CN104833314B - 一种高分辨率光纤应变传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分辨率光纤应变传感器及测量方法，首先窄带光源的输出光传输至所述光分束器；所述光分束器按1:1的能量比进行分束，其中一路输出光束传输至所述涡旋光转换器，作为参考臂；另一路输出光束传输至所述传感光路，作为传感臂；所述参考臂和传感臂输出的光束经所述光合束器完成干涉；干涉后的图案经所述线阵CCD相机采集后传输至所述处理终端进行数字图像处理，从干涉图案中解调出应变变化量信息。该光纤应变传感器具备极高的应变分辨率，同时由于线阵CCD相机的使用具备了极高的响应速率，在应变变化率很高的情况下也能保证系统的可靠运行。

Description

一种高分辨率光纤应变传感器及测量方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种高分辨率光纤应变传感器及测量方法。

背景技术

应变传感在地学领域及大型工程检测中均有广泛应用，且在部分场合中对应变传感的分辨率有很高的要求(如地震前兆预测要求分辨率高于10^-9量级)。目前应变测量大多采用电学传感器来实现，优点在于成本低、分辨率较佳，但由于其存在零点漂移不易消除、易受电磁环境干扰、动态范围小等缺陷，应用发展受到了很多限制。而基于光纤技术的应变传感器，不仅可以克服传统电学应变传感器的不足，还有利于组网以及长距离、高温等恶劣环境下的监控，因而已得到了广泛的重视和快速发展。

现有技术中的光纤应变传感器主要有两类，一种是光纤光栅型的应变传感器，稳定可靠但灵敏度不理想，需借助增敏装置才能应用于高分辨传感的场合，系统的复杂度较高；另一种是干涉型的应变传感器，其优势在于较佳的分辨率和较宽的动态监测范围。尽管增加传感臂光纤的长度可提升此类传感器的分辨率，但效果有限，应用于高分辨传感的场合对光纤长度提出了较高的要求，系统的体积难以有效控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种高分辨率光纤应变传感器及测量方法，能够解决传统光纤应变传感器分辨率较低的问题，同时克服了基于涡旋光束的传感器在急剧变化的环境中响应速度慢的缺点。

一种高分辨率光纤应变传感器，所述传感器包括窄带光源、光分束器、涡旋光转换器、传感光路、光合束器、线阵CCD相机和处理终端，其中：

所述窄带光源的输出光传输至所述光分束器；

所述光分束器按1:1的能量比进行分束，其中一路输出光束传输至所述涡旋光转换器，作为参考臂；另一路输出光束传输至所述传感光路，作为传感臂；

所述参考臂和传感臂输出的光束经所述光合束器完成干涉；

干涉后的图案经所述线阵CCD相机采集后传输至所述处理终端进行数字图像处理，从干涉图案中解调出应变变化量信息。

在所述参考臂中，所述涡旋光转换器将所述光分束器输出的光转化为涡旋光束，并准直输出。

在所述传感臂中，所述传感光路对外部环境进行响应，使得传感光路的传输相位发生变化，输出光束经过准直装置后得到准直的高斯光束；

且所述参考臂和传感臂输出的准直光光斑尺寸一致，通过所述光合束器实现干涉，生成稳定的干涉图案。

所述线阵CCD相机扫描经过干涉图案中心点的一条直线，并将采集的信息传输至所述处理终端进行图像处理。

所述从干涉图案中解调出应变变化量信息，具体包括：

所述处理终端提取相邻两帧干涉图案之间亮点的位移信息，建立该位移信息与应变变化量的关系，并通过检测亮点的位移大小解调得到应变的变化量信息。

一种高分辨率光纤应变传感器的测量方法，所述测量方法包括：

将窄带光源的输出光传输至光分束器；

由所述光分束器按1:1的能量比进行分束，其中一路输出光束传输至涡旋光转换器，作为参考臂；另一路输出光束传输至传感光路，作为传感臂；

将所述参考臂和传感臂输出的光束通过光合束器进行干涉；

将干涉后的图案经线阵CCD相机采集后传输至处理终端进行数字图像处理；

所述处理终端从干涉图案中解调出应变变化量信息。

所述处理终端从干涉图案中解调出应变变化量信息，具体包括：

所述处理终端提取相邻两帧干涉图案之间亮点的位移信息，建立该位移信息与应变变化量的关系，并通过检测亮点的位移大小解调得到应变的变化量信息。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，该光纤应变传感器具备极高的应变分辨率，同时由于线阵CCD相机的使用具备了极高的响应速率，在应变变化率很高的情况下也能保证系统的可靠运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例所提供的高分辨率应变传感器的结构框图；

