CN105004459B - 高灵敏度分布式的横向压力传感器及利用该传感器测量横向压力的方法 - Google Patents
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Abstract
高灵敏度分布式的横向压力传感器及利用该传感器测量横向压力的方法，属于光学领域，本发明为解决现有分布式横向压力传感器精度低的问题。传感器：频率相差一个光纤布里渊频移的ν0激光与ν1激光相对入射至传感光纤的x轴，并发生布里渊散射；与ν0激光或ν1激光相差一个光纤的双折射频移的ν2脉冲光注入传感光纤的y轴，被布里渊动态光栅反射后输出，得到光纤双折射的变化，从而解调出光纤受到的横向压力的位置与大小。利用该传感器测量横向压力的方法：利用实验平台对传感光纤进行旋转定轴操作，在实际探测横向压力之前通过旋转施压的方式找到高双折射光纤对横向压力响应最大的光轴方向。利用这个最大响应光轴方向作为施压方向，以获取最大的横向压力灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及基于布里渊动态光栅技术的横向压力传感器及其系统测试与使用方法，属于光学领域。
背景技术
近年来，在建筑结构健康监测和土木工程等领域对横向压力测量技术具有巨大的需求，而诸如重力测量、液压和气压测量，风压和声压测量等多种参数的测量也都可以转化为对横向压力的测量。因此，对高灵敏度的横向压力传感器的研究逐渐被人们重视，得到越来越广泛的关注，对横向压力传感器进行研究具有很高的科研价值和实际应用价值。采用光纤传感器进行横向压力探测具有诸多优点：首先，采用光纤传感技术可以做到有效防止电磁干扰，相较普通电学传感器能够获得更精确的测量结果；其次，由于光纤既作为传感器件又作为信号传输信道，以光信号作为传输信号，可以有效降低应用成本，提高传输速度；再者，由于光纤本身的尺寸小，因而光纤传感器普遍具有小型化的特点，能够应用于更多普通传感器难以探测的工作环境。
目前，广泛采用的测量仪器主要有基于光纤布拉格光栅技术的横向压力传感器。这种传感器通过测量光波长的移动量来定量测量横向压力的变化，2004年，Chehura E等人就利用在高双折射光纤上写制的光纤布拉格光栅研究了其对于温度和横向负载的反馈特性(Chehura E.,Ye C.C.,Staines S.E.,et al.Characterization of the response offibre Bragg gratings fabricated in stress and geometrically induced highbirefringence fibres to temperature and transverse load[J].Smart Materialsand Structures,13(4),888(2004))。但是，光纤布拉格光栅的带宽受到本身刻蚀结构的影响，比外部横向压力造成的频移大得多，降低了测量精度。另外一种广泛采用的测量仪器是基于光纤Sagnac干涉技术的横向压力传感器，例如2011年，Peng Zu等人提出的利用光子晶体光纤制作的基于Sagnac干涉技术的环形横向压力传感器(Zu P,Chan C C,Jin Y,etal.Fabrication of a temperature-insensitive transverse mechanical load sensorby using a photonic crystal fiber-based Sagnac loop[J].Measurement scienceand technology,2011,22(2):025204.)，这种技术具有很高的灵敏度。然而，上述两种多点式的横向压力传感器都属于点式传感器，不属于分布式传感器。只能进行较短范围内定点测量局部横向压力，不能进行长距离多点同时测量的分布式测量。2010年，Maier等人提出采用测量瑞利散射信号的光频域反射计技术的分布式横向压力传感技术(Maier R R J,MacPherson W N,Barton J S,et al.Distributed sensing using Rayleigh scatter inpolarization-maintaining fibres for transverse load sensing[J].MeasurementScience and Technology,21(9):094019(2010))。这种技术虽然可以做到分布式测量，但是其测量精度不高，对于横向压力不敏感。
