CN103148795A - 光纤应变与光缆变形监测装置及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了光纤应变与光缆变形监测装置及监测方法，其装置包括：偏振光源，所述偏振光源用于产生监测用偏振光，并传至待测光缆中的光纤中；偏振态监测装置，所述偏振态监测装置与待测光缆中光纤的输出端相接，对光缆中光纤的输出光的偏振态进行监测，并以此来监测光缆机械性能测试中光纤承受应力的变化，进而测试光缆形变对光纤保护的机械性能参数。监测时通过在光缆受机械性能试验时监测光缆中的光纤中偏振光的偏振态变化，并以此来检验光缆对光纤的保护能力。本发明能够提高光缆保护光纤能力的临界点的测试敏感度和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及光缆机械性能测试技术，具体涉及光纤应变与光缆变形监测的技术。
背景技术
作为光纤通信系统信息传输通道的保护层，光缆的机械物理性能是其设计、生产与采购的重要技术指标，然而长期以来光缆的机械物理性能并不像其光学性能一样是一个定量的技术参数，国际上对光缆的机械性能都采用通过性试验的方法进行检验。对光缆的抗压能力，仅只需要对光缆施加一个给定的压力，试验后不会给光缆造成残余附加衰减，且光缆护套未受损伤就算合格；对光缆抗冲击性能也采用了同样的思路：以一定形状的冲头，用给定的冲击能量对光缆的给定位置进行给定次数的冲击，试验后不会给光缆造成残余附加衰减，且光缆护套未受损伤就算合格。这样无论光缆的相关性能有多好，只要能够通过此性能试验，均为合格，而无法比较出不同光缆的性能优劣，也并不知道具体哪个厂家、哪种类型的光缆其机械性能的余量有多少，这给光缆结构的定量设计与研发造成了较大的限制，也为产品成本的控制带来了盲区，给光缆的选型、施工和使用也造成了不便。
为构建节约型社会，降低产品生产成本，产品的技术性能应以刚好满足应用需求并保有合理的余量为优，然而光缆机械性能的通过性试验使得目前的检测手段难以完成对光缆具体性能参数的定量测试，也就无从谈起对光缆性能与成本的精确控制，同时也无法完成对不同类型、不同厂家的产品进行定量比较与分析，其具体参数是多少，设计余量有多少均不清楚。而要定量检测光缆对光纤的机械保护性能，最重要的标志就是实现光纤因光缆受外力影响变形而刚好受到影响的敏感响应点。目前无论是国际还是国内对光缆拉伸性能以外的机械性能检测一般采用的都是以光纤衰减变化达到0.1dB为光纤受到光缆形变影响为检测依据，且要求外力撤销后，光纤衰减恢复正常。
然而光纤在100mm甚至更短长度上产生0.1dB的衰减增加要求施加给光纤的压力很大，此时光缆型变对光纤的影响已经十分严重，而且目前的测试方法是以光开关切换来监测光缆中的12根光纤，考虑到光缆中的光纤时常远多于12芯，且光开关切换使得监测系统无法对所有光纤进行同时监测，所以经常会有光纤已经受到很大的影响而光开关还没切换到受影响的光纤，所以发现光纤受到影响后而撤除光缆所受实验外力后，光纤的衰减往往已经无法恢复原参数，致使光缆的机械性能成为难以实现定量检测的性能参数。这对降低光缆成本，比较光缆性能造成了极大的制约与限制。
发明内容
本发明针对现有技术中采用通过性试验来监测光缆机械性能所存在的问题，而提供一种光纤应变与光缆变形监测装置，并基于该装置，本发明还提供了一种光纤应变与光缆变形监测方法。本发明利用光纤对压力影响极为敏感的偏振特性，在测光缆受机械性能试验时利用光纤中偏振光的偏振态变化来检验光缆对光纤的保护能力，理论与实验都表明光纤在很短的长度上受极小的外力就会使得光纤中传输偏振光的偏振态发生显著变化，从而能够提高光缆保护光纤能力的临界点的测试敏感度和准确性，从而为定量测试光缆的机械性能参数奠定了基础。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
光纤应变与光缆变形监测装置，该装置包括：
偏振光源，所述偏振光源用于产生监测用偏振光，并传至待测光缆中部分或所有光纤中；
