新方法提高应变灵敏度，此方法简单易行。

Description

一种基于双折射光纤环境的轴向应变测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于双折射光纤环境的轴向应变测量方法。

背景技术

双折射光纤环镜在光通信和光纤传感领域的应用引起了学者的广泛关注，双折射光纤环镜具有偏振无关、高消光比、抗外界环镜干扰、制造简单、性能稳定、价格低廉等优良特性。

双折射光纤环镜轴向应变测量系统由光纤耦合器、双折射光纤、光源和光谱仪组成，将双折射光纤的两端分别熔接于光纤耦合器的两个输出臂形成双折射光纤环镜，光源经光纤耦合器的输入臂输入，分成顺时针传输的光束和逆时针传输的光束,两束反方向传输的光形成干涉光谱，在光纤耦合器的另一臂输出，输出的干涉光谱与光谱仪连接。当双折射光纤受到轴向应变时，其长度发生改变，从而改变双折射光纤环镜的光程差，导致干涉光谱的变化，根据干涉光谱的变化体现双折射光纤的应变传感。

目前，利用双折射光纤环镜波长的变化测量轴向应变的技术中，没有考虑监测点波长的选择对轴向应变灵敏度的影响，选择的监测点不能保证既满足轴向应变测量，又满足高灵敏度的要求。而灵敏度是光纤环镜传感器的重要性能之一，一直受到广泛关注。但目前比较关注通过结构创新来提高双折射光纤环镜的传感灵敏度，但结构创新方法，在改善双折射光纤环镜传感灵敏度同时也增加了系统的成本和系统复杂性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于双折射光纤环境，既满足轴向应变测量，又满足高灵敏度要求的轴向应变的测量方法。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明提出了一种基于双折射光纤环境的轴向应变测量方法，包括如下步骤：

步骤1.采用光纤耦合器、双折射光纤、光源和光谱仪构建双折射光纤环境轴向应变测量装置，其中，双折射光纤的两端分别与光纤耦合器的两个输出臂相连接，光源与光纤耦合器的输入臂相连接，光谱仪的输入端与光纤耦合器的另一个输出臂相连接；

步骤2.将双折射光纤粘贴在被测物体上，通过光谱仪测量其干涉光谱；

步骤3.在被测物体未受任何应变的情况下，即双折射光纤未受任何应变的情况下，在干涉光谱上，寻找波长最长的一个光功率峰值点，作为最佳监测点；

步骤4.对被测物体增加轴向应变，获取应变值与对应最佳监测点波长的数据，并对该数据线性回归拟合一次曲线方程；

步骤5.对该被测物体施加轴向应变，通过光谱仪读取最佳监测点的波长大小，并根据步骤4拟合的一次曲线方程，得到该被测物体此时的轴向应变。

作为本发明的一种优选技术方案：所述测量方法中，如果需要针对另一被测物体进行轴向应变的测量时，首先判断该另一被测物体与所述被测物体是否属于同一被测物体，如果是，则直接操作步骤5；如果不是，则重复步骤2至步骤5。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤3中，通过光谱仪测量所述干涉光谱，该干涉光谱的纵坐标为光功率，横坐标为波长。

作为本发明的一种优选技术方案：所述光纤耦合器为3db光纤耦合器。

作为本发明的一种优选技术方案：所述光源为宽带光源。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤4中，对被测物体均匀增加轴向应变，获取应变值与对应最佳监测点波长的数据。

本发明所述一种基于双折射光纤环境的轴向应变测量方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本发明提出的轴向应变测量方法既能满足轴向应变测量，又能满足高灵敏度的要求；

（2）本发明提出的轴向应变测量方法中，选择光功率波峰点作为最佳监测点，是便于干涉光谱的监测；

（3）本发明提出的轴向应变测量方法，具有简单、且方便操作的优点。

附图说明

图1是本发明提出的轴向应变测量方法的系统实施示意图；

图2是0με轴向应变和200με轴向应变情况下的干涉光谱仿真图；

图3是示例波峰A、B轴向应变灵敏度随监测点波长变化的关系仿真图。

其中，1.光源，2.光谱仪，3.光纤耦合器，4.双折射光纤，5.光源输入端口，6.干涉光谱输出端口，7.输出臂，8.输出臂。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提出了一种基于双折射光纤环境的轴向应变测量方法，包括如下步骤：

步骤1.采用光纤耦合器、双折射光纤、光源和光谱仪构建双折射光纤环境轴向应变测量装置，其中，双折射光纤的两端分别与光纤耦合器的两个输出臂相连接，光源与光纤耦合器的输入臂相连接，光谱仪的输入端与光纤耦合器的另一个输出臂相连接；