发明内容
本发明目的是为了解决现有分布式横向压力传感器精度低的问题，提供了一种高灵敏度分布式的横向压力传感器，并且提出利用该传感器进行横向压力测量的方法。
这种传感器主要工作原理是：当传感光纤受到外部横向压力作用时，光纤本身的双折射会随外界压力变化而变化。由于布里渊动态光栅对于光纤双折射的变化很敏感，因此可通过在保偏光纤中激发和探测布里渊动态光栅来测量由于外部横向压力引起的光纤双折射频移的变化，得到光纤双折射的变化，从而解调出光纤受到的横向压力的位置与大小。这种传感器具有高灵敏性和高空间分辨率分布式的特点，可以有效地探测到光纤某一局部受到的横向压力，并且解调出横向压力的大小。
结合上述传感器而提出的测量方法主要是：利用带有可旋转光纤夹具可横向滑动压力施加平台对探测光纤进行旋转定轴操作，在实际探测横向压力之前通过旋转施压的方式找到高双折射光纤对横向压力响应最大的光轴方向。利用这个最大响应光轴方向作为施压方向，以获取最大的横向压力灵敏度。
本发明所述高灵敏度分布式的横向压力传感器包括以下四个技术方案：
第一个技术方案：高灵敏度分布式的横向压力传感器包括第一可调谐激光器、第二可调谐激光器、第三可调谐激光器、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、第一偏振控制器、光隔离器、第二偏振控制器、数据采集卡、第三掺铒光纤放大器、第三偏振控制器、传感光纤、偏振分束器、光电探测器、光纤环形器和第四偏振控制器；
第一可调谐激光器输出频率为ν0的连续激光，该束激光经过第一掺铒光纤放大器放大，经过光隔离器和第三偏振控制器调节偏振态后，注入传感光纤的+x轴；
第二可调谐激光器输出频率为ν1的连续激光，该束激光经过第二掺铒光纤放大器放大，经过第二偏振控制器调节偏振态后，进入偏振分束器的x轴，然后从偏振分束器合束端输出注入传感光纤的-x轴；
其中频率ν0与ν1之间相差一个光纤布里渊频移△νB，即|ν1-ν0|＝△νB；
从+x轴、-x轴相对方向注入传感光纤的两束激光在光纤中发生受激布里渊散射现象，形成布里渊动态光栅；
第三可调谐激光器发出的频率为ν2的脉冲光，ν2满足条件ν2-ν1＝△νBire，ν2与ν1之间的频差相差一个光纤的双折射频移△νBire，频率为ν2的脉冲光经过第三掺铒光纤放大器的功率放大后，再由第四偏振控制器调节偏振态，经过光纤环形器的1端口注入，由2端口射出，进入偏振分束器的y轴端口；从偏振分束器合束端口出来的脉冲ν2光注入传感光纤的y轴；
频率为ν2的脉冲光读取频率ν0与ν1两束激光在传感光纤中所形成的布里渊动态光栅的信息；布里渊动态光栅将ν2脉冲光反射，被反射的ν2脉冲光由偏振分束器合束端口进入偏振分束器；由于偏振态限制，反射光从偏振分束器的y轴端口出射，进入光纤环形器的2端口，从光纤环形器的3端口出射，被光电探测器接收到，之后探测数据被数据采集卡采集到并保存；
数据采集卡的采集频率与ν2脉冲光的频率同步；数据采集卡将采集反射光强的时域信号处理得到对应的每一个点的双折射频移信号，进而获取光纤上的压力信息。
第二个技术方案：高灵敏度分布式的横向压力传感器包括第一可调谐激光器、第二可调谐激光器、第三可调谐激光器、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、信号发生器、第一偏振控制器、电光调制器、光隔离器、第二偏振控制器、数据采集卡、第三掺铒光纤放大器、第三偏振控制器、传感光纤、偏振分束器、光电探测器、光纤环形器和第四偏振控制器；
第一可调谐激光器输出频率为ν0的连续激光，该束激光经过第一掺铒光纤放大器放大，经过光隔离器和第三偏振控制器调节偏振态后，注入传感光纤的+x轴；