偏振态监测装置，所述偏振态监测装置与待测光缆中部分或所有光纤的输出端相接，对光缆中部分或所有光纤的输出光的偏振态进行监测，并以此来监测光缆机械性能测试中光纤承受应力的变化，进而测试光缆形变对光纤保护的机械性能参数。
在监测装置的优选方案中，所述偏振光源由光源和起偏器配合而成。
进一步的，所述偏振态监测装置为偏振分析仪或偏振计。
进一步的，所述偏振态监测装置由验偏器与光功率探测装置连接组成。
进一步的，所述偏振态监测装置包括监测分光器、验偏器、第一光功率探测装置以及第二光功率探测装置，所述监测分光器的输入端连接待测光缆中部分或所有光纤的输出端，其输出端分别连接验偏器和第二光功率探测装置的输入端，所述验偏器的输出端连接第一光功率探测装置的输入端。
进一步的，所述监测装置还包括输入分光器，所述偏振态监测装置包括若干组光功率探测组，每组光功率探测组由验偏器和光功率探测装置连接组成，所述输入分光器的输入端连接偏振光源，其输出端分别连接待测光缆中部分或所有光纤的各输入端，偏振态监测装置中的每组光功率探测组分别连接待测光缆中各光纤的输出端。
在上述具有光功率探测装置的优选方案中，本发明还在监测装置中设置偏振控制器，所述偏振控制器设置在偏振光源与待测光缆之间或者设置在待测光缆与验偏器之间。
作为本发明的第二目的，基于上述监测装置实施的光纤应变与光缆变形监测方法，该方法通过在光缆受机械性能试验时监测光缆中的光纤中偏振光的偏振态变化，并以此来检验光缆对光纤的保护能力。
在监测方法的优选方案中，所述监测方法通过如下具体步骤实现：
（1）形成偏振光；
（2）将所形成的偏振光注入到待测光缆中部分或所有光纤中；
（3）对注入偏振光的待测光缆进行机械性能试验；
（4）在对待测光缆进行机械性能试验时，由偏振态监测装置实时监测待测光缆中部分或所有光纤的输出光的偏振态；
（5）若输出光偏振态有明显变化则说明待测光缆的形变已经影响到了其内的光纤，此时由机械性能试验施加给待测光缆的机械性能参数就是该待测光缆对光纤保护能力的临界值。
进一步的，所述步骤（3）和步骤（4）在实施时保持待测光缆的位置和实验温度不变。
进一步的，所述待测光缆中所有的光纤依次串联相接或者并联相接或者相互独立。
本发明在光缆机械性能试验中将光纤衰减的变化量监测改为更为敏感的传输偏振光的偏振态的变化监测，并对光缆中的部分或所有光纤进行监测，这可以提高光缆保护光纤能力的临界点的测试敏感度和准确性，从而为定量测试光缆的机械性能参数奠定了基础。而定量测试光缆的机械性能参数可以更为精确地设计和控制光缆成本，也为定量比较光缆的技术性能提供了可靠的技术手段。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为本发明中光纤应变与光缆变形监测装置的原理框图；
图2为本发明中光纤应变与光缆变形监测的流程原理图；
图3为偏振分析型光纤受力监测装置的原理框图；
图4为验偏型光纤受力监测装置的原理框图；
图5为双参数验偏型光纤受力监测装置的原理框图；
图6为带偏振控制的验偏型光纤受力监测装置的原理图；
图7为光纤串接法光缆变形监测装置的原理图；
图8为光纤并接法光缆变形监测装置的原理图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
由于光纤在很短的长度上受极小的外力就会使得光纤中传输偏振光的偏振态发生显著变化。即本发明利用光纤对压力影响极为敏感的偏振特性，通过在光缆受机械性能试验时对光纤中偏振光的偏振态进行实时的检测来检验光缆对光纤的保护能力。
基于上述原理，本发明提供一种光纤应变与光缆变形监测装置100，该装置能够用于对光纤应变和光缆变形进行精确的监测。其具体结构如图1所示，主要包括偏振光源101和偏振态监测装置102两部分。
偏振光源101，其用于产生监测用偏振光，并传至待监测光纤103或者待测光缆104（如图5或图6）中部分或所有光纤中。
该偏振光源101一般由光源101a和起偏器101b连接组合而成，光源101a用于产生自然光，而起偏器101b用于从光源101a产生的自然光中获得偏振光。
