CN106092214A - 一种利用单模错位光纤同时测量温度和材料应变的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用单模错位光纤同时测量温度和材料应变的方法，所述方法包括如下步骤：a)选取三段单模光纤进行错位熔接，得到错位传感器；b)将所述错位传感器与光纤光栅熔接，进行温度标定和材料应变标定；c)采集错位传感器与光纤光栅的波长漂移量，拟合错位传感器与光纤光栅的波长漂移量随温度和材料应变变化量的关系曲线；d)利用步骤c)的关系曲线对待测环境中的温度和材料应变同时测量。本发明将错位传感器和光纤光栅熔接在一起，由于光纤光栅和错位干涉结构具有不同的温度和材料应变传感灵敏度，实现了同时对温度以及材料应变进行测量。

Description

一种利用单模错位光纤同时测量温度和材料应变的方法

技术领域

本发明涉及传感器测量技术领域，特别涉及一种利用单模错位光纤同时测量温度和材料应变的方法。

背景技术

全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。细芯光纤马赫-曾德光纤传感器结构简单且易于实现，该结构由一段细芯光纤熔接在两段芯径相对较粗的掺杂稀土光纤中，掺杂稀土光纤也被用作为传感器的增益介质。现有技术中，基于双芯光纤的马赫-曾德干涉仪，应用于温度和材料应变的测量，干涉条纹衬幅比约为10dBm，条纹间隔约为2nm。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。

纤芯错位就是光纤熔接时纤芯不匹配，根据纤芯失配原理，纤芯失配滤波器是一种结构特殊的马赫-曾德干涉仪。在单模-多模-单模(Single mode-Multi mode-Singlemode，SMS)结构，输入端单模光纤将入射光耦合入纤芯错位的单模光纤中，多模光纤调制后将入射光经由输出端单模光纤引出，光波模式沿光导纤维传输，在传输方向上会出现光强随多模光纤长度的改变而周期性变化的现象，甚至在多模光纤内出现与入射光场几乎相同的光场分布，这就是多模光纤中的模式干涉效应。由于在一根光纤就能实现多种模式之间的干涉，简化了光路，使结构更加紧凑，而且损耗低、不受外界干扰。但是单模-多模-单模结构的传感器对温度和材料应变的灵敏度与光纤光栅对温度和材料应变的灵敏度难以区别，在用于测量时难以实现温度和材料应变的同时测量。

因此，需要一种能有效地对温度和材料应变进行同时测量的一种利用单模错位光纤同时测量温度和材料应变的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用单模错位光纤同时测量温度和材料应变的方法，所述方法包括如下步骤：

a)选取三段单模光纤进行错位熔接，得到错位传感器；

b)将所述错位传感器与光纤光栅熔接，进行温度标定和材料应变标定；

c)采集错位传感器与光纤光栅的波长漂移量，拟合错位传感器与光纤光栅的波长漂移量随温度和材料应变变化量的关系曲线；

d)利用步骤c)的关系曲线对待测环境中的温度和材料应变同时测量。

优选地，所述温度标定的方法包括如下步骤：

(1)将熔接后的错位传感器与光纤光栅粘贴于材料表面，置于可控温度变化的环境中；

(2)以错位传感器与光纤光栅的波谷作为采样点，逐渐改变环境中温度的大小，同时改变环境中材料应变的大小，记录梳状谱移动的长度。

优选地，所述错位传感器与光纤光栅的波长漂移量随温度和材料应变变化量的关系曲线满足如下关系：

其中Δλ₁、Δλ₂分别为错位传感器和光纤光栅的波长漂移量；ΔT、Δε分别为温度和材料应变的变化量；K_T1、K_T2分别为错位传感器和光纤光栅的温度灵敏度；K_ε1、K_ε2分别为错位传感器和光纤光栅的材料应变灵敏度；D＝K_T1K_ε2-K_T2K_ε1。

优选地，所述温度灵敏度和所述材料应变灵敏度通过计算灵敏度曲线的斜率得到。

一种用于同时测量温度和材料应变方法的测量系统，所述测量系统依次连接泵浦光源、波分复用器、增益光纤、第一单模光纤、错位传感器、光纤光栅、第二单模光纤和光谱仪；

所述错位传感器由三段单模光纤错位熔接；所述错位传感器与所述光纤光栅熔接在一起用于对温度和材料应变进行同时测量。

优选地，所述增益光纤为一段掺杂稀土元素的光纤。

本发明将错位传感器和光纤光栅熔接在一起，由于光纤光栅和错位传感器具有不同的温度和材料应变传感灵敏度，错位传感器与光纤光栅在温度和材料应变改变的情况下产生不同的的波长漂移量，实现了同时对温度以及材料应变进行测量。