步骤2.将双折射光纤粘贴在被测物体上，通过光谱仪测量其干涉光谱；

步骤3.在被测物体未受任何应变的情况下，即双折射光纤未受任何应变的情况下，在干涉光谱上，寻找波长最长的一个光功率峰值点，作为最佳监测点；

步骤4.对被测物体增加轴向应变，获取应变值与对应最佳监测点波长的数据，并对该数据线性回归拟合一次曲线方程；

步骤5.对该被测物体施加轴向应变，通过光谱仪读取最佳监测点的波长大小，并根据步骤4拟合的一次曲线方程，得到该被测物体此时的轴向应变。

作为本发明的一种优选技术方案：所述测量方法中，如果需要针对另一被测物体进行轴向应变的测量时，首先判断该另一被测物体与所述被测物体是否属于同一被测物体，如果是，则直接操作步骤5；如果不是，则重复步骤2至步骤5。

本发明提出的轴向应变测量方法既能满足轴向应变测量，又能满足高灵敏度的要求；而且选择光功率波峰点作为最佳监测点，是便于干涉光谱的监测。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤3中，通过光谱仪测量所述干涉光谱，该干涉光谱的纵坐标为光功率，横坐标为波长。

作为本发明的一种优选技术方案：所述光纤耦合器为3db光纤耦合器。

作为本发明的一种优选技术方案：所述光源为宽带光源。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤4中，对被测物体均匀增加轴向应变，获取应变值与对应最佳监测点波长的数据。

本发明提出的一种基于双折射光纤环境的轴向应变测量方法在具体实际应用过程当中，针对同一被测物体进行轴向应变的测量时，第一遍测量时，完成步骤1至步骤5的操作后，如果需要针对此被测物体进行再次轴向应变的测量时，只需操作步骤5，并应用由之前第一遍测量中，由步骤4中所获得的一次曲线方程，即可完成针对同一被测物体的再次轴向应变的测量；如果针对不同被测物体，则每次测不同被测物体的轴向应变时，需要完成步骤2至步骤5的操作。

本发明提出的轴向应变测量方法，具有简单、且方便操作的优点。

本发明提出的轴向应变测量方法中，关于寻找最佳监测点所满足的条件，是通过以下方法获得的：

本发明中所述光纤耦合器采用3db光纤耦合器，将由所述宽带光源发出的光，按1:1分成顺时针传输的光束和逆时针传输的光束进行传输，选择宽带光源中心波长为1550nm，3dB带宽为52nm；分辨率为0.1nm的光谱仪；工作波长为1550nm的3db光纤耦合器。

本发明所述双折射光纤环境轴向应变测量装置在应用过程中，输入光谱仪的干涉光谱为:

$T\left(\mathrm{\λ}\right)={\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)\frac{1+\cos \left(\frac{2\mathrm{\πLB}}{\mathrm{\λ}}\right)}{2}={\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)\frac{1+\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}{2}---\left(1\right)$

式中，

B是双折射光纤的双折射率；L是双折射光纤的长度；λ为干涉光谱的波长；θ₁为逆时针传输的光束的初始偏振角；θ₂为顺时针传输的光束的初始偏振角。

双折射光纤受轴向应变后，长度和双折射率均发生变化，导致相角θ改变，由(1)式可得:

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\mathrm{B\ΔL}+\mathrm{L\ΔB})---\left(2\right)$

式中，Δθ为相角变化量；ΔL为轴向长度变化量；ΔB为双折射率变化量。

双折射光纤受到轴向应变时，双折射率的变化ΔB与轴向应变成正比，即：

ΔB＝kε_Z    (3)

式中，k是由光纤材料和光纤几何特性决定的常数，

为双折射光纤轴向微应变(με)。

由(2)、(3)式可得:

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\mathrm{B\ΔL}+{\mathrm{Lk\ϵ}}_z)=\frac{2\mathrm{\πL}}{\mathrm{\λ}}(B\×{10}^{-6}+k){\mathrm{\ϵ}}_z---\left(4\right)$

双折射光纤受轴向应变后相角改变成θ+Δθ，干涉光谱平移，设轴向应变前光谱T(λ)右移Δλ为应变后光谱T(λ-Δλ)，由(1)式可得:

$T(\mathrm{\λ}-\mathrm{\Δ\λ})={\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)\frac{1+\cos \left(\frac{2\mathrm{\πLB}}{\mathrm{\λ}-\mathrm{\Δ\λ}}\right)}{2}---\left(5\right)$

由(4)式可得:

$T(\mathrm{\λ}-\mathrm{\Δ\λ})={\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)\frac{1+\cos [\frac{2\mathrm{\πLB}}{\mathrm{\λ}}+\frac{2\mathrm{\πL}}{\mathrm{\λ}}(B\×{10}^{-6}+k){\mathrm{\ϵ}}_z]}{2}---\left(6\right)$