第二可调谐激光器输出频率为ν1的连续激光，该束激光经过第二掺铒光纤放大器放大，经过第二偏振控制器调节偏振态后，进入偏振分束器的x轴，然后从偏振分束器合束端输出注入传感光纤的-x轴；
其中频率ν0与ν1之间相差一个光纤布里渊频移△νB，即|ν1-ν0|＝△νB；
从+x轴、-x轴相对方向注入传感光纤的两束激光在光纤中发生受激布里渊散射现象，形成布里渊动态光栅；
第三可调谐激光器发出的频率为ν2的连续激光，ν2满足条件ν2-ν1＝△νBire，ν2与ν1之间的频差相差一个光纤的双折射频移△νBire，该束激光由第一偏振控制器调节偏振态后进入被信号发生器调制的电光调制器中；电光调制器将频率为ν2的连续光调制成频率为ν2的脉冲光；频率为ν2的脉冲光经过第三掺铒光纤放大器的功率放大后，再由第四偏振控制器调节偏振态，经过光纤环形器的1端口注入，由2端口射出，进入偏振分束器的y轴端口；从偏振分束器合束端口出来的脉冲ν2光注入传感光纤的y轴；
频率为ν2的脉冲光读取频率ν0与ν1两束激光在传感光纤中所形成的布里渊动态光栅的信息；布里渊动态光栅将ν2脉冲光反射，被反射的ν2脉冲光由偏振分束器合束端口进入偏振分束器；由于偏振态限制，反射光从偏振分束器的y轴端口出射，进入光纤环形器的2端口，从光纤环形器的3端口出射，被光电探测器接收到，之后探测数据被数据采集卡采集到并保存；
数据采集卡的工作触发信号由信号发生器同步提供；数据采集卡将采集反射光强的时域信号处理得到对应的每一个点的双折射频移信号，进而获取光纤上的压力信息。
第三个技术方案：第一、二技术方案中的第一可调谐激光器和第二可调谐激光器采用一台激光器代替，所述激光器采用微波调制的方式形成两束频率ν0与ν1的激光，两束激光频率之间相差一个光纤布里渊频移△νB。
第四个技术方案：采用上述三个所述高灵敏度分布式的横向压力传感器进行横向压力测量的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、调试横向压力传感器，并将横向压力传感器的传感光纤放在可滑动平台0上，利用左右两个可旋转光纤夹具将传感光纤夹持住；
步骤二、不施加压力利用横向压力传感器测量一组传感光纤的双折射频移信号，作为基准信号；
步骤三、将支撑光纤放置于可滑动平台0上，支撑光纤与传感光纤分别位于可滑动平台0中间凹槽两侧的同一水平位置，用来和传感光纤一起支撑玻璃平板；
步骤四、在玻璃平板上均衡施加压力，使传感光纤待测段均匀受力；
步骤五、利用横向压力传感器测量一组施加压力情况下的传感光纤的双折射频移信号；
步骤六、撤去玻璃平板，将可滑动平台0沿底部滑槽由钢制支撑底座的A侧向B侧横向移动，使传感光纤落入可滑动平台0的中间凹槽里，令传感光纤悬空；
步骤七、沿顺时针或逆时针方向同时转动两侧可旋转光纤夹具的中间转轮使传感光纤转动相同角度；在传感光纤和支撑光纤上重新加载玻璃平板，均衡施加压力，使传感光纤待测段均匀受力；再测量一组传感光纤旋转后再受压力情况下的双折射频移信号；
步骤八，按照步骤七的方式，将传感光纤以不同的角度旋转，每旋转一次测量一组传感光纤的双折射频移信号，分别与步骤三得到的基准信号做差，获得多组不同光纤转动角度对应的传感光纤双折射频移变化差值；
步骤九，从步骤八获得的差值信号中找出变化幅值最大的一点，将其在不同光纤转动角度下获得的差值信号与对应的传感光纤转动角度做拟合曲线，找到拟合曲线斜率绝对值最大时对应的光纤转动角度，此时得到光纤横向压力传感器的灵敏度最高；
步骤十，按照步骤七的方式将传感光纤重新转动至步骤九找到灵敏度最高对应的角度，然后在玻璃平板上施加不同压力，每施加一次压力，测量一组传感光纤的双折射频移信号，并分别与步骤三得到的基础信号作差得到差值信号；
步骤十一，从步骤十获得的差值信号中找出变化幅值最大的一点，将其在施加不同压力情况下获得的差值信号与对应的施加在传感光纤上的压力大小做拟合曲线，计算可获得该压力传感器的传感灵敏度。
本发明的优点：
1.本专利提出一种高灵敏度、分布式横向压力传感器，这种传感器是基于布里渊动态光栅技术。这种传感器对传感光纤外部受到的横向压力变化具有很高的灵敏性，可以实现高灵敏性、高精度的横向压力测量。