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示意性示出本发明利用单模错位光纤同时测量温度和材料应变的流程图；

图2示出了本发明三段单模光纤错位熔接的示意图；

图3示出了本发明一个实施例中错位传感器与光纤光栅熔接对温度和材料应变标定的示意图；

图4示出了本发明错位传感器的波长漂移示意图；

图5示出了本发明与光纤光栅的波长漂移示意图。

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。在下文实施例中，对本发明的一种利用单模错位光纤同时测量温度和材料应变的方法做详细说明的过程中，一些相关的技术术语应当是本领域技术人员所能够理解的。

为了清楚的说明本发明的内容，在如下实施例中给出了本发明利用单模错位光纤同时测量温度和材料应变的具体流程。如图1所示本发明利用单模错位光纤同时测量温度和材料应变的流程图，具体地，利用单模错位光纤同时测量温度和材料应变的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S101：熔接错位传感器，选取三段单模光纤进行错位熔接，得到错位传感器；

步骤S102：温度和材料应变标定，将所述错位传感器与光纤光栅熔接，进行温度标定和材料应变标定；

步骤S103：拟合曲线，采集错位传感器与光纤光栅的波长漂移量，拟合错位传感器与光纤光栅的波长漂移量随温度和材料应变变化量的关系曲线；

步骤S104：温度和材料应变同时测量，利用步骤S103的关系曲线对待测环境中的温度和材料应变同时测量。

错位传感器的熔接

如图2所示本发明三段单模光纤错位熔接的示意图100，首先选取三段单模光纤，所述单模光纤包括包层和纤芯，光路传播过程中由于纤芯错位实现模间干涉。将选取的三段单模光纤其中的第一段单模光纤101与第二段单模光纤102进行错位熔接。优选地，选择手动调节熔接机参数，固定上述第一段单模光纤101，对第二段单模光纤102错位调节后，通过放电熔接完成两段单模光纤的熔接。同样地，采用相同的步骤固定第三段单模光纤103，对熔接好的第一段单模光纤101和第二段单模光纤102进行熔接，手动调节熔接机参数，通过放电完成三段单模光纤的熔接。本实施例中，优选三段单模光纤长度一致。

温度和材料应变的标定

将错位熔接好的三段单模光纤作为错位传感器与光纤光栅进行熔接。如图3所示本发明一个实施例中错位传感器与光纤光栅熔接对温度和材料应变标定的示意图200，搭建测量系统，所述测量通过光纤204系统依次连接泵浦光源201、波分复用器202、增益光纤203、第一单模光纤205、错位传感器206、光纤光栅208、第二单模光209纤、光谱仪210和温度控制器207。其中，错位传感器为上述三段单模光纤错位熔接得到。错位传感器206与光纤光栅208粘贴在材料211表面，置于可以控制温度变化的环境中。在一些实施例中，增益光纤203优选掺杂稀土元素的光纤。

将所述错位传感器206与所述光纤光栅208熔接在一起，粘贴在材料211表面，置于温度可控的环境中对温度的变化量与材料应变的变化量进行标定，本实施例中，对材料应变的变化采取对材料211两端施加一定的力N进行拉伸的方式，具体地，标定过程的步骤如下：

步骤1：将熔接后的错位传感器206与光纤光栅208粘贴在材料211表面置于可控温度变化环境中；

步骤2：以错位传感器206与光纤光栅208的波谷作为采样点，逐渐改变环境中温度的大小，同时改变环境中材料211进行拉伸强度，改变材料应变的大小，记录梳状谱移动的长度。

在上述标定过程中，环境中的温度通过温度控制器207对环境的温度逐渐增加，同时逐渐增强环境中材料的拉伸强度的。应当理解的是，在一些实施例中，对于标定过程中可以选择逐渐降低环境中的温度大小和材料的拉伸强度、增加环境中温度的大小同时降低材料的拉伸强度、降低环境中温度的大小同时增加材料的拉伸强度多种方式的一种或多种。在另一些实施例中，材料211可选择对材料进行压缩或弯曲从而改变材料的应变大小。

在本发明中，由于错位传感器和光纤光栅具有不同的温度和材料应变传感灵敏度，错位传感器与光纤光栅在温度和材料应变改变的情况下产生不同的的波长漂移量。

本实施例中，通过对温度和材料应变改变的情况下采集到错位传感器与光纤光栅的波长漂移量，进而拟合用于测量温度和材料应变同时变化的曲线。本实施例的下文中，具体说明曲线拟合的方法。

