CN103322934A - 一种基于双折射光纤环镜的轴向应变测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双折射光纤环镜的轴向应变测量系统，包括光纤耦合器、双折射光纤、光源和光谱仪，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光源输入端口相连接，光谱仪的输入端与光纤耦合器的干涉光谱输出端口相连接；所述双折射光纤是双折射率为7.7024×10^-6～2×10^-4的双折射光纤；本发明设计的基于双折射光纤环镜的轴向应变测量系统，应用双折射率为7.7024×10^-6～2×10^-4的双折射光纤，在控制成本且不增加系统复杂性的同时，能够有效提高双折射光纤环镜的应变灵敏度，具有很大的应用价值。

Description

一种基于双折射光纤环镜的轴向应变测量系统

技术领域

本发明涉及一种基于双折射光纤环镜的轴向应变测量系统。

背景技术

双折射光纤环镜以其制作简单、灵敏度高、成本低、偏振无关等优势，在应变、温度、位移、弯曲等传感测量领域得到广泛的应用。灵敏度是传感器的重要指标之一，一直受到学者的关注，其中，部分学者提出通过尽可能采用较高双折射率的双折射光纤的方式来提高系统的应变灵敏度，也有部分学者提出通过结构创新来提高双折射光纤环镜的应变灵敏度，但结构创新方法，在改善双折射光纤环镜应变灵敏度的同时，也增加了系统的成本和系统的复杂性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够在不增加系统复杂性的前提下,有效提高双折射光纤环镜应变灵敏度的基于双折射光纤环镜的轴向应变测量系统。

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镜的轴向应变测量系统，包括光纤耦合器、双折射光纤、光源和光谱仪，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光源输入端口相连接，光谱仪的输入端与光纤耦合器的干涉光谱输出端口相连接；所述双折射光纤是双折射率为7.7024×10^-6～2×10^-4的双折射光纤。

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。

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

（1）本发明设计的基于双折射光纤环镜的轴向应变测量系统，采用双折射率在7.7024×10^-6～2×10^-4范围内的双折射光纤，使得整个轴向应变测量系统在控制成本且不增加系统复杂性的同时，能够有效提高双折射光纤环镜的应变灵敏度；

（2）本发明设计的基于双折射光纤环镜的轴向应变测量系统中，针对双折射光纤的选取，改变了本领域技术人员一贯通过较高双折射率的双折射光纤来提高系统的应变灵敏度的方式，采用了相对较低双折射率的双折射光纤构成轴向应变测量系统，有效提高了双折射光纤环镜的应变灵敏度，具有显著的进步性。

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是监测点波长变化与应变的关系仿真图；

图3是0με轴向应变和200με轴向应变情况下的干涉光谱仿真图；

图4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；

图5是双折射率取值范围为7.7024×10^-6～10.2×10^-4的双折射光纤的轴向应变灵敏度随双折射率变化的仿真图。

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镜的轴向应变测量系统，包括光纤耦合器、双折射光纤、光源和光谱仪，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光源输入端口相连接，光谱仪的输入端与光纤耦合器的干涉光谱输出端口相连接；所述双折射光纤是双折射率为7.7024×10^-6～2×10^-4的双折射光纤。

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。

本发明设计的基于双折射光纤环镜的轴向应变测量系统，采用双折射率在7.7024×10^-6～2×10^-4范围内的双折射光纤，使得整个轴向应变测量系统在控制成本且不增加系统复杂性的同时，能够有效提高双折射光纤环镜的应变灵敏度。

基于以上设计的轴向应变测量系统，采用如下步骤进行轴向应变的测量。

步骤1.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2.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3.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4.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3拟合的一次曲线方程，得到该被测物体此时的轴向应变。

此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。

所述测量过程中，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4；如果不是，则重复步骤1至步骤4。

所述步骤2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。

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镜的轴向应变测量系统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4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4，并应用由之前第一遍测量中，由步骤3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1至步骤4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的双折射光纤；工作波长为1550nm的3dB光纤耦合器。

本发明所述双折射光纤环镜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，

为初始相角。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:

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

当双折射光纤受到轴向应变后，由轴向应变引起的相角变化量为Δθ，初始相角由原来的θ改变成θ+Δθ，根据(1)式和(4)式可得:

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

由于(5)式、(6)式，可得:

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

基于(7)式，假设双折射光纤双折射率B=5.536×10^-4,双折射应变系数k=7.3*10^-9/με,在双折射光纤未受应变时，选择波长为1550nm的监测点，基于(7)式，通过matlab软件编制M文件，可以绘制出图2，从图2可以看出波长变化与轴向应变成正比。我们定义光纤环镜轴向应变灵敏度为：

$S\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{{\mathrm{\ϵ}}_z}---\left(8\right)$

因此光纤环镜轴向应变灵敏度等于图2中直线的斜率，我们可以选取图中任何一点的斜率来计算光纤环镜轴向应变灵敏度，当ε_z=1με时，根据(7)式和(8)式可得光纤环镜轴向应变灵敏度：

$S\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{{\mathrm{\ϵ}}_z}=\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{1\mathrm{\μ\ϵ}}=\mathrm{\λ}[1-\frac{1}{1+(1+\frac{k}{B})\×{10}^{-6}}]---\left(9\right)$

（9）式是在ε_z=1με时推导出的光纤环镜轴向应变灵敏度，但由于波长变化与光纤环镜轴向应变成正比，因此(9)式适宜任何轴向应变时的光纤环镜轴向应变灵敏度。

由(9)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。

假设双折射光纤长度为20cm，双折射率B=5.536*10^-4，双折射应变系数k=7.3×10^-9/με，初始偏振角基于(6)式，0με和200με的干涉光谱如图3所示，图3中，横坐标波长范围为1460nm～1640nm，间隔0.01nm，纵坐标为干涉光谱幅值，无量纲。选取波峰A、B为监测点，从图3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4所示。从图4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，因此选择长波长监测点B为最佳监测点。

本发明中，针对双折射光纤，采用如下过程进行选择：

由(9)式可知，双折射率B越小，光纤环镜轴向应变灵敏度越大。

从图3中可以看出，监测点的波长随着应变增加而增加，即向着长波长方向平移。根据波长变化量与应变的关系，可以求出双折射光纤环镜轴向应变灵敏度。

根据实际生产的双折射光纤设置双折射光纤的双折射率的取值范围为7.7024×10^-6～10.2×10^-4，假设双折射应变系数k=7.3×10^-9/με，在双折射光纤未受应变时，选择长波长监测点B为最佳监测点，B点未受应变时的波长为1627nm，基于(9)式，绘制出轴向应变灵敏度随双折射率变化的仿真图，如图5所示，从图5中可以看出，在双折射率为7.7024×10^-6～2×10^-4范围的轴向应变灵敏度较大，2×10^-4～10.2×10^-4范围的轴向应变灵敏度较小，因此，选择双折射率为7.7024×10^-6～2×10^-4的双折射光纤。

本发明采用双折射率为7.7024×10^-6～2×10^-4的双折射光纤设计轴向应变测量系统，不仅保证了轴向应变的顺利测量，而且提高了应变灵敏度。相对于传统轴向应变测量系统，具有更大的应用价值。

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，针对双折射光纤环镜轴向应变测量装置，如图1所示，将双折射光纤的涂层除去，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，将光纤耦合器的输出臂和输出臂切成与其轴向垂直，将双折射光纤熔接在光纤耦合器的输出臂和输出臂之间，形成双折射光纤环镜。在被测物体上粘贴双折射光纤作为敏感元件，当沿双折射光纤施加轴向应变时，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。采用宽带光源发出光源，经光纤耦合器按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干涉光谱输出端口形成干涉光谱，输入光谱仪测量,实际应用中，光纤耦合器选择单模光纤耦合器。

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 (3)

1.一种基于双折射光纤环镜的轴向应变测量系统，包括光纤耦合器、双折射光纤、光源和光谱仪，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光源输入端口相连接，光谱仪的输入端与光纤耦合器的干涉光谱输出端口相连接；其特征在于：所述双折射光纤是双折射率为7.7024×10^-6～2×10^-4的双折射光纤。

2.根据权利要求1所述一种基于双折射光纤环镜的轴向应变测量系统，其特征在于：所述光纤耦合器为3dB光纤耦合器。

3.根据权利要求1所述一种基于双折射光纤环镜的轴向应变测量系统，其特征在于：所述光源为宽带光源。

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