2.这种传感器具有分布式测量横向压力的优点，可以同时测量很长距离范围内多位置的横向压力。
3.这种传感器可以实现高空间分辨率的横向压力测量。
4.采用所提出的方法可以最大限度的发挥基于布里渊动态光栅技术高灵敏度、分布式横向压力传感器的测量能力，得到最高的横向压力灵敏度。
附图说明
图1是实施方式一所述高灵敏度分布式的横向压力传感器的结构示意图；
图2是实施方式二所述高灵敏度分布式的横向压力传感器的结构示意图；
图3是带有可旋转光纤夹具的可滑动横向压力施加平台结构图；
图4是传感光纤分别在快慢轴方向受横向压力时示意图；
图5是利用该光纤压力传感器获得的分布式测量结果图；
图6是实验室测得的分别以传感光纤快慢轴方向作为压力施加方向，传感光纤上一点的双折射频移变化差值与对应施加在传感光纤上的压力大小的拟合曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述高灵敏度分布式的横向压力传感器，它包括第一可调谐激光器1、第二可调谐激光器3、第三可调谐激光器4、第一掺铒光纤放大器5、第二掺铒光纤放大器6、第一偏振控制器8、光隔离器10、第二偏振控制器11、数据采集卡12、第三掺铒光纤放大器13、第三偏振控制器14、传感光纤15、偏振分束器16、光电探测器17、光纤环形器18和第四偏振控制器19；
第一可调谐激光器1输出频率为ν0的连续激光，该束激光经过第一掺铒光纤放大器5放大，经过光隔离器10和第三偏振控制器14调节偏振态后，注入传感光纤15的+x轴；
第二可调谐激光器3输出频率为ν1的连续激光，该束激光经过第二掺铒光纤放大器6放大，经过第二偏振控制器11调节偏振态后，进入偏振分束器16的x轴，然后从偏振分束器16合束端输出注入传感光纤15的-x轴；
其中频率ν0与ν1之间相差一个光纤布里渊频移△νB，即|ν1-ν0|＝△νB；
从+x轴、-x轴相对方向注入传感光纤15的两束激光在光纤中发生受激布里渊散射现象，形成布里渊动态光栅；
第三可调谐激光器4发出的频率为ν2的脉冲光，ν2满足条件ν2-ν1＝△νBire，ν2与ν1之间的频差相差一个光纤的双折射频移△νBire，频率为ν2的脉冲光经过第三掺铒光纤放大器13的功率放大后，再由第四偏振控制器19调节偏振态，经过光纤环形器18的1端口注入，由2端口射出，进入偏振分束器16的y轴端口；从偏振分束器16合束端口出来的脉冲ν2光注入传感光纤15的y轴；
频率为ν2的脉冲光读取频率ν0与ν1两束激光在传感光纤15中所形成的布里渊动态光栅的信息；布里渊动态光栅将ν2脉冲光反射，被反射的ν2脉冲光由偏振分束器16合束端口进入偏振分束器16；由于偏振态限制，反射光从偏振分束器16的y轴端口出射，进入光纤环形器18的2端口，从光纤环形器18的3端口出射，被光电探测器17接收到，之后探测数据被数据采集卡12采集到并保存；
数据采集卡12的采集频率与ν2脉冲光的频率同步；数据采集卡12将采集反射光强的时域信号处理得到对应的每一个点的双折射频移信号，进而获取光纤上的压力信息。
频率为ν2的脉冲光的作用是读取ν0与ν1两束光在光纤中所形成的布里渊动态光栅的信息。
本实施方式中，ν0激光可注入传感光纤15的+y轴；ν1激光进入偏振分束器16的y轴，然后从偏振分束器16合束端输出注入传感光纤15的-y轴；
从+y轴、-y轴相对方向注入传感光纤15的两束激光在光纤中发生受激布里渊散射现象，形成布里渊动态光栅；
ν2进入偏振分束器16的x轴端口；从偏振分束器16合束端口出来的脉冲ν2光注入传感光纤15的x轴；即满足条件ν0、ν1位于同轴的正负相对方向，ν2位于与二者垂直的轴上。
具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一相比，增加了信号发生器7、电光调制器9，且第三可调谐激光器4发出的频率为ν2的连续激光，而不是脉冲光。
具体结构参见图2，高灵敏度分布式的横向压力传感器包括第一可调谐激光器1、第二可调谐激光器3、第三可调谐激光器4、第一掺铒光纤放大器5、第二掺铒光纤放大器6、信号发生器7、第一偏振控制器8、电光调制器9、光隔离器10、第二偏振控制器11、数据采集卡12、第三掺铒光纤放大器13、第三偏振控制器14、传感光纤15、偏振分束器16、光电探测器17、光纤环形器18和第四偏振控制器19；
