CN104482959A - 一种光纤应变-应力同时测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤应变-应力同时测量装置。包括宽带光源、第一光纤耦合器、应变测量传感模块、第二光纤耦合器、偏振控制器、应力测量传感模块、光谱分析仪和信号处理器；宽带光源连接第一光纤耦合器的第一输入端；第一光纤耦合器的第一输出端通过应变测量传感模块连接第二光纤耦合器的第一输入端，第一光纤耦合器的第二输出端连接第二光纤耦合器的第二输入端；第二光纤耦合器的第一输出端依次通过偏振控制器和应力测量传感模块连接第二光纤耦合器的第二输出端；第一光纤耦合器的第二输入端依次连接光谱分析仪和信号处理器。该装置能实现应变和应力变化的同时测量，且灵敏度高。
Description
技术领域
本发明属于光纤应变-应力测量技术领域，更具体地，涉及一种光纤应变-应力同时测量装置。
背景技术
准确的光纤应变-应力测量在光纤通信和光纤传感系统中是十分重要的。最常用的光纤应变或者应力测量手段是使用光纤布拉格光栅(FiberBragg Grating,FBG)，其工作原理是光栅上轴向施加的应变或者侧向施加的应力会导致光栅内部栅区的周期和折射率发生相应变化，进而使得光栅的耦合波长发生一定的漂移，解调光栅耦合波长的漂移量即可得到相应的应变或者应力变化量信息。光纤光栅应变传感器稳定可靠，使用方便，但由于结构因素，其灵敏度大大受限，难以满足高精度测量的需求。
为了满足例如结构健康监测、产品质量监督、地震灾害预警等诸多应用领域对高精度测量的需求，国内外研究人员对光纤应变-应力测量进行了大量的研究。在光纤应变测量方面，提出了基于光纤空气泡F-P结构的光纤应变传感器，实现了4pm/με较低温度效应的应变测量；制作了基于光子晶体光纤的在线马赫泽德干涉仪结构，应变测量灵敏度可达2.1pm/με。在光纤应力测量方面，利用双孔微结构光纤制作成光栅，其侧向应力测量的灵敏度较普通单模光纤高8个数量级；提出了基于光栅结构进行特殊双膜片式封装实现水下应力测量，灵敏度可达7nm/MPa。然而，这些应变或者应力测量结构无法同时测量应变和应力，且灵敏度均有待进一步提高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光纤应变-应力同时测量装置，能实现应变和应力变化的同时测量，且灵敏度高。
为实现上述目的，本发明提供了一种光纤应变-应力同时测量装置，其特征在于，包括宽带光源、第一光纤耦合器、应变测量传感模块、第二光纤耦合器、偏振控制器、应力测量传感模块、光谱分析仪和信号处理器；其中，所述第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器均为2×2光纤耦合器；所述宽带光源连接所述第一光纤耦合器的第一输入端；所述第一光纤耦合器的第一输出端通过所述应变测量传感模块连接所述第二光纤耦合器的第一输入端，所述第一光纤耦合器的第二输出端连接所述第二光纤耦合器的第二输入端；所述第二光纤耦合器的第一输出端依次通过所述偏振控制器和所述应力测量传感模块连接所述第二光纤耦合器的第二输出端；所述第一光纤耦合器的第二输入端依次连接所述光谱分析仪和所述信号处理器；所述第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器之间构成马赫-泽德干涉结构，所述第二光纤耦合器、所述偏振控制器和所述应力测量传感模块形成的闭环构成萨格耐克干涉结构；所述光谱分析仪用于获取光谱图形和数据信息，所述信号处理器用于对光谱图形和数据信息进行处理，得到应变和应力变化信息。
优选地，所述应变测量传感模块包括第一夹具、光纤和第二夹具；所述第一夹具和所述第二夹具固定夹持在所述光纤上，所述光纤在所述第一夹具和所述第二夹具之间的部分绷紧并承受应力，所述第一夹具的位置固定，所述第二夹具能移动。
