CN104568252A - 基于偏振外差光纤激光传感器的压力方向性检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于偏振外差光纤激光传感器的压力方向性检测方法，以980nm激光器作为泵浦光源，外界矢量信号作用于DBR光纤激光传感器后，发出两组正交偏振模式的激光信号，两组正交偏振模式的激光信号，通过光隔离器，实现激光信号单向传输；由窄线宽激光器输出的参考激光信号中心波长与两组正交偏振模式激光信号的波长接近，经过能量调整的两组正交偏振的激光信号和由窄线宽激光器输出的参考激光信号共3组信号通过3dB耦合器后进入同一光路中；经过偏振片调节后，三组信号之间两两拍频产生三组区分明显并且可以反映压力信号方向性光学信号，本发明可以确定外界矢量信号的作用角度。

Description

基于偏振外差光纤激光传感器的压力方向性检测方法

所属技术领域

本发明属于光纤传感领域,尤其涉及一种以偏振外差光纤激光传感器为核心传感元件的压力方向性检测方法。

背景技术

在实际测量应用领域,弯曲应力,声波以及磁场等物理参量在测量过程中的准确性具有极其重要的实用性价值,尤其涉及大型桥梁,隧道安全监控,水下环境以及高压作业方面。基于光纤传感测量的基本原理,实际应用中往往将弯曲应力,声波信号以及磁场信号等参量的测量,转换成作用在光纤结构上应力变化的测量。此外,在传感应用中,为了全面地反应待测量的具体变化情况,传感器不仅需要感知作用力的大小,同时也需要感知作用力的方向。

为了精确而真实地还原待测量的作用环境,往往将待测量等效视为压力方向性信号。同时在多种压力方向性测量方案比较中,光纤传感器因其结构紧凑,解调简易,抗电磁干扰的良好性能,与电学传感器相比具有明显优势。然而,在基于光纤传感器的压力方向性测量方案中,传统的测量方式大都利用传感器阵列来实现多维度受力分析,从而确定力的方向性,不可避免地加大设备体积,降低复用能力；或是通过一些复杂的算法以及程序进行受力分析,可移植性差。

DBR(分布布拉格反射式)光纤激光传感器是光纤传感器的一种,它利用偏振双频激光的差频信号来感知应力的变化,具有极高的灵敏度。在文章“Highly sensitive bending sensor based on Er³⁺-doped DBR fiberlaser”中通过公示推导引出在弯曲作用环境下,拍频信号与系统参数的对应关系,说明DBR光纤激光传感器可以用于弯曲应力的测量；文章“Fiber Grating Laser Current Sensor Based on Magnetic Force”中提出DBR光纤激光传感器具有良好的抗高压和电磁干扰特性,尤其适用于磁场信号测量；文章“Polarimetricheterodyning fiber laser sensor for directional acoustic signal measurement”中指出DBR光纤激光传感器可以通过频域内边带信号个数来测量水声信号的作用角度,具有良好的方向性识别能力。

但是,以上提及的关于DBR光纤激光传感器的测量原理大体上都是基于拍频解调技术,仅可以探测到DBR光纤激光传感器内部的两组拍频信号的相对变化关系,无法确定在方向性压力信号作用的测量过程中DBR光纤激光传感器内部产生的两组正交偏振模式各自的变化情况。同时上述针对方向性测量的方案,只是做出相关的线性拟合或是以输出边带数进行大体判断,准确度有限。

发明内容

本发明旨在提出一种基于偏振外差DBR光纤激光传感器的压力方向性检测方法。为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是：

一种基于偏振外差光纤激光传感器的压力方向性检测方法，以980nm激光器作为泵浦光源，由波分复用器的980nm端口进入980nm/1550nm波分复用器，再由波分复用器的右侧端口进入DBR光纤激光传感器，包括下列的步骤：

(1)外界矢量信号作用于DBR光纤激光传感器，外界矢量信号作用角度的测量可以视为具有方向性信息的压力信号角度测量，施加压力载荷；

(2)具有方向性信息的压力信号作用于DBR光纤激光传感器后，DBR光纤激光传感器内部发出两组正交偏振模式的激光信号，两组正交偏振模式的激光信号从DBR光纤激光传感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；