第一可调谐激光器1输出频率为ν0的连续激光，该束激光经过第一掺铒光纤放大器5放大，经过光隔离器10和第三偏振控制器14调节偏振态后，注入传感光纤15的+x轴；
第二可调谐激光器3输出频率为ν1的连续激光，该束激光经过第二掺铒光纤放大器6放大，经过第二偏振控制器11调节偏振态后，进入偏振分束器16的x轴，然后从偏振分束器16合束端输出注入传感光纤15的-x轴；
其中频率ν0与ν1之间相差一个光纤布里渊频移△νB，即|ν1-ν0|＝△νB；
从+x轴、-x轴相对方向注入传感光纤15的两束激光在光纤中发生受激布里渊散射现象，形成布里渊动态光栅；
第三可调谐激光器4发出的频率为ν2的连续激光，ν2满足条件ν2-ν1＝△νBire，ν2与ν1之间的频差相差一个光纤的双折射频移△νBire，该束激光由第一偏振控制器8调节偏振态后进入被信号发生器7调制的电光调制器9中；电光调制器9将频率为ν2的连续光调制成频率为ν2的脉冲光；频率为ν2的脉冲光经过第三掺铒光纤放大器13的功率放大后，再由第四偏振控制器19调节偏振态，经过光纤环形器18的1端口注入，由2端口射出，进入偏振分束器16的y轴端口；从偏振分束器16合束端口出来的脉冲ν2光注入传感光纤15的y轴；
频率为ν2的脉冲光读取频率ν0与ν1两束激光在传感光纤15中所形成的布里渊动态光栅的信息；布里渊动态光栅将ν2脉冲光反射，被反射的ν2脉冲光由偏振分束器16合束端口进入偏振分束器16；由于偏振态限制，反射光从偏振分束器16的y轴端口出射，进入光纤环形器18的2端口，从光纤环形器18的3端口出射，被光电探测器17接收到，之后探测数据被数据采集卡12采集到并保存；
数据采集卡12的工作触发信号由信号发生器7同步提供；数据采集卡12将采集反射光强的时域信号处理得到对应的每一个点的双折射频移信号，进而获取光纤上的压力信息。
具体实施方式三：本实施方式是对实施方式一或二的进一步限定，它还包括频率锁定模块2，频率锁定模块2设置在第一可调谐激光器1和第二可调谐激光器3之间，频率锁定模块2用于锁定两个激光器的频率差保持为△νB不变。防止某一个或两个激光器由于温度等原因产生频率漂移。
具体实施方式四：本实施方式是对实施方式一或二的进一步限定，第一可调谐激光器1和第二可调谐激光器3采用一台激光器代替，所述激光器采用微波调制的方式形成两束频率ν0与ν1的激光，两束激光频率之间相差一个光纤布里渊频移△νB。
具体实施方式五：本实施方式是对实施方式一或二的进一步限定，第一可调谐激光器1和第二可调谐激光器3采用分布反馈式半导体激光器DFB来实现。
具体实施方式六：本实施方式是对实施方式一或二的进一步限定，传感光纤15为熊猫型保偏光纤、椭圆纤芯保偏光纤或保偏光子晶体光纤。
具体实施方式七：本实施方式是对实施方式一或二的进一步限定，信号发生器7采用任意函数发生器或任意波形发生器来实现。
任意函数发生器或任意波形发生器都能够产生脉冲信号加载到电光调制器9上对连续光信号进行脉冲调制。
具体实施方式八：下面结合图1至图6说明本实施方式，利用实施方式一或二所述高灵敏度分布式的横向压力传感器进行横向压力测量的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、调试横向压力传感器，并将横向压力传感器的传感光纤15放在可滑动平台20上，利用左右两个可旋转光纤夹具23将传感光纤15夹持住；
步骤二、不施加压力利用横向压力传感器测量一组传感光纤15的双折射频移信号，作为基准信号；
步骤三、将支撑光纤24放置于可滑动平台20上，支撑光纤24与传感光纤15分别位于可滑动平台20中间凹槽两侧的同一水平位置，用来和传感光纤15一起支撑玻璃平板22；
步骤四、在玻璃平板22上均衡施加压力，使传感光纤15待测段均匀受力；
步骤五、利用横向压力传感器测量一组施加压力情况下的传感光纤15的双折射频移信号；
步骤六、撤去玻璃平板22，将可滑动平台20沿底部滑槽由钢制支撑底座21的A侧向B侧横向移动，使传感光纤15落入可滑动平台20的中间凹槽里，令传感光纤15悬空；
