CN106568580A - 保偏光纤的轴向应变‑双折射系数的测量系统及测量和计算方法 - Google Patents

保偏光纤的轴向应变‑双折射系数的测量系统及测量和计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种保偏光纤的轴向应变‑双折射系数的测量系统及测量和计算方法，所述系统包括：分布式偏振串扰分析系统、输出保偏光纤、待测保偏光纤、输入保偏光纤、第一光纤应力调节架、第二光纤应力调节架、带指针的第一读数显微镜、带指针的第二读数显微镜；分布式偏振串扰分析系统的输出端口与所述输出保偏光纤的第一端连接；所述输入保偏光纤的第二端与所述分布式偏振串扰分析系统的输入端口连接；输出保偏光纤的第二端与所述待测保偏光纤的第一端连接，且在输出保偏光纤与所述待测保偏光纤的连接处引入第一预设串扰峰；所述待测保偏光纤的第二端与所述输入保偏光纤的第一端连接，且在待测保偏光纤与输入保偏光纤的连接处引入第二预设串扰峰。

Description

保偏光纤的轴向应变-双折射系数的测量系统及测量和计算 方法
技术领域
本发明涉及保偏光纤参数测量领域，特别涉及一种保偏光纤的轴向应变-双折射系数的测量系统及测量和计算方法。
背景技术
保偏光纤(又称偏振保持光纤)是一种人为引入高双折射的特种光纤，通常是通过在光纤包层中加入应力区制成的，使得光纤纤芯在横向两个相互正交的方向上具有不同的折射率，其中折射率高的称作慢轴、折射率低的称作快轴，使得光纤中沿两个方向传输的线偏振光波的偏振态在传输过程中可以保持不变。保偏光纤具有抗电磁干扰和原子辐射的物理性能，具有径细、质软、重量轻的机械性能，具有绝缘、无感应的电气性能，还具有耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等。经过多年的发展，已经出现了一些典型结构的商用化保偏光纤产品。现在市场上的主流保偏光纤均为应力致偏型的高双折射保偏光纤，主要结构有熊猫型保偏光纤、领结型保偏光纤、椭圆包层型保偏光纤等。
应力致偏型保偏光纤的双折射的形成原因是因为应力区和包层区的材料不同所具有的不同的热膨胀系数，在光纤制作过程中，由于材料从高温到低温冷却所需的时间不同，导致纤芯出现双折射。因此，双折射也自然成为保偏光纤自身最重要的参量。如今，保偏光纤在光纤传感、光纤激光和相干光通信等领域已经得到了较广泛的应用。
目前，保偏光纤在光纤传感上的应用主要是基于偏振串扰(也叫偏振模耦合)分析原理实现分布式光纤传感。当保偏光纤上某点受到横向压力作用时，两个正交偏振主轴上的光波会发生能量交换，通过测量和分析两个偏振主轴上光波到达接收端的延时差及串扰量值即可得到压力发生的位置和大小等信息。然而，目前对于保偏光纤分布式轴向应变传感的研究较少，主要是因为轴向应变不容易引起偏振模耦合，需要通过研究得到合理的转换方法将轴向应变有效转换为横向压力才能实现对轴向应变的准确传感。而在分布式轴向应变传感研究中，除了研究轴向应变向横向压力的有效转换外，研究保偏光纤的折射率随轴向应变的变化关系也是至关重要的，也就是说保偏光纤轴向应变-双折射系数的测量准确性直接会影响到轴向应变传感的精度和准确性。
轴向应变引起保偏光纤双折射变化的原因是因为应力区和包层区材料不同而具有的泊松比不同，当保偏光纤发生轴向应变时，两部分材料泊松比将表现出不同的变化规律，从而产生附加双折射，导致保偏光纤的双折射发生变化。
截止目前，国内外对于保偏光纤轴向应变-双折射系数测量的文献鲜有报道，主要是因为还没有有效和可以准确进行该系数测量的技术被提出或应用。已提出的一些可以进行保偏光纤双折射测量并有望用来进行保偏光纤轴向应变-双折射系数测量的方法基本上都不能实现对某一段特定的保偏光纤进行该参数的测量，因为这些方法须将待测光纤接入(通常是跳线连接或者熔接)测量系统后通过拉伸测量和计算该系数，处理过程中却不能将待测光纤两边接入的光纤跳线或尾纤、光纤夹具等带入的误差排除掉。
发明内容
本发明提供了一种保偏光纤的轴向应变-双折射系数的测量系统及测量和计算方法，能够提高保偏光纤的轴向应变-双折射系数的计算的准确度。
一种保偏光纤的轴向应变-双折射系数的测量系统，包括：
分布式偏振串扰分析系统、输出保偏光纤、待测保偏光纤、输入保偏光纤、第一光纤应力调节架、第二光纤应力调节架、带指针的第一读数显微镜、带指针的第二读数显微镜；
