CN104180921A - 基于正交双偏振光纤激光器的温度-应力双参量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于正交双偏振光纤激光器的温度-应力双参量测量装置，用于检测应力和温度两种信号，包括输出激光信号中心波长在1550nm波段附近的DBR光纤激光传感器，波分复用器，980nm激光器，窄线宽激光器，3dB耦合器，光电转换器，两个偏振控制器，频谱分析仪，其中，由980nm激光器产生的激光通过波分复用器后进入DBR光纤激光传感器，温度-应力双参量信号作用在DBR光纤激光传感器，由DBR光纤激光传感器进行能量转换产生的带有待测温度-应力双参量调制信息的光信号，返回波分复用器，再经过光隔离器隔离输出。窄线宽激光器输出的能量可调的窄线宽激光信号经过第二偏振控制器能量调整后，与经由第一偏振控制器调整后输出的携带待测温度-应力双参量信号调制信息的两组正交偏振模式光学信号进入3dB耦合器中。本发明可同时检测出温度和应力两个信号。

Description

基于正交双偏振光纤激光器的温度-应力双参量测量装置

所属技术领域

本发明属于光纤传感领域，尤其涉及一种基于正交双偏振光纤激光器可同时检测温度信号和应力信号的传感装置。

背景技术

在光纤传感技术实际应用领域，温度和应力是传感检测中十分重要的两个物理参量。尤其在大型桥梁，隧道，大坝等安全监控及过程控制领域,都必须对温度和应力这两个基本物理参量进行监测。然而,由于光纤本身大都对温度和应力同时敏感,使得人们往往无法对两者的具体作用影响明确地加以分离,在一定程度上严重制约了光纤传感技术在温度-应力双参量区分测量应用领域的发展。

专利CN102607621A公开了一种同时检测温度和应力的分布式光纤布里渊传感装置和方法，采用两根不同类型的传感光纤组成复合传感光纤结合自发布里渊散射对应两种被测量的频移变化而实现双参量测量。专利CN103344277A公开了一种可同时检测双参量的法布里-珀罗传感器及其检测装置，所述法布里-珀罗传感器由三段光纤依次熔接而成,在光子晶体光纤两端与单模光纤熔接处制作成了两个不同长度的法珀腔，两组传感器使法珀传感器具有同时检测双参量的特点。专利CN102261967A公开了一种基于同轴光纤的温度和应力传感器，其中的一号传感单元和二号传感单元内部具有不同波长的谐振光谱对温度和应力两组参量具有不同的灵敏度，从而实现双参量光纤传感。以上提及的光纤传感技术虽然可以实现温度-应变双参量区分测量，但是在制作过程中不可避免的要使用一些复杂的光纤传感头处理技术,例如化学腐蚀，机械打磨，传感头涂覆等工艺。同时在解调过程中往往需要至少一套的设备来实现解调输出，以及涉及对输出的不同类型信号(如波长，拍频等)数据进行分析，极大地降低了解调精度，并且提高了系统的成本和复杂度。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的上述不足，提供一种制备工艺简单，测量稳定性和精度高，结构简易的温度-应力双参量测量装置。本发明选用无需复杂工艺处理发展较为成熟的单根传感光纤在温度和应力双参量同时变化的情况下，根据外界参量变化对光纤结构造成影响，从而导致光学信号在光纤内部的传输特性变化，仅利用一套传感和解调设备对温度参量和应力参量进行区分测量，可以有效地克服上述基于光纤传感原理的温度和应力双参量测量方案的不足，具有制备工艺简单，测量稳定性和精度高，结构简易等特点。本发明的技术方案如下：

一种基于正交双偏振光纤激光器的温度-应力双参量测量装置，用于检测应力和温度两种信号，包括输出激光信号中心波长在1550nm波段附近的DBR光纤激光传感器，波分复用器，980nm激光器，中心波长为1550nm的窄线宽激光器，3dB耦合器，光电转换器，两个偏振控制器，频谱分析仪，其中，

