CN105823429B - 一种利用光纤萨格纳克干涉仪测量应变的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用光纤萨格纳克干涉仪测量应变的方法，所述方法包括如下步骤：a)搭建级联Sagnac干涉仪测量系统，所述系统包括宽带光源泵浦源、第一掺杂稀土元素光纤、第二掺杂稀土元素光纤、一支波分复用器、第一光耦合器、第二光耦合器、第一光纤Sagnac环、隔离器、第二光纤Sagnac环、光谱仪；b)将第一光纤Sagnac环和第二光纤Sagnac环与可控应变的应变材料贴合，进行应变标定；c)逐渐增加应变的大小，光谱仪采集第二光纤Sagnac环输出的光谱，记录梳状谱移动的长度，拟合梳状谱波长偏移随应变变化的关系曲线；d)将标定好的应变测量系统与待测应变材料进行贴合；e)利用所拟合的梳状谱波长偏移随应变变化的关系曲线对待测应变材料进行测量。

Description

一种利用光纤萨格纳克干涉仪测量应变的方法

技术领域

本发明涉及光纤干涉领域，特别涉及一种利用光纤萨格纳克干涉仪测量应变的方法。

背景技术

通常，光纤化的传感器具有结构紧凑、使用寿命长、对测试量敏感、传输信道多等优势广泛地应用于光纤传感、光纤通信、光学加工等领域。通过光纤端面微加工技术或搭建具有干涉结构的全光纤传感器，在泵浦源作用下，输出具有梳状谱图样的干涉谱曲线。2011年范林勇等人设计了一种基于双芯光纤的马赫-曾德干涉仪，应用于磁场、温度和应变量的测量，干涉条纹衬幅比约为10dBm，条纹间隔约为2nm。2013年邹卉等人用两支3dB耦合器制成马赫-曾德干涉系统，结合双芯光纤，构成双级结构的马赫-曾德干涉仪，条纹衬幅比约为30dBm。光纤马赫-曾德干涉仪具有结构简单、条纹衬比度高、梳状谱密集等优势，常被用于光纤传感领域。

按照物理学定义，物体由于受力的变化而发生变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外力的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。应力会随着外力的增加而增长，对于某一种材料，应力的增长是有限度的，超过这一限度，材料就要破坏。对某种材料来说，应力可能达到的这个限度称为该种材料的极限应力。材料要想安全使用，在使用时其内的应力应低于它的极限应力，否则材料就会在使用时发生破坏。因此在工程上，测量材料的应力是一项非常重要的物理指标。应变测量常见的方法是应变电测法，是通过电阻应变片测出构件表面的应变后，根据应力、应变的关系来确定构件表面应力状态的一种实验应力的分析方法。然而，此种方法测量应变的精度并不是很高，不能满足一些高精度场合的需求。

级联Sagnac干涉仪结构简单且易于实现，该结构由两个光纤Sagnac环组成熔接在两段掺杂稀土元素光纤中，掺杂稀土光纤也被用作为传感器的增益介质。因此，需要一种能有利用基于级联Sagnac干涉仪精确测量应变大小的系统和方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用光纤萨格纳克干涉仪测量应变的方法，在一个方面，本发明所述的测量方法包括如下步骤：

a)搭建级联Sagnac干涉仪测量系统，所述系统包括依次连接的宽带光源泵浦源、第一掺杂稀土元素光纤、第二掺杂稀土元素光纤、一支波分复用器、第一光纤Sagnac环、隔离器、第二光纤Sagnac环、光谱仪；

b)将第一光纤Sagnac环和第二光纤Sagnac环与可控应变的应变材料贴合，进行应变标定；

c)逐渐增加应变的大小，光谱仪采集第二光纤Sagnac环输出的光谱，记录梳状谱移动的长度，拟合梳状谱波长偏移随应变变化的关系曲线；

d)将标定好的应变测量系统与待测应变材料进行贴合；

e)利用所拟合的梳状谱波长偏移随应变变化的关系曲线对待测应变材料进行测量。

在一个方面，所述的测量方法，所述第一光纤Sagnac环包括保偏光纤、偏振控制器，所述第二光纤Sagnac环包括保偏光纤、偏振控制器；所述第一光纤Sagnac环与第一掺杂稀土元素光纤通过第一光耦合器连接，所述第二光纤Sagnac环与第二掺杂稀土元素光纤通过第二光耦合器连接。