(3)由窄线宽激光器输出的参考激光信号中心波长与两组正交偏振模式激光信号的波长接近，两组正交偏振的激光信号分别通过第一偏振控制器第二偏振控制器进行能量调整，经过能量调整的两组正交偏振的激光信号和由窄线宽激光器输出的参考激光信号共3组信号通过3dB耦合器后进入同一光路中；

(4)经过偏振片调节后，三组信号之间两两拍频产生三组区分明显并且可以反映压力信号方向性光学信号，通过光电转换器件完成光学信号到电学信号的转变后，利用频谱分析仪直接读取三组射频拍频信号δ(Δν_xz)，δ(Δν_yz)和δ(Δν_xy)：

$\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\Δ}{v}_{\mathrm{xz}}\right)={{\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{xz}}}^{\′}-{\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{xz}}=\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\Δ}{v}_{\mathrm{xy}}\right)\frac{{\mathrm{\Δn}}_x}{n_0{\mathrm{\λ}}_0}---\left(1\right)$

$\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\Δ}{v}_{\mathrm{yz}}\right)={{\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{yz}}}^{\′}-{\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{yz}}=\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\Δ}{v}_{\mathrm{xy}}\right)\frac{{\mathrm{\Δn}}_y}{n_0{\mathrm{\λ}}_0}---\left(2\right)$

公式(1)和公式(2)中，n₀为平均折射率,λ₀为平均波长,公式(1)和公式(2)的比值为Δn_x和Δn_y的比值，与公式(3)和(4)的比值相同，其中P₁₁，P₁₂为DBR光纤激光传感器的弹光系数,e'_x,e'_y为轴向的应变分量；利用公式(3)和公式(4)中求出θ；

$\frac{{\mathrm{\Δn}}_x}{n_0}=-{n_0}^2[(P_{11}{\cos }^2\mathrm{\θ}+P_{12}{\sin }^2\mathrm{\θ})e_x^{\′}+(P_{11}{\sin }^2\mathrm{\θ}+P_{12}{\cos }^2\mathrm{\θ})e_y^{\′}]---\left(3\right)$

$\frac{{\mathrm{\Δn}}_x}{n_0}=-{n_0}^2[(P_{11}{\sin }^2\mathrm{\θ}+P_{12}{\cos }^2\mathrm{\θ})e_x^{\′}+(P_{11}{\cos }^2\mathrm{\θ}+P_{12}{\sin }^2\mathrm{\θ})e_y^{\′}]---\left(4\right)$

此外，ν_P为泊松比，E_f为杨氏模量，r为DBR光纤激光传感器纤芯半径，l为力作用于DBR光纤激光传感器的长度，L_eff为DBR光纤激光传感器的有效长度，待测角度θ已经求出，再利用公式(5)求解，

$\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\Δ}{v}_{\mathrm{xy}}\right)=\frac{l}{L_{\mathrm{eff}}}\frac{{{2\mathrm{cn}}^2}_0(P_{11}-P_{12})(1+v_p)\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)}{{\mathrm{\λ}}_0\mathrm{\πr}{E}_f}F---\left(5\right)$

可以求解出F；此种测量方法，先求解角度，后求解作用力，最后实现矢量信息的测量。

区别于现存压力方向性测量方法,本发明采用的传感单元为DBR光纤激光传感器,内部由一对FBG光栅和一段谐振腔构成。由于这一对FBG光栅在外界矢量信号作用情况下,受到不同方向作用角度影响从而导致DBR光纤激光传感器结构内部两组偏振模式激光信号分离并且产生各自对应的双折射参数,同时引入窄线宽激光器输出的具有适合频率和波长的参考激光信号作为固定参考基准,在受到外界矢量信息扰动的情况下两组正交偏振模式激光信号和参考激光信号产生相对变化,后续在光电转换器件中检测三组光学信号两两拍频产生的三组射频拍频信号,确定外界矢量信号作用角度。具有如下优点：(1)DBR光纤激光传感器制作工艺成熟简单,灵敏度高而且稳定性好。(2)区别于传统方向性测量装置体积庞大等缺点,仅用单根传感光纤和一套解调设备便可以实现外界矢量信号方向性测量,具备微型化和轻量化等特点。(3)通过分析外界矢量信号对DBR光纤激光传感器几何结构以及双折射特性的影响,确定外界矢量信号的作用角度。