优选地，所述应力测量传感模块包括第一金属板、保偏光子晶体光纤和第二金属板；所述保偏光子晶体光纤的中部以蜿蜒曲折的形式被平整地夹持在所述第一金属板和所述第二金属板之间。
优选地，所述第一金属板和所述第二金属板的边长为4～9cm，厚度为0.5～2cm，被夹持在所述第一金属板和所述第二金属板之间的所述保偏光子晶体光纤的长度为0.5～0.9m。
优选地，所述第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器之间构成的马赫-泽德干涉结构的两臂光程差为3～5cm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、将传统的双通道马赫-泽德干涉结构和萨格耐克干涉结构以级联的方式有机结合，且两种干涉结构能够互不干扰地工作，形成的新型干涉结构同时兼具两种传统干涉结构的特性，能在一次测量过程中实现应变和应力的同时测量。
2、新型干涉结构由两种干涉结构级联而成，分离的光束又会分成多束光束，这就形成了一种多路径的干涉仪，因此，应变和应力引起干涉仪的光谱漂移灵敏度明显高于单个传统的干涉仪结构。
附图说明
图1是本发明实施例的光纤应变-应力同时测量装置结构示意图；
图2是应变测量传感模块的结构示意图；
图3是应力测量传感模块的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-宽带光源，2-第一光纤耦合器，3-应变测量传感模块，4-第二光纤耦合器，5-偏振控制器，6-应力测量传感模块，7-光谱分析仪，8-信号处理器，9-第一夹具，10-第二夹具，11-第一金属板，12-保偏光子晶体光纤，13-第二金属板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例的光纤应变-应力同时测量装置包括宽带光源1、第一光纤耦合器2、应变测量传感模块3、第二光纤耦合器4、偏振控制器5、应力测量传感模块6、光谱分析仪7和信号处理器8，其中，第一光纤耦合器2和第二光纤耦合器4均为2×2光纤耦合器。宽带光源1连接第一光纤耦合器2的第一输入端；第一光纤耦合器2的第一输出端通过应变测量传感模块3连接第二光纤耦合器4的第一输入端，第一光纤耦合器2的第二输出端连接第二光纤耦合器4的第二输入端；第二光纤耦合器4的第一输出端依次通过偏振控制器5和应力测量传感模块6连接第二光纤耦合器4的第二输出端；第一光纤耦合器2的第二输入端依次连接光谱分析仪7和信号处理器8。
具体地，第一光纤耦合器2和第二光纤耦合器4均为单模光纤器件，分光比均为50:50。第一光纤耦合器2、应变测量传感模块3、第二光纤耦合器4、偏振控制器5和应力测量传感模块6之间通过熔接方式连接，第一光纤耦合器2与宽带光源1和光谱分析仪7之间利用FC/APC光纤接头通过法兰盘对接。
如图2所示，应变测量传感模块3包括第一夹具9、光纤和第二夹具10。第一夹具9和第二夹具10固定夹持在光纤上，光纤在第一夹具9和第二夹具10之间的部分绷紧并承受应力，第一夹具9的位置固定，第二夹具10能移动。如图3所示，应力测量传感模块6包括第一金属板11、保偏光子晶体光纤12和第二金属板13。保偏光子晶体光纤12的中部以蜿蜒曲折的形式被平整地夹持在第一金属板11和第二金属板13之间。
下面结合图1～3对上述光纤应变-应力同时测量装置的工作原理进行详细说明。
宽带光源1发出的光经由第一光纤耦合器2后分成两束光，一束光经过应变测量传感模块3后达到第二耦合器4，另一束光直接到达第二光纤耦合器4，第一光纤耦合器2和第二光纤耦合器4之间构成马赫-泽德干涉结构；到达第二光纤耦合器4的两束光从第二光纤耦合器4的输出端出射，第二光纤耦合器4、偏振控制器5和应力测量传感模块6形成的闭环构成萨格耐克干涉结构，其中，偏振控制器5用于调整萨格耐克干涉结构内的偏振状态，使干涉处于最佳状态；从第二光纤耦合器4输出的光束在萨格耐克干涉环中分别以顺时针和逆时针两个方向传播，之后再次到达第二光纤耦合器4，然后再逆向通过第一光纤耦合器2和第二光纤耦合器4之间构成的马赫-泽德干涉结构，最后，光束经由第一光纤耦合器2的第二输入端输出到达光谱分析仪7，得到光谱图形和数据信息。