所述分布式偏振串扰分析系统的输出端口与所述输出保偏光纤的第一端连接；所述输入保偏光纤的第二端与所述分布式偏振串扰分析系统的输入端口连接；
所述输出保偏光纤的第二端与所述待测保偏光纤的第一端连接，且在所述输出保偏光纤与所述待测保偏光纤的连接处引入第一预设串扰峰；所述待测保偏光纤的第二端与所述输入保偏光纤的第一端连接，且在所述待测保偏光纤与所述输入保偏光纤的连接处引入第二预设串扰峰；
所述待测保偏光纤与所述输出保偏光纤的连接处设置有第一应变量测量监测点；所述待测保偏光纤与所述输入保偏光纤的连接处设置有第二应变量测量监测点；
所述第一光纤应力调节架和所述第二光纤应力调节架分别设置在所述待测保偏光纤的两侧，用于对所述待测保偏光纤进行轴向拉伸；
所述带指针的第一读数显微镜的指针指向所述第一应变量测量监测点，用于读取所述第一应变量测量监测点的轴向位移变化量；
所述带指针的第二读数显微镜的指针指向所述第二应变量测量监测点，用于读取所述第二应变量测量监测点的轴向位移变化量；
所述分布式偏振串扰分析系统，用于测量得到所述待测保偏光纤上的第一预设串扰峰和第二预设串扰峰之间的初始延迟距离差ΔZ0。
一种保偏光纤的轴向应变-双折射系数的测量及计算方法，所述方法包括：
步骤1，计算得到待测保偏光纤的原始双折射Δn0；
步骤2，利用第一光纤应力调节架和第二光纤应力调节架，对所述待测保偏光纤进行至少两次轴向拉伸，从而得到至少两组所述待测保偏光纤轴向应变后的双折射Δn和对应的轴向应变量Δε的数据；
步骤3，依据至少两组所述待测保偏光纤的双折射Δn和对应的轴向应变量Δε的数据以及所述待测保偏光纤的原始双折射Δn0，生成双折射变化量δΔn与轴向应变量Δε之间的关系曲线图，并对所述关系曲线图进行最小二乘法直线拟合，生成拟合直线方程；
步骤4，依据所述拟合直线方程，得到所述待测保偏光纤的轴向应变-双折射系数γ。
本发明提供的系统和方法，可以对任意保偏光纤的轴向应变-双折射系数进行准确测量，最大程度减少了引入其他连接光纤或系统组件可能引起的测量误差的可能性。
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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的基于分布式偏振串扰分析原理进行保偏光纤轴向应变-双折射系数的测量系统示意图，其中：101、分布式偏振串扰分析系统，102、输出保偏光纤，103、待测保偏光纤，104、输入保偏光纤，105、第一光纤应力调节架，106、第二光纤应力调节架，107、带指针的第一读数显微镜，108、带指针的第二读数显微镜，109、第一应变量测量监测点，110、第二应变量测量监测点；
图2为本发明中分布式偏振串扰分析系统及工作原理示意图，其中：201、超辐射发光二极管，202、起偏振，203、检偏器，204、入射光接口，205、出射光接口，206、保偏光纤，207、静反射镜，208、动反射镜，209、分束镜，210、光电探测器，211、数据采集卡，212、计算机处理系统，213、伺服电机；
图3为本发明中测量得到的分布式偏振串扰量(dB)-延迟距离(mm)关系曲线图，其中：301、第一预设串扰峰，302、第二预设串扰峰；
图4为本发明中带指针的第一读数显微镜107视野区图，其中：109、第一应变量测量监测点，401、读数显微镜指针；
图5为本发明所述的保偏光纤轴向应变-双折射系数测量实验数据的测量及计算方法的一实施例的流程图；
图6为本发明所述的保偏光纤轴向应变-双折射系数测量实验数据的测量及计算方法的另一实施例的流程图；
图7为本发明中熊猫型保偏光纤横截面示意图；
图8为本发明中熊猫型保偏光纤轴向应变-双折射系数测量结果图；
图9为本发明中领结型保偏光纤横截面示意图；
图10为本发明中领结型保偏光纤轴向应变-双折射系数测量结果图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
以下结合图1-图10来描述本发明。
如图1所示，为本发明所述的一种保偏光纤的轴向应变-双折射系数的测量系统，包括：
分布式偏振串扰分析系统101、输出保偏光纤102、待测保偏光纤103、输入保偏光纤104、第一光纤应力调节架105、第二光纤应力调节架106、带指针的第一读数显微镜107、带指针的第二读数显微镜108.