附图说明

图1.基于偏振外差光纤激光传感器的压力方向性检测系统原理图。

图2.频谱分析仪显示的拍频信号随不同压力作用角度的变化关系，图2(a)、(b)和(c)的作用角度分别为25°，60°，45。

具体实施方式

下面结合附图实例对本发明做进一步说明。

本发明的测量方法采用的装置包括光纤测量传感模块,信号处理模块以及解调模块三部分。其中光纤测量传感模块中主要单元为基于偏振外差工作原理的DBR光纤激光传感器；信号处理模块包含980nm激光器,980nm/1550nm波分复用器,光隔离器,偏振控制器(1,2),窄线宽激光器,3dB耦合器以及偏振片；所述信号解调单元为光电转换器和频谱分析仪。

工作原理大致如下：980nm激光器作为泵浦光源,由980nm/1550nm波分复用器的980nm端口进入波分复用器,再由980nm/1550nm波分复用器的公共端口进入DBR光纤激光传感器。在弯曲应力,声波以及磁场的测量环境中,外界信号作用于DBR光纤激光传感器时,在实验操作过程中可以等效为压力作用,同时外界矢量信号作用角度的测量可以视为方向性压力测量。当具有方向性信息的压力信号作用于DBR光纤激光传感器后,DBR光纤激光传感器内部一对FBG光栅几何结构发生改变,从而影响DBR光纤激光传感器内部的光学信号传输性质,由原来的弱简并模式产生模式分离,DBR光纤激光传感器内部发出两组正交偏振模式激光信号,两组正交偏振模式激光信号从DBR光纤激光传感器的输入端口返回980nm/1550nm波分复用器后经其输出端口输出,通过光隔离器实现两组正交偏振模式激光信号单向传输。窄线宽激光器输出的参考激光信号中心波长与两组正交偏振模式激光信号的波长接近,两组正交偏振模式激光信号分别通过偏振控制器1和偏振控制器2进行能量调整,避免能量相差过大。两组正交偏振模式激光信号和参考激光信号共计三组激光信号通过3dB耦合器后进入同一光路中,通过对偏振片进行调节以便获取适合能量。如上所述,由于压力信号作用角度的关系,会对DBR光纤激光传感器轴向结构(快轴和慢轴)造成不同影响进而影响DBR光纤激光传感器的双折射特性,导致两组正交偏振模式激光信号中心波长的峰值偏移不等,最终携带外界矢量信号信息的两组正交偏振模式激光信号和窄线宽激光器引入的参考激光信号,三组信号之间两两拍频产生三组区分明显并且可以反映外界矢量信号信息的光学信号,通过光电转换器件完成光学信号到电学信号的转变后,在频谱分析仪进行显示。

在频谱分析仪的显示数据中,两组正交偏振模式激光信号与窄线宽激光器输出的参考激光信号两两拍频后产生的三组拍频信号如图2所示。由于DBR光纤激光传感器在外力作用下分离出两组正交偏振模式激光信号,假定为X模式激光信号和Y模式激光信号,同时依据外界矢量作用不同方向对DBR光纤激光传感器几何结构的快轴和慢轴造成的影响,使得DBR光纤激光传感器内部折射率发生改变，影响两组正交偏振模式激光信号波长,通过测量装置的输出结果可以实现压力方向性测量。其中图2.(a)所示在外力作用角度θa<45°时,Fa₁>Fa₂(两组正交偏振模式激光信号与参考激光信号生成的射频拍频信号),其中Fa₁代表作用角度θ_a下,X偏振模式激光信号与参考激光信号拍频所得射频信号,Fa₂代表同等作用角度下Y偏振模式激光信号与参考激光信号拍频所得射频信号,此时Fa₃与无外界信号作用情况下的输出相比频率减小。图2.(b)所示在外力作用角度θ_b>45°时,Fb₁<Fb₂,其中Fb₁代表作用角度θ_b下,X偏振模式激光信号与参考激光信号拍频所得射频信号,Fb₂代表同等情况下Y偏振模式激光信号与参考激光信号拍频所得射频信号,同时Fb₃与无外界信号作用情况下相比输出频率增大。在图2.(c)中θc≈45°时,压力分配给DBR光纤激光传感器轴向力恰好均等,两组正交偏振模式激光信号与参考激光信号波长幅度偏移近似相等,由此拍频信号Fc₁≈Fc₂,两组正交偏振模式激光信号的绝对波长差也接近不变,因此与无外界信号作用的情况下拍频接近相等。