本发明中偏振光源101所产生的偏振光的偏振率达到90%以上。
偏振态监测装置102，其与待监测光纤103或者待测光缆104（如图5或图6）中部分或所有光纤的输出端相接，对部分或所有光纤的输出光的偏振态进行监测，并以此来监测光缆机械性能测试中光纤承受应力的变化，进而测试光缆形变对光纤保护的机械性能参数。
基于上述装置，本发明进行光纤应变与光缆变形监测以光纤传输偏振光的偏振态监测为基础，其具体过程如下（参见图2）：
（1）光源发出的自然光经起偏器后变成偏振光；
（2）将所形成的偏振光注入到待监测光纤或光缆中部分或所有光纤中；
（3）对注入偏振光的待监测光纤或光缆进行机械性能试验；
该步骤中按照国际标准、国家标准或者行业标准中各项规范进行机械性能试验。
（4）在对待测光缆进行机械性能试验时，由偏振态监测装置实时监测待测光缆中部分或所有光纤的输出光的偏振态变化。
该步骤中通过监测偏振分析仪或偏振计上显示当前光偏振态参数以及变化情况来实现监测偏振态的变化。具体可操作时也可采用在功率计前加一个验偏器，监测经过验偏器后的光功率变化的方法来实现。
（5）在光纤或光缆的摆放位置以及实验温度没有变化的情况下，若输出光偏振态有明显变化则说明待监测光纤受力或者待测光缆的形变已经影响到了其内的光纤，以此为依据即可十分敏感地反应出光缆已经达到了对光纤保护的临界点，而此时由机械性能试验施加给待测光缆的机械性能参数就是该待测光缆对光纤保护能力的临界值。
该步骤中在确定输出光偏振态明显变化的过程原理如下：比如光缆的压扁、冲击、扭转试验中，逐渐给光缆加压力、加冲击能力、加扭转角度，直到输出光偏振态出现明显变化。
对于光纤保护能力的临界值的过程原理如下：比如偏振态邦加球上的偏振态变化角超过1°，或验偏功率监测的变化大于0.1dB时，此时施加给光缆的压力、冲击能量或扭转角度就是光缆对光纤保护能力的临界值。
基于上述方案，本发明的具体实例如下：
实施例1：
如图3所示，该实例中提供一种偏振分析型光纤受力监测装置，用于对光纤的受力进行监测。如图可知，该装置包括由光源101a和起偏器101b连接组成的偏振光源101、偏振分析仪或偏振计102a。
其中偏振光源101的功能结构如上所述，此处不加以赘述，其输出端与待监测光纤103的输入端相接。
偏振分析仪或偏振计102a作为偏振态监测装置用于对待监测光纤103输出端的输出光偏振态进行监测和分析。其输入端与待监测光纤103的输出端相接。
该装置在对光纤103进行监测时，光源101a发出的自然光经起偏器101b后变成偏振光，该偏振光注入待监测光纤103中。
待监测光纤103输出端的输出光传至偏振分析仪或偏振计102a，偏振分析仪或偏振计102a监测其偏振态的变化，在测试过程中若光纤放置位置没有发生变化，但输出光偏振态出现了显著变化，则说明待测光纤受到了外部应力影响，或光缆因变形而挤压到了光纤。
在本实例中，利用偏振分析仪或偏振计进行监测时，首先将偏振分析仪或偏振计的偏振态设置成邦加球显示模式，若监测时，偏振态在邦加球上的变化角超过1°即为有明显变化。当然根据实际需求也可以设置成其它的偏振态显示方式。
实施例2：
参见图4，该实例提供一种验偏型光纤受力监测装置，该装置用于对光纤的受力进行监测。如图可知，其与实例1提供的装置的不同之处在于，偏振态监测装置102b由验偏器102b1和光功率计或光功率探测器102b2连接构成。其中验偏器102b1的输入端与待监测光纤103的输出端相接，用于将待监测光纤103的输出光的偏振态变化转换为输出光的功率变化，并将其传至光功率计或光功率探测器102b2；光功率计或光功率探测器102b2进行实时监测，通过监测光功率的变化来实现对偏振态变化的监测，继而可以实现监测光纤受力情况（具体原理如上所述，此处不加以赘述）。
实施例3：