所述分布式偏振串扰分析系统101的输出端口与所述输出保偏光纤102的第一端连接；所述输入保偏光纤104的第二端与所述分布式偏振串扰分析系统101的输入端口连接；
所述输出保偏光纤102的第二端与所述待测保偏光纤103的第一端连接，且在所述输出保偏光纤102与所述待测保偏光纤103的连接处引入第一预设串扰峰；所述待测保偏光纤103的第二端与所述输入保偏光纤104的第一端连接，且在所述待测保偏光纤102与所述输入保偏光纤104的连接处引入第二预设串扰峰；
所述待测保偏光纤103与所述输出保偏光纤102的连接处设置有第一应变量测量监测点；所述待测保偏光纤103与所述输入保偏光纤104的连接处设置有第二应变量测量监测点；
所述第一光纤应力调节架105和所述第二光纤应力调节架106分别设置在所述待测保偏光纤的两侧，用于对所述待测保偏光纤103进行轴向拉伸；
所述带指针的第一读数显微镜107的指针指向所述第一应变量测量监测点，用于读取所述第一应变量测量监测点的轴向位移变化量；
所述带指针的第二读数显微镜的指针108指向所述第二应变量测量监测点，用于读取所述第二应变量测量监测点的轴向位移变化量；
所述分布式偏振串扰分析系统101，用于测量得到所述待测保偏光纤103上的第一预设串扰峰和第二预设串扰峰之间的初始延迟距离差ΔZ0。
所述待测保偏光纤103与所述输出保偏光纤102的连接处设置有第一应变量测量监测点具体为：所述待测保偏光纤103与所述输出保偏光纤102使用保偏光纤熔接机进行熔接连接后，使用光纤涂覆机进行重涂覆，生成的新涂覆层的左侧边界作为第一应变量测量监测点；
所述待测保偏光纤103与所述输入保偏光纤104的连接处设置有第二应变量测量监测点具体为：所述待测保偏光纤104与所述输入保偏光纤104使用保偏光纤熔接机进行熔接连接后，使用光纤涂覆机进行重涂覆，生成的新涂覆层的左侧边界作为第二应变量测量监测点。
所述输出保偏光纤102与所述待测保偏光纤103的连接处引入第一预设串扰峰具体为：所述输出保偏光纤102通过与所述待测保偏光纤103熔接连接后引入第一预设串扰峰；
所述待测保偏光纤103与所述输入保偏光纤104的连接处引入第二预设串扰峰具体为：所述待测保偏光纤通过与所述输入保偏光纤熔接连接后引入第二预设串扰峰；
所述分布式偏振串扰分析系统101还用于，测量所述第一预设串扰峰和所述第二预设串扰峰之间的延迟距离差ΔZ。
所述分布式偏振串扰分析系统101的输出端口与所述输出保偏光纤102的第一端连接具体为：所述分布式偏振串扰分析系统的输出端口与所述输出保偏光纤的第一端通过光纤连接器连接；
所述输入保偏光纤104的第二端与所述分布式偏振串扰分析系统101的输入端口连接具体为：所述输入保偏光纤的第二端与所述分布式偏振串扰分析系统的输入端口通过光纤连接器连接。
以下描述本发明的系统的另一实施例。
本发明提供一套实验数据测量系统，包括分布式偏振串扰分析系统101、输出保偏光纤102、待测保偏光纤103、输入保偏光纤104、第一光纤应力调节架105、第二光纤应力调节架106、带指针的第一读数显微镜107、带指针的第二读数显微镜108；
所述分布式偏振串扰分析系统101的输出端口与所述输出保偏光纤102一端通过光纤连接器连接；所述输出保偏光纤102另一端与待测保偏光纤103一端使用保偏光纤熔接机进行熔接连接；所述待测保偏光纤103另一端与所述输入保偏光纤104一端使用保偏光纤熔接机进行熔接连接；所述输入保偏光纤104另一端与所述分布式偏振串扰分析系统101的输入端口通过光纤连接器连接；