$\mathrm{\&delta;}\left(\mathrm{\&Delta;}{v}_{\mathrm{xz}}\right)={{\mathrm{\&Delta;v}}_{\mathrm{xz}}}^{\&prime;}-{\mathrm{\&Delta;v}}_{\mathrm{xz}}=\mathrm{\&delta;}\left(\mathrm{\&Delta;}{v}_{\mathrm{xy}}\right)\frac{{\mathrm{\&Delta;n}}_x}{n_0{\mathrm{\&lambda;}}_0}---\left(1\right)$

$\mathrm{\&delta;}\left(\mathrm{\&Delta;}{v}_{\mathrm{yz}}\right)={{\mathrm{\&Delta;v}}_{\mathrm{yz}}}^{\&prime;}-{\mathrm{\&Delta;v}}_{\mathrm{yz}}=\mathrm{\&delta;}\left(\mathrm{\&Delta;}{v}_{\mathrm{xy}}\right)\frac{{\mathrm{\&Delta;n}}_y}{n_0{\mathrm{\&lambda;}}_0}---\left(2\right)$

$\frac{{\mathrm{\&Delta;n}}_x}{n_0}=-{n_0}^2[(P_{11}{\cos }^2\mathrm{\&theta;}+P_{12}{\sin }^2\mathrm{\&theta;})e_x^{\&prime;}+(P_{11}{\sin }^2\mathrm{\&theta;}+P_{12}{\cos }^2\mathrm{\&theta;})e_y^{\&prime;}]---\left(3\right)$

$\frac{{\mathrm{\&Delta;n}}_x}{n_0}=-{n_0}^2[(P_{11}{\sin }^2\mathrm{\&theta;}+P_{12}{\cos }^2\mathrm{\&theta;})e_x^{\&prime;}+(P_{11}{\cos }^2\mathrm{\&theta;}+P_{12}{\sin }^2\mathrm{\&theta;})e_y^{\&prime;}]---\left(4\right)$

$\mathrm{\&delta;}\left(\mathrm{\&Delta;}{v}_{\mathrm{xy}}\right)=\frac{l}{L_{\mathrm{eff}}}\frac{{{2\mathrm{cn}}^2}_0(P_{11}-P_{12})(1+v_p)\cos \left(2\mathrm{\&theta;}\right)}{{\mathrm{\&lambda;}}_0\mathrm{\&pi;r}{E}_f}F---\left(5\right)$

根据公式关系,可以对外界矢量的方向性进行具体区分测量。

其中,X偏振模式激光信号与参考激光信号的射频拍频,在不同作用角度下分别为Fa₁,Fb₁,Fc₁用δ(Δν_xz)统一表示。同理,Y偏振模式激光信号与参考激光信号的射频拍频,在不同作用角度下用Fa₂,Fb₂,Fc₂用δ(Δν_yz)统一表示。其中,射频拍频变化δ(Δν_xz)和δ(Δν_yz)在频谱分析仪上可以直接读取，根据公式(1),(2)求出对应的X,Y偏振模式激光信号折射率的变化Δn_x和Δn_y的比值，其比值与公式(3)和(4)比值相同。其中,n₀为平均折射率,λ₀为平均波长,P₁₁，P₁₂为光纤的弹光系数,e'_x,e'_y为轴向的应变分量,ν_P为泊松比，E_f为杨氏模量，r为光纤纤芯半径，l为力作用于DBR光纤激光传感器的长度，而L_eff为DBR光纤激光传感器的有效长度。可见，公式中只有角度θ一个未知数,通过测量可以测出角度的数值,其中推倒出图(2)(a),(b),(c)中，作用角度分别为25°,60°和45°。确定角度后,将θ数值代入公式(5)中,主拍频变化δ(Δν_xy)可以在频谱分析仪中读取(即Fa₃,Fb₃),从而可以确定作用力F的具体数值，压力作用数值为0.01N/mm。综上所示,此种压力方向性测量方法的可以先确定作用角度,后求解作用力，准确度高。

Claims (1)

1.一种基于偏振外差光纤激光传感器的压力方向性检测方法，以980nm激光器作为泵浦光源，由波分复用器的980nm端口进入980nm/1550nm波分复用器，再由波分复用器的右侧端口进入DBR光纤激光传感器，包括下列的步骤：