参见图5，该实例提供一种双参数验偏型光纤受力监测装置。该装置能够在没有偏振分析仪或偏振计情况下，方便的比较传统的光功率变化监测与光偏振态变化监测的敏感度差异。如图可知，该装置包括由光源101a和起偏器101b连接组成的偏振光源101、由监测分光器102c1、第一光功率计或光功率探测器102c2、第二光功率计或光功率探测器102c3以及验偏器102c4组成的偏振态监测装置102c。
对于偏振光源101此处不加以赘述，与上述相同。
偏振态监测装置102c中监测分光器102c1的输入端与待监测光纤103的输出端相接，其输出端分别于验偏器102c4的输入端以及第二光功率计或光功率探测器102c3的输入端相接，而验偏器102c4的输出端与第一光功率计或光功率探测器102c2输入端相接。
该装置在工作时，光源101a发出的光经起偏器101b变成偏振光注入待测光纤103后，待测光纤103的输入端先将输出光注入监测分光器102c1，由它分出两束光，分别直接送入第二光功率计或光功率探测器102c3和经由验偏器102c4后再送入第一光功率计或光功率探测器102c2。
本实例中提供的双参数验偏型光纤受力监测装置通过一个传统监测通道不进行偏振检测，仅测试传输功率变化，再通过另一个监测通道用验偏器对偏振态变化进行监测，最后通过比较两个功率计的变化率得出相应的差异。
实施例4：
参见图6，该实例在实例2和3的基础上提供一种带偏振控制的验偏型光纤受力监测装置。由于在验偏型监测方式下，部分偏振态类型的变化因验偏器偏振角的设置等问题而难以转换为明显的光功率变化，比如由圆偏振到与验偏器相同偏振方向的线偏振间的变化，就算在邦加球上偏振态逐渐变化了360°，即转了一整圈，功率计上的功率显示也不会有变化。为此，本监测装置中设置偏振控制器105，该偏振控制器105设置在偏振光源101和待监测光纤103之间。
在具体工作时，偏振光源101中的光源101a发出的光经起偏器101b变成偏振光后先进入偏振控制器105进行偏振态的调节，然后再注入待监测光纤103中，其输出光通过验偏器102b1后再交给光功率计或光功率探测器102b2进行监测。
在上述方案的基础上，待监测光纤103的输出光也可以如实施例3一样，先进行分光，然后再分别进行光功率监测和偏振态变化监测，具体如实例3所示，此处不加以赘述。
对于偏振控制器105的安置位置，其也可以放在待测光纤103与验偏器102b1之间。
实施例5：
参见图7，该实例提供一种光纤串接法光缆变形监测装置。该监测装置能够对多芯光缆104的变形进行实时的监测。该装置的组成结构与实例1提供的监测装置相同，此处不加以赘述；不同之处在于，待监测的多芯光缆104中的部分或所有光纤104a全都首尾串接起来。
在具体监测多芯光缆104时，偏振光源101中的光源101a发出的光经起偏器101b变成偏振光后注入待测光缆104中的一根光纤104a，并将待测光缆104中的部分或所有光纤104a全都首尾串接起来，最后一根光纤的输出端输出的输出光再送给偏振分析仪或偏振计102a进行偏振态变化的监测，从而监测光缆变形对光纤的保护能力，具体的监测过程如上所述，此处不加以赘述。
本实例中提供的装置将光纤采用串接的方式进行监测，只需一个偏振分析仪即可，这大大减少偏振分析仪的使用数量，极大的降低成本。
对于多芯光缆中的光纤采用串接的方式进行监测时，该光缆变形监测装置也可采用如实施例2～4所述的装置和方式进行光缆变形监测，具体如上所述，此处不加以赘述。
实施例6：
参见图8，该实例提供一种光纤并接法光缆变形监测装置。该装置同样能够对多芯光缆104的变形进行实时的监测，并且能够实现对多芯光缆104中所有并接的光纤104同时相接和监测。
如图所示，该装置包括由光源101a和起偏器101b连接组成的偏振光源101、输入分光器106、若干组光功率探测组107。
其中，偏振光源101的具体结构和功能与上述相同，此处不加以赘述。
输入分光器106连接偏振光源101用于将偏振光源101产生的偏振光分成若干个光路，具体与待测光缆104中需要监测的光纤104a的根数对应，其输出端分别与待测光缆104中的部分或所有光纤104a一一相接。