在一个方面，所述的测量方法，经过所述第一光纤Sagnac环射出的光进入第二光纤Sagnac环进行二次过滤。

在一个方面，所述的测量方法，所述步骤a)中连接方式为熔接连接。

在一个方面，所述的测量方法，所述步骤c)中增加应变大小的方法为拉伸、弯曲、振动或挤压。

在一个方面，所述的测量方法，所述掺杂稀土元素光纤作为光纤传感器的增益介质。

在一个方面，所述的测量方法，所述的波分复用器对泵浦光进行耦合，所述耦合后的泵浦光进入所述掺杂光纤。

在一个方面，所述的测量方法，所述的梳状谱波长偏移随应变变化的关系曲线通过线性拟合或者最小二乘法进行拟合。

在一个方面，所述的测量方法，所述第一Sagnac环中所述的保偏光纤长度为2m，所述第二Sagnac环中所述的保偏光纤长度为1m。

在另一个方面，本发明提供了一种用于所述应变测量方法的级联Sagnac干涉仪测量系统，所述测量系统包括依次连接的宽带光源泵浦源、一支波分复用器、第一掺杂稀土元素光纤、第一光耦合器、第一光纤Sagnac环、第二光耦合器、第二光纤Sagnac环、第二掺杂稀土元素光纤、光谱仪；所述第一光纤Sagnac环包括保偏光纤、偏振控制器、隔离器，所述第二光纤Sagnac环包括保偏光纤、偏振控制器、隔离器；所述第一光纤Sagnac环与第一掺杂稀土元素光纤通过第一光耦合器连接，所述第二光纤Sagnac环与第二掺杂稀土元素光纤通过第二光耦合器连接。

根据本发明利用基于级联Sagnac干涉仪的应变测量方法可以精确测量应变，所搭建的光纤激光器结构小巧简单，测量精度高，便携性好，易于在多种场合应用。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出本发明级联Sagnac干涉仪应变测量系统；

图2示出了本发明级联Sagnac环的工作原理；

图3示出了本发明梳状谱波长偏移随应变变化的波形图；

图4示出了本发明梳状谱波长偏移随应变变化的曲线。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

本发明提供了一种利用光纤萨格纳克干涉仪测量应变的方法，本实施例中，如图1所示级联Sagnac干涉仪应变测量系统，所述的级联Sagnac干涉仪测量系统，包括依次连接的宽带光源泵浦源101、一支波分复用器102、第一掺杂稀土元素光纤103、第一光纤Sagnac环104、隔离器105、第二光纤Sagnac环106、第二掺杂稀土元素光纤107、光谱仪108；级联Sagnac干涉仪第一光纤Sagnac环104包括保偏光纤109a、偏振控制器110a，第二光纤Sagnac环106包括保偏光纤109b、偏振控制器110b。第一光纤Sagnac环104与第一掺杂稀土元素光纤103通过第一光耦合器111连接，第二光纤Sagnac环106与第二掺杂稀土元素光纤107通过第二光耦合器112连接。第一光纤Sagnac环104中，保偏光纤109a长度为1.5m-2.5m，优选2m；第二光纤Sagnac环106中，保偏光纤109b长度为0.5m-1.5m，优选1m。宽带光源泵浦源101发出的光经过波分复用器102与光纤中的光耦合成一束，通过第一掺杂稀土元素光纤103后进入第一光纤Sagnac环104中分成两束光进行干涉，干涉后的光经过第一光耦合器111后进入到第二光纤Sagnac环106中分成两束光进行干涉，干涉后的光经过第二光耦合器112后进入第二掺杂稀土元素光纤107，通过光谱仪108采集光信号。第一光纤Sagnac环104与第二光纤Sagnac环106之间布置的隔离器105保证了光沿一个方向的传播。下面具体描述光在传输过程的中的原理：