(1)外界矢量信号作用于DBR光纤激光传感器，外界矢量信号作用角度的测量可以视为具有方向性信息的压力信号角度测量，施加压力载荷；

(2)具有方向性信息的压力信号作用于DBR光纤激光传感器后，DBR光纤激光传感器内部发出两组正交偏振模式的激光信号，两组正交偏振模式的激光信号从DBR光纤激光传感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；

(3)由窄线宽激光器输出的参考激光信号中心波长与两组正交偏振模式激光信号的波长接近，两组正交偏振的激光信号分别通过第一偏振控制器第二偏振控制器进行能量调整，经过能量调整的两组正交偏振的激光信号和由窄线宽激光器输出的参考激光信号共3组信号通过3dB耦合器后进入同一光路中；

(4)经过偏振片调节后，三组信号之间两两拍频产生三组区分明显并且可以反映压力信号方向性光学信号，通过光电转换器件完成光学信号到电学信号的转变后，利用频谱分析仪直接读取三组射频拍频信号δ(Δν_xz)，δ(Δν_yz)和δ(Δν_xy)：

$\mathrm{\&delta;}\left(\mathrm{\&Delta;}{v}_{\mathrm{xz}}\right)=\mathrm{\&Delta;}{v_{\mathrm{xz}}}^{\&prime;}-\mathrm{\&Delta;}{v}_{\mathrm{xz}}=\mathrm{\&delta;}\left(\mathrm{\&Delta;}{v}_{\mathrm{xy}}\right)=\frac{\mathrm{\&Delta;}{n}_x}{n_0{\mathrm{\&lambda;}}_0}---\left(1\right)$

$\mathrm{\&delta;}\left(\mathrm{\&Delta;}{v}_{\mathrm{yz}}\right)=\mathrm{\&Delta;}{v_{\mathrm{yz}}}^{\&prime;}-\mathrm{\&Delta;}{v}_{\mathrm{yz}}=\mathrm{\&delta;}\left(\mathrm{\&Delta;}{v}_{\mathrm{xy}}\right)=\frac{\mathrm{\&Delta;}{n}_y}{n_0{\mathrm{\&lambda;}}_0}---\left(2\right)$

公式(1)和公式(2)中，n₀为平均折射率,λ₀为平均波长,公式(1)和公式(2)的比值为Δn_x和Δn_y的比值，与公式(3)和(4)的比值相同，其中P₁₁，P₁₂为DBR光纤激光传感器的弹光系数,e'_x,e'_y为轴向的应变分量；利用公式(3)和公式(4)中求出θ；

$\frac{\mathrm{\&Delta;}{n}_x}{n_0}=-{n_0}^2[(P_{11}{\cos }^2\mathrm{\&theta;}+P_{12}{\sin }^2\mathrm{\&theta;})e_x^{\&prime;}+(P_{11}{\sin }^2\mathrm{\&theta;}+P_{12}{\cos }^2\mathrm{\&theta;})e_y^{\&prime;}]---\left(3\right)$

$\frac{\mathrm{\&Delta;}{n}_y}{n_0}=-{n_0}^2[(P_{11}{\sin }^2\mathrm{\&theta;}+P_{12}{\cos }^2\mathrm{\&theta;})e_x^{\&prime;}+(P_{11}{\cos }^2\mathrm{\&theta;}+P_{12}{\sin }^2\mathrm{\&theta;})e_y^{\&prime;}]---\left(4\right)$

此外，ν_P为泊松比，E_f为杨氏模量，r为DBR光纤激光传感器纤芯半径，l为力作用于DBR光纤激光传感器的长度，L_eff为DBR光纤激光传感器的有效长度，待测角度θ已经求出，再利用公式(5)求解，

$\mathrm{\&delta;}\left(\mathrm{\&Delta;}{v}_{\mathrm{xy}}\right)=\frac{l}{L_{\mathrm{eff}}}\frac{2{{\mathrm{cn}}^2}_0(P_{11}-P_{12})(1+v_p)\cos \left(2\mathrm{\&theta;}\right)}{{\mathrm{\&lambda;}}_0\mathrm{\&pi;r}{E}_f}F---\left(5\right)$

求解出F；此种测量方法，先求解角度，后求解作用力，最后实现矢量信息的测量。