由(5)、(6)式可得:

$\mathrm{\Δ\λ}=\mathrm{\λ}[1-\frac{1}{1+({10}^{-6}+\frac{k}{B}){\mathrm{\ϵ}}_z}]---\left(7\right)$

由(7)式可得灵敏度:

$S\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{{\mathrm{\ϵ}}_z}=\mathrm{\λ}[1-\frac{1}{1+({10}^{-6}+\frac{k}{B})}---\left(8\right)$

由(8)式可知，当双折射光纤材料选定后，B、k为一确定值，灵敏度随监测点λ的增大而增大；当监测点选定后，λ近似为常数，监测点的灵敏度为常数，波长变化Δλ与应变ε_z与成线性关系。

由图2，0με轴向应变和200με轴向应变情况下的干涉光谱仿真图所示，选取波峰A、B为监测点，从图中可以看出,示例波峰A、B的波长随着应变值增加而增加,即向着长波长方向平移。

示例波峰A、B轴向应变灵敏度随监测点波长变化的关系仿真图如图3所示。从图3中可以看出,应变灵敏度随着监测点波长增加而增加，监测点B的应变灵敏度高于A的应变灵敏度，因此选择B为最佳监测点。

本发明提出的物体轴向应变的测量方法在实际应用过程当中，针对双折射光纤环境轴向应变测量装置，如图1所示，将双折射光纤4的涂层除去，利用光纤切割刀将其两端面切成与其轴向垂直，用同样的方法，将光纤耦合器3的输出臂7和输出臂8切成与其轴向垂直，将双折射光纤4熔接在光纤耦合器3的输出臂7和输出臂8之间，形成双折射光纤环镜。在被测物体上粘贴双折射光纤4作为敏感元件，当沿双折射光纤4施加轴向应变时，双折射光纤的长度和折射率差发生变化，从而导致相位差发生变化，并最终引起双折射光纤环镜波长的变化，根据双折射光纤环镜波长的变化实现应变的测量。宽带光源1发出光源，经光纤耦合器3按1:1分成顺时针传输的光束和逆时针传输的光束，两束反方向传输的光在端口6形成干涉光谱，输入光谱仪2测量。

本发明提出的物体轴向应变的测量方法，通过选择最佳监测点测量轴向应变，不仅保证了应变的顺利测量，而且提高了应变的灵敏度。相对于通过结构创新方法提高应变灵敏度，此方法简单易行。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1. 一种基于双折射光纤环境的轴向应变测量方法，包括如下步骤：

步骤1.采用光纤耦合器、双折射光纤、光源和光谱仪构建双折射光纤环境轴向应变测量装置，其中，双折射光纤的两端分别与光纤耦合器的两个输出臂相连接，光源与光纤耦合器的输入臂相连接，光谱仪的输入端与光纤耦合器的另一个输出臂相连接；

步骤2.将双折射光纤粘贴在被测物体上，通过光谱仪测量其干涉光谱；

步骤3.在被测物体未受任何应变的情况下，即双折射光纤未受任何应变的情况下，在干涉光谱上，寻找波长最长的一个光功率峰值点，作为最佳监测点；

步骤4. 对被测物体增加轴向应变，获取应变值与对应最佳监测点波长的数据，并对该数据线性回归拟合一次曲线方程；

步骤5. 对该被测物体施加轴向应变，通过光谱仪读取最佳监测点的波长大小，并根据步骤4拟合的一次曲线方程，得到该被测物体此时的轴向应变。

2. 根据权利要求1所述一种基于双折射光纤环境的轴向应变测量方法，其特征在于：所述测量方法中，如果需要针对另一被测物体进行轴向应变的测量时，首先判断该另一被测物体与所述被测物体是否属于同一被测物体，如果是，则直接操作步骤5；如果不是，则重复步骤2至步骤5。

3. 根据权利要求1所述一种基于双折射光纤环境的轴向应变测量方法，其特征在于：所述步骤3中，通过光谱仪测量所述干涉光谱，该干涉光谱的纵坐标为光功率，横坐标为波长。

4. 根据权利要求1所述一种基于双折射光纤环境的轴向应变测量方法，其特征在于：所述光纤耦合器为3db光纤耦合器。

5. 根据权利要求1所述一种基于双折射光纤环境的轴向应变测量方法，其特征在于：所述光源为宽带光源。

6. 根据权利要求1所述一种基于双折射光纤环境的轴向应变测量方法，其特征在于：所述步骤4中，对被测物体均匀增加轴向应变，获取应变值与对应最佳监测点波长的数据。

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