步骤七、沿顺时针或逆时针方向同时转动两侧可旋转光纤夹具23的中间转轮使传感光纤15转动相同角度；在传感光纤15和支撑光纤24上重新加载玻璃平板22，均衡施加压力，使传感光纤15待测段均匀受力；再测量一组传感光纤15旋转后再受压力情况下的双折射频移信号；
步骤八，按照步骤七的方式，将传感光纤15以不同的角度旋转，每旋转一次测量一组传感光纤的双折射频移信号，分别与步骤三得到的基准信号做差，获得多组不同光纤转动角度对应的传感光纤15双折射频移变化差值；
步骤九，从步骤八获得的差值信号中找出变化幅值最大的一点，将其在不同光纤转动角度下获得的差值信号与对应的传感光纤15转动角度做拟合曲线，找到拟合曲线斜率绝对值最大时对应的光纤转动角度，此时得到光纤横向压力传感器的灵敏度最高；
步骤十，按照步骤七的方式将传感光纤15重新转动至步骤九找到灵敏度最高对应的角度，然后在玻璃平板22上施加不同压力，每施加一次压力，测量一组传感光纤15的双折射频移信号，并分别与步骤三得到的基础信号作差得到差值信号；
步骤十一，从步骤十获得的差值信号中找出变化幅值最大的一点，将其在施加不同压力情况下获得的差值信号与对应的施加在传感光纤15上的压力大小做拟合曲线，计算可获得该压力传感器的传感灵敏度。
步骤一利用左右两个可旋转光纤夹具23将传感光纤15夹持住的原则：光纤要拉直，不能产生弯曲；两个可旋转光纤夹具23调到同样的角度示数，以保证光纤在加持过程中不产生扭曲。
图3给出了本实施方式测量方法用到的实验台：
可滑动平台20的作用是：①作为光纤放置的平台；②可滑动平台20中间设计凹槽，目的是：当可滑动平台20由A侧向B侧横向滑动时传感光纤15能落入凹槽中，悬空的传感光纤15可以随着可旋转光纤夹具25进行旋转，避免了传感光纤15在旋转过程中与可滑动平台20之间产生摩擦，使光纤弯折或旋转不均匀。
钢制支撑底座21的作用是支撑固定压力施加平台各部件。
玻璃平板22的作用是承载压力，使压力均匀分布，玻璃的长度决定探测长度。此外，玻璃的表面光滑可使光纤受力均匀。
传感光纤15的作用是作为实际传感器，探测受力位置和受力大小。
支撑光纤24的作用是和传感光纤15一起支撑玻璃平板22，支撑光纤24和传感光纤15采用同一种光纤，这样当对玻璃平板22施加压力时，压力会均匀分布在两根光纤上，此时二者将各承载将一半的压力。
可旋转光纤夹具23的作用是：①夹持光纤，可将传感光纤15放置在夹具中间转轮的中心进行夹持，施加压力时可使传感光纤15固定不动；②转动夹具中间转轮可使传感光纤15按照一定角度旋转，转轮上设置有刻度值，可以保证光纤两侧转动角度一致，使光纤不扭曲。
结合图4，图5和图6说明实验室条件下获得的测量结果。
图4是传感光纤15分别在快慢轴方向受横向压力时示意图。当在传感光纤15快轴施加横向压力时，光纤双折射频移变化值减小最快；挡在传感光纤15慢轴施加横向压力时，光纤双折射频移变化值增加最快。在这两个方向施加横向压力能够获得最大的传感灵敏度。
图5是利用光纤横向压力传感器获得的分布式测量结果图。本次实验，对传感光纤15的两个部分分别在快慢轴上施加压力，获得两个不同位置的不同双折射频移变化值，从而说明了该光纤横向压力传感器能够进行分布式测量。
图6是实验室测得的分别以传感光纤15快慢轴方向作为压力施加方向，传感光纤15上一点的双折射频移变化差值与对应施加在传感光纤15上的压力大小的拟合曲线，通过计算可得到基于布里渊动态光栅技术的分布式、高精度横向压力传感器在传感光纤15快慢轴分别施加横向压力时所具有的测量灵敏度分别为-6.23GHz/Nmm-1和6.28GHz/Nmm-1。
Claims (9)
1.高灵敏度分布式的横向压力传感器，其特征在于，它包括第一可调谐激光器(1)、第二可调谐激光器(3)、第三可调谐激光器(4)、第一掺铒光纤放大器(5)、第二掺铒光纤放大器(6)、第一偏振控制器(8)、光隔离器(10)、第二偏振控制器(11)、数据采集卡(12)、第三掺铒光纤放大器(13)、第三偏振控制器(14)、传感光纤(15)、偏振分束器(16)、光电探测器(17)、光纤环形器(18)和第四偏振控制器(19)；