图2所示级联Sagnac环的工作原理，光通过第一掺杂稀土元素光纤203进入第一光纤Sagnac环204中的光被分为两束。在第一光纤Sagnac环中偏振控制器210a和保偏光纤209a保证线偏振方向不变。第一光纤Sagnac环204的透射率可以表示为：

其中θ1为透过保偏光纤后的偏振角度，θ2为透过偏振控制器后的偏振角度，β是Sagnac环的传播常数,L为保偏光纤的长度，Δn为双折射率。经过所述第一光纤Sagnac环204射出的光通过第一耦合器211后进入第二光纤Sagnac环206进行二次过滤，偏振控制器210b和保偏光纤209b保证线偏振方向不变，透射强度Iout表示为:

β＝2πLΔn/λ, (3)

其中t1和t2为Sagnac环的透射率，射出的光通过第二耦合器212耦合，经第二掺杂稀土元素光纤207后由光谱仪采集输出的梳状谱。第一光纤Sagnac环204与第二光纤Sagnac环206之间布置的隔离器205保证了光沿一个方向的传播。采集的梳状谱中，相邻峰值的波长间隔与中心波长、偏振态、光纤长度有关。应用该梳状谱进行传感测试，当干涉仪受到外界影响导致两臂光程差发生改变时，干涉梳状谱发生变化，干涉条纹产生移动。

下面具体描述本实施例中利用光纤萨格纳克干涉仪测量应变的方法：具体步骤如下：搭建级联Sagnac干涉仪测量系统，所述系统包括依次通过熔接的方式连接的宽带光源泵浦源101、一支波分复用器102、第一掺杂稀土元素光纤103、第一光纤Sagnac环104、隔离器105、第二光纤Sagnac环106、第二掺杂稀土元素光纤107、光谱仪108；级联Sagnac干涉仪第一光纤Sagnac环104包括保偏光纤109a、偏振控制器110a，第二光纤Sagnac环106包括保偏光纤109b、偏振控制器110b。第一光纤Sagnac环104与第一掺杂稀土元素光纤103通过第一光耦合器111连接，第二光纤Sagnac环106与第二掺杂稀土元素光纤107通过第二光耦合器112连接。将第一光纤Sagnac环104和第二光纤Sagnac环106与可控应变的应变材料113贴合，选取环氧树脂(Epoxy Resin)或丙烯酸酯作为胶粘剂，以胶粘方式分别将第一光纤Sagnac环104和第二光纤Sagnac环106固定在材料113的表面上，进行应变标定。通过应变控制器114在外加力的条件下对材料113拉伸、弯曲、振动或挤压，优选地，本实施例中采用对材料进行拉伸，逐渐增加应变材料应变的大小引起干涉仪偏振态发生相应变化从而导致梳状谱发生红移或蓝移，随着拉伸长度的增加，即轴向微应力增大，梳状滤波器的传输谱向短波方向移动。光谱仪108采集第二光纤Sagnac环106输出的梳状谱，如图3所示梳状谱波长偏移随应变变化的波形图，记录梳状谱移动的长度，拟合梳状谱波长偏移随应变变化的曲线，如图4所示梳状谱波长偏移随应变变化的曲线，曲线拟合可采用线性拟合，如公式5所示。

y＝ax+b (5)