图2为本发明实施例所提供的高分辨率光纤应变传感器的结构示意图；

图3为本发明所举实例中线阵CCD相机采集螺旋干涉图案的原理示意图；

图4为本发明所举实例中亮点的位移量随应变变化的传感曲线示意图；

图5为本发明实施例所提供高分辨率应变传感器测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例所述的应变传感器是基于马赫-曾德尔干涉仪结构，将参考臂产生的涡旋光束和传感臂产生的基模高斯光束相干涉形成螺旋状的干涉条纹，光纤轴向的应变将导致螺旋干涉图的旋转，继而被高速工作的线阵CCD相机记录，并在处理终端进行数字图像处理后可实现对应变的测量。下面将结合附图对本发明实施例作进一步的详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供的高分辨率应变传感器的结构框图，所述传感器主要包括有窄带光源1、光分束器2、涡旋光转换器3、传感光路4、光合束器5、线阵CCD相机6和处理终端7，其中：

所述窄带光源1的输出光传输至所述光分束器2；

所述光分束器2按1:1的能量比进行分束，其中一路输出光束传输至涡旋光转换器3，作为参考臂；另一路输出光束传输至传感光路4，作为传感臂；

所述参考臂和传感臂输出的光束经所述光合束器5完成干涉；

干涉后的图案经所述线阵CCD相机6采集后传输至所述处理终端7进行数字图像处理，从干涉图案中解调出应变变化量信息。

具体实现中，如图2所示的结构示意图：光分束器2可以由1×2光纤耦合器21来实现，涡旋光转换器3可以由涡旋光纤31来实现，传感光路4可以由单模光纤41来实现，光合束器5可以由分束镜51来实现，

进一步的，除上述主要部件外，所述传感器还可以包括有偏振控制器8和两个准直透镜9，其中：

如图2所示，光纤耦合器21按1:1的能量比进行分束，其中一束经所述偏振控制器8后输入所述涡旋光纤31，作为参考臂；另一束输入所述单模光纤41，作为传感臂；

所述参考臂和传感臂输出的光束经准直装置后完成准直，具体由准直透镜9进行准直，再通过所述分束镜51完成干涉。

另外，在所述参考臂中，所述光纤耦合器21的一个输出端通过偏振控制器8的作用，使输入所述涡旋光纤的光偏振态得以控制；所述涡旋光纤31在输入光的激励下，产生涡旋光束，并准直输出。

具体实现中，入射的圆偏振芯层模将会被涡旋光纤耦合至高阶包层模，即产生了涡旋光束。另外，所述涡旋光纤31的输出端通过准直透镜9进行准直。

进一步的，在所述传感臂中，所述传感光路4对外部环境进行响应，使得传感光路4的传输相位发生变化，输出光束经过准直装置后得到准直的高斯光束；且所述参考臂和传感臂输出的准直光的光斑尺寸一致，通过所述分束镜51实现干涉，生成稳定的干涉图案。

如图3所示为本发明所举实例中线阵CCD相机采集螺旋干涉图案的原理示意图，结合图3：线阵CCD相机6读取经过涡旋干涉图案61中心点的一条直线62位置的光强度，并将读取的光强度的信息传输至所述处理终端7进行图像处理；处理终端7提取相邻两帧干涉图案中全部亮点63的位移信息，建立该位移信息与应变变化量的关系，并通过检测亮点的位移大小解调得到应变的变化量。

下面结合具体实例对上述光纤应变传感器的结构及测量方法进行说明，结合图2：

首先将窄带光源1的输出波长调至1550nm，将其输出端与单模工作的1×2光纤耦合器21相连，两臂分配得到的能量相等。

在参考臂中，选用偏芯长周期手征光纤光栅作为涡旋光纤31，纤芯直径为4.15um，纤芯折射率为1.449，偏芯距离为1um，包层半径为62.5um，包层折射率为1.4432，手征光纤光栅扭转率为11.1rad/mm，光栅长度为12.2mm。手征光栅输入端与偏振控制器8的输出端相连接，输出端通过准直透镜9进行准直。

在传感臂中，普通单模光纤41的长度为1米，输出端同样通过准直透镜9进行准直。

两臂光束通过分束镜51相干涉形成螺旋干涉图案61，再用线阵CCD相机6读取经过干涉图案中心点的直线区域62的光强度，如图3所示，在该直线区域内,干涉条纹形成三个亮点63,并全被读取；所述CCD相机以最高的帧频工作，并将图像信息实时传输至处理终端7进行图像处理。