曲线的拟合

在本实施例上述过程中，对温度和材料应变的改变进行记录，得到温度的变化量ΔT；材料应变的变化量Δε。如图4所示本发明错位传感器的波长漂移示意图，如图5所示本发明光纤光栅的波长漂移示意图，采集记录的梳状谱移动的长度，得到错位传感器的波长漂移量Δλ₁；光纤光栅的波长漂移量Δλ₂。

计算灵敏度曲线的斜率，得到错位传感器和光纤光栅的温度灵敏度K_T1、K_T2；错位传感器和光纤光栅的材料应变灵敏度K_ε1、K_ε2。经过矩阵计算得到错位传感器和光纤光栅的波长漂移量满足如下关系：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{K}_{T1}& K_{\mathrm{\ϵ}1}\\ K_{T2}& K_{\mathrm{\ϵ}2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}T\\ \mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}\end{array}\right]---\left(1\right)$

对上述公式(1)得到关系进行矩阵转置计算得到：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}T\\ \mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}\end{array}\right]=\frac{1}{D}\left[\begin{array}{cc}{K}_{\mathrm{\ϵ}2}& -K_{\mathrm{\ϵ}1}\\ -K_{T2}& K_{T1}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，其中Δλ₁、Δλ₂分别为错位传感器和光纤光栅的波长漂移量；ΔT、Δn分别为温度和材料应变的变化量；K_T1、K_T2分别为错位传感器和光纤光栅的温度灵敏度；K_ε1、K_ε2分别为错位传感器和光纤光栅的材料应变灵敏度；D＝K_T1K_ε2-K_T2K_ε1。

温度和材料应变的同时测量

本实施例以温度和材料应变均变化的环境中说明本发明的温度和材料应变的同时测量。将所述测量系统的错位传感器与光纤光栅粘贴在应变变化的材料表面，并置于温度变化的环境中，以错位传感器与光纤光栅的波谷作为采样点，记录梳状谱移动的长度，从而得到错位传感器与光纤光栅的波长漂移量。这里以错位传感器波长漂移量Δλ₁为例，光纤光栅传感器波长漂移量Δλ₂为例。

由公式直接读取温度和材料应变的变化量，从而实现温度和材料应变的同时测量。

本发明将错位传感器和光纤光栅熔接在一起，由于光纤光栅和错位传感器具有不同的温度和材料应变传感灵敏度，错位传感器与光纤光栅在温度和材料应变改变的情况下产生不同的的波长漂移量，实现同时对温度以及材料应变进行测量。

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 (6)

1.一种利用单模错位光纤同时测量温度和材料应变的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

a)选取三段单模光纤进行错位熔接，得到错位传感器；

b)将所述错位传感器与光纤光栅熔接，进行温度标定和材料应变标定；

c)采集错位传感器与光纤光栅的波长漂移量，拟合错位传感器与光纤光栅的波长漂移量随温度和材料应变变化量的关系曲线；

d)利用步骤c)的关系曲线对待测环境中的温度和材料应变同时测量。

2.根据权利要求1所述的同时测量温度和材料应变的方法，其特征在于，所述标定方法包括如下步骤：

(1)将熔接后的错位传感器与光纤光栅粘贴在材料表面，置于可控温度变化的环境中；

(2)以错位传感器与光纤光栅的波谷作为采样点，逐渐改变环境中温度的大小，同时改变材料应变的大小，记录梳状谱移动的长度。

3.根据权利要求1所述的同时测量温度和材料应变的方法，其特征在于，所述错位传感器与光纤光栅的波长漂移量随温度和材料应变变化量的关系曲线满足如下关系：

其中Δλ₁、Δλ₂分别为错位传感器和光纤光栅的波长漂移量；ΔT、Δε分别为温度和材料应变的变化量；K_T1、K_T2分别为错位传感器和光纤光栅的温度灵敏度；K_ε1、K_ε2分别为错位传感器和光纤光栅的材料应变灵敏度；D＝K_T1K_ε2-K_T2K_ε1。

4.根据权利要求3所述的同时测量温度和材料应变的方法，其特征在于，所述温度灵敏度和所述材料应变灵敏度通过计算灵敏度曲线的斜率得到。

5.一种用于权利要求1-4任一权利要求所述方法的测量系统，其特征在于，所述测量系统依次连接泵浦光源、波分复用器、增益光纤、第一单模光纤、错位传感器、光纤光栅、第二单模光纤和光谱仪；

所述错位传感器由三段单模光纤错位熔接；所述错位传感器与所述光纤光栅熔接在一起用于对温度和材料应变进行同时测量。

6.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述增益光纤为一段掺杂稀土元素的光纤。