曲线拟合也可采用最小二乘拟合，由下述等式(6)和(7)可推出拟合曲线。

解方程组，求出a₀和a₁，就可构造出满足平方逼近条件的逼近函数。

f(x)＝a₀+a₁x (8)。

将标定好的应变测量系统与待测应变材料进行贴合。利用所拟合的梳状谱波长偏移随应变变化曲线对待测应变材料进行测量。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种利用光纤萨格纳克干涉仪测量应变的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

a)搭建级联Sagnac干涉仪测量系统，所述系统包括依次通过熔接的方式连接的宽带光源泵浦源、一支波分复用器、第一掺杂稀土元素光纤、第一光纤Sagnac环、隔离器、第二光纤Sagnac环、第二掺杂稀土元素光纤、光谱仪；所述第一光纤Sagnac环与第一掺杂稀土元素光纤通过第一光耦合器连接，所述第二光纤Sagnac环与第二掺杂稀土元素光纤通过第二光耦合器连接，其中，宽带光源泵浦源发出的光经过波分复用器与光纤中的光耦合成一束，通过第一掺杂稀土元素光纤后进入第一光纤Sagnac环中分成两束光进行干涉，干涉后的光经过第一光耦合器后进入到第二光纤Sagnac环中分成两束光进行干涉，干涉后的光经过第二光耦合器后进入第二掺杂稀土元素光纤，通过光谱仪采集光信号；

b)将第一光纤Sagnac环和第二光纤Sagnac环与可控应变的应变材料贴合，选取环氧树脂或丙烯酸酯作为胶粘剂，以胶粘方式分别将第一光纤Sagnac环和第二光纤Sagnac环固定在材料的表面上，进行应变标定；

c)逐渐增加应变的大小，光谱仪采集第二光纤Sagnac环输出的光谱，记录梳状谱移动的长度，拟合梳状谱波长偏移随应变变化的关系曲线；

d)将标定好的应变测量系统与待测应变材料进行贴合；

e)利用所拟合的梳状谱波长偏移随应变变化的关系曲线对待测应变材料进行测量。

2.根据权利要求1所述的测量应变的方法，其特征在于，所述第一光纤Sagnac环包括保偏光纤、偏振控制器，所述第二光纤Sagnac环包括保偏光纤、偏振控制器；所述第一光纤Sagnac环与第一掺杂稀土元素光纤通过第一光耦合器连接，所述第二光纤Sagnac环与第二掺杂稀土元素光纤通过第二光耦合器连接。

3.根据权利要求1或2所述的测量应变的方法，其特征在于，经过所述第一光纤Sagnac环射出的光进入第二光纤Sagnac环进行二次过滤。

4.根据权利要求1所述的测量应变的方法，其特征在于，步骤a)中所述连接为熔接方式。

5.根据权利要求1所述的测量应变的方法，其特征在于，步骤c)中所述的增加应变大小的方法为拉伸、弯曲、振动或挤压。

6.根据权利要求1所述的测量应变的方法，其特征在于，所述掺杂稀土元素光纤作为光纤传感器的增益介质。

7.根据权利要求1所述的测量应变的方法，其特征在于，所述的波分复用器对泵浦光进行耦合，所述耦合后的泵浦光进入所述掺杂光纤。

8.根据权利要求1所述的测量应变的 方法，其特征在于，所述的梳状谱波长偏移随应变变化的关系曲线通过线性拟合或者最小二乘法进行拟合。

9.根据权利要求2所述的测量应变的方法，其特征在于，所述第一光纤Sagnac环中所述的保偏光纤长度为1.5m-2.5m，所述第二光纤Sagnac环中所述的保偏光纤长度为0.5m-1.5m。

10.一种用于权利要求1所述应变测量方法的级联Sagnac干涉仪测量系统，其特征在于，所述测量系统包括依次连接的宽带光源泵浦源、一支波分复用器、第一掺杂稀土元素光纤、第一光耦合器、第一光纤Sagnac环、隔离器、第二光耦合器、第二光纤Sagnac环、第二掺杂稀土元素光纤、光谱仪；所述第一光纤Sagnac环包括保偏光纤、偏振控制器，所述第二光纤Sagnac环包括保偏光纤、偏振控制器；所述第一光纤Sagnac环与第一掺杂稀土元素光纤通过第一光耦合器连接，所述第二光纤Sagnac环与第二掺杂稀土元素光纤通过第二光耦合器连接。