在处理终端7的处理过程中，由于传感臂光纤输出光的相位随着光纤轴向应变的变化而发生改变，继而将导致螺旋干涉图案的旋转，并且旋转角度与应变呈对应关系；螺旋的旋转使得在线阵CCD相机6所在水平线上的亮点产生移动，如图4所示为本实例中亮点的位移量随应变变化的传感曲线示意图，由该曲线可以看出：亮点的位移大小与应变大小有确定的对应关系。

故处理终端基于上述原理就可以提取相邻两帧干涉图案中亮点的位移信息，建立该位移信息与应变变化量的关系，并通过检测亮点的位移大小解调得到应变的变化量。

基于上述的应变传感器，本发明实施例还提供了一种应变传感器的测量方法，如图5所示为该应变传感器测量方法的流程示意图，所述测量方法包括：

步骤51：将窄带光源的输出光传输至光分束器；

步骤52：由所述光分束器按1:1的能量比进行分束；

该步骤中，具体分束过程为：其中一路输出光束传输至涡旋光转换器，作为参考臂；另一路输出光束传输至传感光路，作为传感臂；

步骤53：将参考臂和传感臂输出的光束通过光合束器进行干涉；

步骤54：将干涉后的图案经线阵CCD相机采集后传输至处理终端进行数字图像处理；

步骤55：处理终端从干涉图案中解调出应变变化量信息。

该步骤中，具体处理过程为：处理终端提取相邻两帧干涉图案之间亮点的位移信息，建立该位移信息与应变变化量的关系，并通过检测亮点的位移大小解调得到应变的变化量信息。

上述各步骤中相应部件的具体实现过程可参考上述装置实施例。

综上所述，本发明实施例所提供的光纤应变传感器及测量方法具备极高的应变分辨率，例如采用1550nm波段的光源，本实例使用1米长的传感臂光纤即可很容易的达到10^-9的应变分辨率，而传统的干涉型光纤应变传感器则需要15.5米长的光纤才能达到此指标；同时由于线阵CCD相机的使用具备了极高的响应速率，在应变变化率很高的情况下也能保证系统的可靠运行。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种高分辨率光纤应变传感器，其特征在于，所述传感器包括窄带光源、光分束器、涡旋光转换器、传感光路、光合束器、线阵CCD相机和处理终端，其中：

所述窄带光源的输出光传输至所述光分束器；

所述光分束器按1:1的能量比进行分束，其中一路输出光束传输至所述涡旋光转换器，作为参考臂；另一路输出光束传输至所述传感光路，作为传感臂；

所述参考臂和传感臂输出的光束经所述光合束器完成干涉；

其中，在所述参考臂中，所述涡旋光转换器将所述光分束器输出的光转化为涡旋光束，并准直输出；

在所述传感臂中，所述传感光路对外部环境进行响应，使得传感光路的传输相位发生变化，输出光束经过准直装置后得到准直的高斯光束；

且所述参考臂和传感臂输出的准直光光斑尺寸一致，通过所述光合束器实现干涉，生成稳定的干涉图案；

干涉后的图案经所述线阵CCD相机采集后传输至所述处理终端进行数字图像处理，从干涉图案中解调出应变变化量信息，具体包括：

所述处理终端提取相邻两帧干涉图案之间亮点的位移信息，建立该位移信息与应变变化量的关系，并通过检测亮点的位移大小解调得到应变的变化量信息。

2.根据权利要求1所述高分辨率光纤应变传感器，其特征在于，

所述线阵CCD相机扫描经过干涉图案中心点的一条直线，并将采集的信息传输至所述处理终端进行图像处理。

3.一种高分辨率光纤应变传感器的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：

将窄带光源的输出光传输至光分束器；

由所述光分束器按1:1的能量比进行分束，其中一路输出光束传输至涡旋光转换器，作为参考臂；另一路输出光束传输至传感光路，作为传感臂；

将所述参考臂和传感臂输出的光束通过光合束器进行干涉；

将干涉后的图案经线阵CCD相机采集后传输至处理终端进行数字图像处理；

其中，在所述参考臂中，所述涡旋光转换器将所述光分束器输出的光转化为涡旋光束，并准直输出；

在所述传感臂中，所述传感光路对外部环境进行响应，使得传感光路的传输相位发生变化，输出光束经过准直装置后得到准直的高斯光束；

且所述参考臂和传感臂输出的准直光光斑尺寸一致，通过所述光合束器实现干涉，生成稳定的干涉图案；

所述处理终端从干涉图案中解调出应变变化量信息，具体包括：

所述处理终端提取相邻两帧干涉图案之间亮点的位移信息，建立该位移信息与应变变化量的关系，并通过检测亮点的位移大小解调得到应变的变化量信息。