第一可调谐激光器(1)输出频率为v0的连续激光，该束激光经过第一掺铒光纤放大器(5)放大，经过光隔离器(10)和第三偏振控制器(14)调节偏振态后，注入传感光纤(15)的+x轴；
第二可调谐激光器(3)输出频率为v1的连续激光，该束激光经过第二掺铒光纤放大器(6)放大，经过第二偏振控制器(11)调节偏振态后，进入偏振分束器(16)的x轴，然后从偏振分束器(16)合束端输出注入传感光纤(15)的-x轴；
其中频率v0与v1之间相差一个光纤布里渊频移ΔvB，即|v1-v0|＝ΔvB；
从+x轴、-x轴相对方向注入传感光纤(15)的两束激光在光纤中发生受激布里渊散射现象，形成布里渊动态光栅；
第三可调谐激光器(4)发出的频率为v2的脉冲光，v2满足条件v2-v1＝ΔvBire，v2与v1之间的频差相差一个光纤的双折射频移ΔvBire，频率为v2的脉冲光经过第三掺铒光纤放大器(13)的功率放大后，再由第四偏振控制器(19)调节偏振态，经过光纤环形器(18)的1端口注入，由2端口射出，进入偏振分束器(16)的y轴端口；从偏振分束器(16)合束端口出来的v2脉冲光注入传感光纤(15)的y轴；
频率为v2的脉冲光读取频率v0与v1两束激光在传感光纤(15)中所形成的布里渊动态光栅的信息；布里渊动态光栅将v2脉冲光反射，被反射的v2脉冲光由偏振分束器(16)合束端口进入偏振分束器(16)；由于偏振态限制，反射光从偏振分束器(16)的y轴端口出射，进入光纤环形器(18)的2端口，从光纤环形器(18)的3端口出射，被光电探测器(17)接收到，之后探测数据被数据采集卡(12)采集到并保存；
数据采集卡(12)的采集频率与v2脉冲光的频率同步；数据采集卡(12)将采集反射光强的时域信号处理得到对应的每一个点的双折射频移信号，进而获取光纤上的压力信息。
2.高灵敏度分布式的横向压力传感器，其特征在于，它包括第一可调谐激光器(1)、第二可调谐激光器(3)、第三可调谐激光器(4)、第一掺铒光纤放大器(5)、第二掺铒光纤放大器(6)、信号发生器(7)、第一偏振控制器(8)、电光调制器(9)、光隔离器(10)、第二偏振控制器(11)、数据采集卡(12)、第三掺铒光纤放大器(13)、第三偏振控制器(14)、传感光纤(15)、偏振分束器(16)、光电探测器(17)、光纤环形器(18)和第四偏振控制器(19)；
第一可调谐激光器(1)输出频率为v0的连续激光，该束激光经过第一掺铒光纤放大器(5)放大，经过光隔离器(10)和第三偏振控制器(14)调节偏振态后，注入传感光纤(15)的+x轴；
第二可调谐激光器(3)输出频率为v1的连续激光，该束激光经过第二掺铒光纤放大器(6)放大，经过第二偏振控制器(11)调节偏振态后，进入偏振分束器(16)的x轴，然后从偏振分束器(16)合束端输出注入传感光纤(15)的-x轴；
其中频率v0与v1之间相差一个光纤布里渊频移ΔvB，即|v1-v0|＝ΔvB；
从+x轴、-x轴相对方向注入传感光纤(15)的两束激光在光纤中发生受激布里渊散射现象，形成布里渊动态光栅；
第三可调谐激光器(4)发出的频率为v2的连续激光，v2满足条件v2-v1＝ΔvBire，v2与v1之间的频差相差一个光纤的双折射频移ΔvBire，该束激光由第一偏振控制器(8)调节偏振态后进入被信号发生器(7)调制的电光调制器(9)中；电光调制器(9)将频率为v2的连续光调制成频率为v2的脉冲光；频率为v2的脉冲光经过第三掺铒光纤放大器(13)的功率放大后，再由第四偏振控制器(19)调节偏振态，经过光纤环形器(18)的1端口注入，由2端口射出，进入偏振分束器(16)的y轴端口；从偏振分束器(16)合束端口出来的v2脉冲光注入传感光纤(15)的y轴；
频率为v2的脉冲光读取频率v0与v1两束激光在传感光纤(15)中所形成的布里渊动态光栅的信息；布里渊动态光栅将v2脉冲光反射，被反射的v2脉冲光由偏振分束器(16)合束端口进入偏振分束器(16)；由于偏振态限制，反射光从偏振分束器(16)的y轴端口出射，进入光纤环形器(18)的2端口，从光纤环形器(18)的3端口出射，被光电探测器(17)接收到，之后探测数据被数据采集卡(12)采集到并保存；