第二夹具10的移动会造成光纤在第一夹具9和第二夹具10之间的部分发生应变变化，使光纤长度改变，进而使第一光纤耦合器2和第二光纤耦合器4之间构成的马赫-泽德干涉结构的两臂光程差发生改变，最终体现在由光谱分析仪7得到的光谱图形和数据信息上。在第一金属板11上施加应力会使保偏光子晶体光纤12横截面上相互垂直的快轴和慢轴两个方向上的折射率发生变化，进而使保偏光子晶体光纤12中正交两个模式通过萨格耐克干涉结构的光程差发生改变，最终体现在由光谱分析仪7得到的光谱图形和数据信息上。信号处理器8对光谱图形和数据信息进行处理，得到相应的应变和应力变化信息。
优选地，马赫-泽德干涉结构的两臂光程差为3～5cm；第一金属板11和第二金属板13的边长为4～9cm，厚度为0.5～2cm，被夹持在第一金属板11和第二金属板13之间的保偏光子晶体光纤12的长度为0.5～0.9m。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种光纤应变-应力同时测量装置，其特征在于，包括宽带光源、第一光纤耦合器、应变测量传感模块、第二光纤耦合器、偏振控制器、应力测量传感模块、光谱分析仪和信号处理器；其中，所述第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器均为2×2光纤耦合器；
所述宽带光源连接所述第一光纤耦合器的第一输入端；所述第一光纤耦合器的第一输出端通过所述应变测量传感模块连接所述第二光纤耦合器的第一输入端，所述第一光纤耦合器的第二输出端连接所述第二光纤耦合器的第二输入端；所述第二光纤耦合器的第一输出端依次通过所述偏振控制器和所述应力测量传感模块连接所述第二光纤耦合器的第二输出端；所述第一光纤耦合器的第二输入端依次连接所述光谱分析仪和所述信号处理器；
所述第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器之间构成马赫-泽德干涉结构，所述第二光纤耦合器、所述偏振控制器和所述应力测量传感模块形成的闭环构成萨格耐克干涉结构；所述光谱分析仪用于获取光谱图形和数据信息，所述信号处理器用于对光谱图形和数据信息进行处理，得到应变和应力变化信息。
2.如权利要求1所述的光纤应变-应力同时测量装置，其特征在于，所述应变测量传感模块包括第一夹具、光纤和第二夹具；所述第一夹具和所述第二夹具固定夹持在所述光纤上，所述光纤在所述第一夹具和所述第二夹具之间的部分绷紧并承受应力，所述第一夹具的位置固定，所述第二夹具能移动。
3.如权利要求1或2所述的光纤应变-应力同时测量装置，其特征在于，所述应力测量传感模块包括第一金属板、保偏光子晶体光纤和第二金属板；所述保偏光子晶体光纤的中部以蜿蜒曲折的形式被平整地夹持在所述第一金属板和所述第二金属板之间。
4.如权利要求3所述的光纤应变-应力同时测量装置，其特征在于，所述第一金属板和所述第二金属板的边长为4～9cm，厚度为0.5～2cm，被夹持在所述第一金属板和所述第二金属板之间的所述保偏光子晶体光纤的长度为0.5～0.9m。
5.如权利要求1至4中任一项所述的光纤应变-应力同时测量装置，其特征在于，所述第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器之间构成的马赫-泽德干涉结构的两臂光程差为3～5cm。
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