光功率探测组107用于对待测光缆104中各监测光纤104a的输出光的偏振态进行监测。其一般由验偏器107a和光功率计或光功率探测器107b连接构成。在具体连接时，每光功率探测组107的输入端连接待测光缆104中一根光纤104a的输出端。
该装置在进行监测时，偏振光源101中的光源101a发出的光经起偏器101b变成偏振光后，先由输入分光器106分成多个光路，每个光路的光注入待测光缆104中的一根光纤104a中，每根光纤104a的输出光分别输入到对应的光功率探测组107，并由每组光功率探测组107中的验偏器107a将对应光纤104a的输出光的偏振态变化转换为输出光的功率变化，再将其传至该光功率探测组107中光功率计或光功率探测器107b进行光缆变形的保护能力监测。
基于上述装置监测多芯光缆的原理和特点可知，光缆中的光纤采用并接法的方式进行监测时，同样也可以采用如实施例1或实施例3、4所述的装置和方式进行光缆变形监测，只要其中增加相应的输入分光器即可，具体测试过程如上所述，此处不加以赘述。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.光纤应变与光缆变形监测装置，其特征在于，所述装置包括：
偏振光源，所述偏振光源用于产生监测用偏振光，并传至待测光缆中的部分或所有光纤中；
偏振态监测装置，所述偏振态监测装置与待测光缆中的部分或所有光纤的输出端相接，对光缆中部分或所有光纤的输出光的偏振态进行监测，并以此来监测光缆机械性能测试中光纤承受应力的变化，进而测试光缆形变对光纤保护的机械性能参数。
2.根据权利要求1所述的光纤应变与光缆变形监测装置，其特征在于，所述偏振光源由光源和起偏器配合而成。
3.根据权利要求1所述的光纤应变与光缆变形监测装置，其特征在于，所述偏振态监测装置为偏振分析仪或偏振计。
4.根据权利要求1所述的光纤应变与光缆变形监测装置，其特征在于，所述偏振态监测装置由验偏器与光功率探测装置连接组成。
5.根据权利要求1所述的光纤应变与光缆变形监测装置，其特征在于，所述偏振态监测装置包括监测分光器、验偏器、第一光功率探测装置以及第二光功率探测装置，所述监测分光器的输入端连接待测光缆中部分或所有光纤的输出端，其输出端分别连接验偏器和第二光功率探测装置的输入端，所述验偏器的输出端连接第一光功率探测装置的输入端。
6.根据权利要求1所述的光纤应变与光缆变形监测装置，其特征在于，所述监测装置还包括输入分光器，所述偏振态监测装置包括若干组光功率探测组，每组光功率探测组由验偏器和光功率探测装置连接组成，所述输入分光器的输入端连接偏振光源，其输出端分别连接待测光缆中部分或所有光纤的各光纤的输入端，偏振态监测装置中的每组光功率探测组分别连接待测光缆中各光纤的输出端。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的光纤应变与光缆变形监测装置，其特征在于，所述监测装置中设置偏振控制器，所述偏振控制器设置在偏振光源与待测光缆之间或者设置在待测光缆与验偏器之间。
8.光纤应变与光缆变形监测方法，其特征在于，所述方法通过在光缆受机械性能试验时监测光缆中的光纤中偏振光的偏振态变化，并以此来检验光缆对光纤的保护能力。
9.根据权利要求8所述的光纤应变与光缆变形监测方法，其特征在于，所述监测方法通过如下具体步骤实现：
（1）形成偏振光；
（2）将所形成的偏振光注入到待测光缆中的部分或所有光纤中；
（3）对注入偏振光的待测光缆进行机械性能试验；
（4）在对待测光缆进行机械性能试验时，由偏振态监测装置实时监测待测光缆中部分或所有光纤的输出光的偏振态变化；
（5）若输出光偏振态有明显变化则说明待测光缆的形变已经影响到了其内的光纤，此时由机械性能试验施加给待测光缆的机械性能参数就是该待测光缆对光纤保护能力的临界值。
10.根据权利要求9所述的光纤应变与光缆变形监测方法，其特征在于，所述步骤（3）和步骤（4）在实施时保持待测光缆的位置和实验温度不变。
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