数据采集卡(12)的工作触发信号由信号发生器(7)同步提供；数据采集卡(12)将采集反射光强的时域信号处理得到对应的每一个点的双折射频移信号，进而获取光纤上的压力信息。
3.根据权利要求1或2所述高灵敏度分布式的横向压力传感器，其特征在于，它还包括频率锁定模块(2)，频率锁定模块(2)设置在第一可调谐激光器(1)和第二可调谐激光器(3)之间，频率锁定模块(2)用于锁定两个激光器的频率差保持为ΔvB不变。
4.根据权利要求1或2所述高灵敏度分布式的横向压力传感器，其特征在于，第一可调谐激光器(1)和第二可调谐激光器(3)采用一台激光器代替，所述激光器采用微波调制的方式形成两束频率v0与v1的激光，两束激光频率之间相差一个光纤布里渊频移ΔvB。
5.根据权利要求1或2所述高灵敏度分布式的横向压力传感器，其特征在于，第一可调谐激光器(1)和第二可调谐激光器(3)采用分布反馈式半导体激光器DFB来实现。
6.根据权利要求1或2所述高灵敏度分布式的横向压力传感器，其特征在于，传感光纤(15)为熊猫型保偏光纤、椭圆纤芯保偏光纤或保偏光子晶体光纤。
7.根据权利要求2所述高灵敏度分布式的横向压力传感器，其特征在于，信号发生器(7)采用任意函数发生器或任意波形发生器来实现。
8.利用权利要求1或2所述高灵敏度分布式的横向压力传感器测量横向压力的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、调试横向压力传感器，并将横向压力传感器的传感光纤(15)放在可滑动平台(20)上，利用左右两个可旋转光纤夹具(23)将传感光纤(15)夹持住；
步骤二、不施加压力利用横向压力传感器测量一组传感光纤(15)的双折射频移信号，作为基准信号；
步骤三、将支撑光纤(24)放置于可滑动平台(20)上，支撑光纤(24)与传感光纤(15)分别位于可滑动平台(20)中间凹槽两侧的同一水平位置，用来和传感光纤(15)一起支撑玻璃平板(22)；
步骤四、在玻璃平板(22)上均衡施加压力，使传感光纤(15)待测段均匀受力；
步骤五、利用横向压力传感器测量一组施加压力情况下的传感光纤(15)的双折射频移信号；
步骤六、撤去玻璃平板(22)，将可滑动平台(20)沿底部滑槽由钢制支撑底座(21)的A侧向B侧横向移动，使传感光纤(15)落入可滑动平台(20)的中间凹槽里，令传感光纤(15)悬空；
步骤七、沿顺时针或逆时针方向同时转动两侧可旋转光纤夹具(23)的中间转轮使传感光纤(15)转动相同角度；在传感光纤(15)和支撑光纤(24)上重新加载玻璃平板(22)，均衡施加压力，使传感光纤(15)待测段均匀受力；再测量一组传感光纤(15)旋转后再受压力情况下的双折射频移信号；
步骤八，按照步骤七的方式，将传感光纤(15)以不同的角度旋转，每旋转一次测量一组传感光纤的双折射频移信号，分别与步骤三得到的基准信号做差，获得多组不同光纤转动角度对应的传感光纤(15)双折射频移变化差值；
步骤九，从步骤八获得的差值信号中找出变化幅值最大的一点，将其在不同光纤转动角度下获得的差值信号与对应的传感光纤(15)转动角度做拟合曲线，找到拟合曲线斜率绝对值最大时对应的光纤转动角度，此时得到光纤横向压力传感器的灵敏度最高；
步骤十，按照步骤七的方式将传感光纤(15)重新转动至步骤九找到灵敏度最高对应的角度，然后在玻璃平板(22)上施加不同压力，每施加一次压力，测量一组传感光纤(15)的双折射频移信号，并分别与步骤三得到的基础信号作差得到差值信号；
步骤十一，从步骤十获得的差值信号中找出变化幅值最大的一点，将其在施加不同压力情况下获得的差值信号与对应的施加在传感光纤(15)上的压力大小做拟合曲线，计算可获得该压力传感器的传感灵敏度。
9.根据权利要求8所述利用高灵敏度分布式的横向压力传感器测量横向压力的方法，其特征在于，步骤一利用左右两个可旋转光纤夹具(23)将传感光纤(15)夹持住的原则：光纤要拉直，不能产生弯曲；两个可旋转光纤夹具(23)调到同样的角度示数，以保证光纤在加持过程中不产生扭曲。
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