由980nm激光器产生的激光通过波分复用器后进入DBR光纤激光传感器，所述的DBR光纤激光传感器包括一对相同的FBG子光栅以及位于其间的谐振器，温度-应力双参量信号作用在DBR光纤激光传感器，使其内部结构发生不定改变，从而改变其内部双折射特性，由DBR光纤激光传感器进行能量转换产生的带有待测温度-应力双参量调制信息的光信号，返回波分复用器，再经过光隔离器隔离输出。窄线宽激光器输出的能量可调的窄线宽激光信号经过第二偏振控制器能量调整后，与经由第一偏振控制器调整后输出的携带待测温度-应力双参量信号调制信息的两组正交偏振模式光学信号进入3dB耦合器中，此时经由窄线宽激光器输出的中心波长为1550nm的窄线宽激光信号与携带被测信息的两组正交偏振模式光学信号，通过调节偏振片方向进行能量分配且互相拍频，从偏振片输出的光路中包含3组新的能够反映温度-应力信息的光学拍频信号，此信号经过光电转换器被转换成电信号后，在频谱分析仪上输出射频领域易于识别的电信号，从而实现对温度-应力双参量的区分测量。

本发明使用基于正交双偏振外差的DBR光纤激光传感器作为传感单元，无需其他化学工艺或是机械处理。所述传感单元具有单纵模双偏振(双波长)激光输出特性，可以输出稳定频率的拍频信号，并且对温度和应力均具有敏感性，但是对应力的敏感程度远大于对温度的敏感程度。除传感单元外，整个系统还包括信号处理单元和信号解调单元。本发明的有益效果是：

与现有的可同时测量温度-应力双参量的光纤传感器相比，本发明具有如下显而易见的实质性优点：(1)光纤传感器制作工艺成熟简单，灵敏度高而且稳定性好。(2)仅用一根光纤和一套解调设备可以实现双参量的同时区分测量。(3)温度-应力双参量实现同时测量，不需要采用复杂的技术来补偿温度变化对双折射的影响，具备微型化和轻量化等特点。

附图说明

图1.光纤传感器结构示意图。

图2.基于正交双偏振光纤激光器的温度-应力双参量测量方案原理图

图3.温度-应力双参量测量输出频谱图

具体实施方式

下面结合附图实例对本发明做进一步说明。

本发明包括光纤传感单元，信号处理单元和信号解调单元三个部分。所述光纤传感单元为单纵模双偏振DBR光纤激光传感器；所述信号处理单元包含980nm激光器，980/1550 nm波分复用器，光隔离器，偏振控制器，窄线宽激光器，3dB耦合器，偏振片以及光电转换器；所述信号解调单元为频谱分析仪。其中的传感单元为DBR(分布布拉格反射式)光纤激光器，内部由一对FBG光栅和一段谐振腔构成，见图1。由于这一对FBG子光栅具有相同的温度敏感性和不同的应力敏感性，因此在单独的温度变化测量中两组光栅受到外界温度变化作用下具有相同的温度敏感性，两组谐振峰各自变化，波长偏移方向相同且幅度相等，但是两组谐振峰的间距变化并不明显。当外界应力变化作用于光纤传感器，由于应力作用角度和作用于谐振腔不同位置的特性，使光纤结构不再对称，因而光纤激光器的两个正交方向受到不相等的压力，对两组谐振峰造成易于区分的影响。所述装置由光纤传感单元，信号处理单元和信号解调单元依次连接。当温度和应力双参量同时作用时，温度对两个子光栅影响程度接近，而应力对光纤结构造成不对称的影响，因而导致在应力作用下两组谐振峰的波长偏移幅度和方向不一致，从而实现对温度-应力双参量的区分测量。

参见图2，本发明的工作原理大致如下：980nm激光器作为泵浦光源，由波分复用器的980nm端口进入波分复用器，再由波分复用器的公共端口进入DBR光纤激光传感器。在温度-应力双参量同时作用下，引起DBR光纤激光传感器内部一对光纤光栅结构的改变，进而改变其内部传输光光学性质(偏振态)的变化，DBR光纤激光器发出具有两组正交偏振态并且带有外界双参量信号的光信号，这两组光信号从DBR光纤激光器的输入端口通过波分复用器的公共端口进入波分复用器，经过波分复用器输出的光信号通过光隔离器，实现激光信号单向传输。窄线宽激光器输出的激光信号，与DBR光纤激光传感器受到双参量作用后输出的两组正交偏振信号分别通过偏振控制器1(第一偏振单元)和偏振控制器2(第二偏振单元)进行能量调整，避免能量相差过大。三组光信号通过3dB耦合器后进入同一光路中，通过调节偏振片将两组正交偏振信号调节到同一方向，避免能量相差过大。当外界温度和应力同时变化时，具有双参量待测信息的两组正交偏振信号和窄线宽激光器引入的光频信号，三组信号之间两两拍频产生三组新的可以反映温度-应力信息的比较明显光学信号，通过光电转换器件完成光信号到电信号的转换后，在频谱分析仪上输出射频领域易于识别的电信号。

光谱分析仪显示方面，反射光谱会在温度-应力(温度T1，应力P1)的同时作用下进行展宽分裂出两组谐振峰，并且包含两组正交偏振模式的波长变化(偏移)信息，并在频谱分析仪进行相应地显示。由于所选用的DBR光纤激光传感器具有两组偏振模式，X模式和Y模式。温度T1对两组模式造成相同的波长偏移，应力P1作用不同方向和位置造成的区别引起原本对称的光纤结构内部应力分布不对称，转换为对光纤激光器两组正交方向不等的压力，因而应力P1对两组模式造成不同的波长偏移，使得光纤激光器的折射率发生改变从而导致两组偏振模式可以用于实现温度-应力区分测量。其中一组偏振模式(X模式)对温度具有相同敏感特性而对应已知作用角度θ，具有不同于另一组偏振模式(Y模式)的应力敏感特性，可以通过光电探测器件转换出的拍频信号来还原两组偏振模式的双波长偏移特性，进而进行参量的检测。当温度-应力同时作用后，光纤光栅的反射光谱在发生偏移的同时整体形状也会发生相应的变化，通过检测其中两组频率变化来实现对温度和应力变化信息的同步测量，参见式(1)。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{f}_x=\mathrm{\Δ}{f}_T+\mathrm{\Δ}{f}_P\·\mathrm{co}{s}^2\mathrm{\θ}\\ \mathrm{\Δ}{f}_y=\mathrm{\Δ}{f}_T+\mathrm{\Δ}{f}_P\·\mathrm{si}{n}^2\mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

Claims (1)

1.一种基于正交双偏振光纤激光器的温度-应力双参量测量装置，用于检测应力和温度两种信号，包括输出激光信号中心波长在1550nm波段附近的DBR光纤激光传感器，波分复用器，980nm激光器，中心波长为1550nm的窄线宽激光器，3dB耦合器，两个偏振控制器，光电转换器，频谱分析仪，其中，

由980nm激光器产生的激光通过波分复用器后进入DBR光纤激光传感器，所述的DBR光纤激光传感器包括一对相同的FBG子光栅以及位于其间的谐振器，温度-应力双参量信号作用在DBR光纤激光传感器，使其内部结构发生不定改变，从而改变其内部双折射特性，由DBR光纤激光传感器进行能量转换产生的带有待测温度-应力双参量调制信息的光信号，返回波分复用器，再经过光隔离器隔离输出。窄线宽激光器输出的能量可调的窄线宽激光信号经过第二偏振控制器能量调整后，与经由第一偏振控制器调整后输出的携带待测温度-应力双参量信号调制信息的两组正交偏振模式光学信号进入3dB耦合器中，此时经由窄线宽激光器输出的中心波长为1550nm的窄线宽激光信号与携带被测信息的两组正交偏振模式光学信号，通过调节偏振片方向进行能量分配且互相拍频，从偏振片输出的光路中包含3组新的能够反映温度-应力信息的光学拍频信号，此信号经过光电转换器被转换成电信号后，在频谱分析仪上输出射频领域易于识别的电信号，从而实现对温度-应力双参量的区分测量。