所述输出保偏光纤102与待测保偏光纤103熔接连接后引入第一预设串扰峰301；
所述输出保偏光纤102与待测保偏光纤103熔接连接后使用光纤涂覆机进行重涂覆，新涂覆层左侧边界作为第一应变量测量监测点109；
所述待测保偏光纤103与输入保偏光纤104熔接连接后引入第二预设串扰峰302；
所述待测保偏光纤103与输入保偏光纤104熔接连接后使用光纤涂覆机进行重涂覆，新涂覆层左侧边界作为第二应变量测量监测点110；
所述带指针的第一读数显微镜107和带指针的第二读数显微镜108的指针可以为自行设计制作；
所述带指针的第一读数显微镜107用于，指针指向第一应变量测量监测点109，读取第一应变量测量监测点109的位移变化量；
所述带指针的第二读数显微镜108用于，指针指向第二应变量测量监测点110，读取第二应变量测量监测点110的位移变化量；
所述的分布式偏振串扰分析系统101可以为商用仪器(美国Genaral PhotonicsCor.生产的PXA-1000)，也可以自行搭建；
所述的分布式偏振串扰分析系统101用于，针对人为引入的第一预设串扰峰301和第二预设串扰峰302，测量两个预设串扰信号之间的延迟距离差ΔZ。
如图4所示，第一读数显微镜107视野区域内可见输出保偏光纤102与待测保偏光纤103熔接、重涂覆后所形成的第一应变量测量监测点109、自行设计的读数显微镜指针401，指针401始终指向第一应变量测量监测点109位置；同理，第二读数显微镜108的指针始终指向第二应变量测量监测点110位置；当待测保偏光纤103发生轴向应变后，通过保持指针指向两个监测点和读取读数显微镜上的千分尺，可以得到第一应变量测量监测点109和第二应变量测量监测点110的位移变化量，从而得到待测保偏光纤103的实际轴向伸长量；
如图2所示，所述的分布式偏振串扰分析系统101包括：超辐射发光二极管201、起偏振202、检偏器203、入射光接口204、出射光接口205、保偏光纤206、静反射镜207、动反射镜208、分束镜209、光电探测器210、数据采集卡211、计算机处理系统212、伺服电机213；
所述分布式偏振串扰分析系统101可以为商用仪器(如美国Genaral PhotonicsCor.生产的PXA-1000)，也可以自行搭建；
所述分布式偏振串扰分析系统101中在构成本发明中的实验数据测量系统时，所述保偏光纤206将自然被替换为输出保偏光纤102、待测保偏光纤103、输入保偏光纤104，且三者依次熔接在一起；
如图2所示，所述分布式偏振串扰分析系统101的工作原理为：超辐射发光二极管201发射光束经起偏器202进入保偏光纤206且振动方向平行于慢轴，故只有振动方向平行于慢轴的偏振模I0在入射光接口A处被激发；B点为一个串扰点，可以通过压力、熔接等方式引入，C点为保偏光纤出射光接口205所在点；在B点会有一部分能量从慢轴耦合进快轴，但因为沿慢轴的光比沿快轴的光传播的慢，当慢轴的光I0到达出射点C点时，在B点耦合进快轴的光I1已经领先于慢轴光I0光程ΔZ＝Δn·Z(其中：Δn是保偏光纤的双折射，Z是B点到C点的保偏光纤的长度)，这里的光程差ΔZ可以通过系统中迈克耳逊干涉仪和计算机处理系统212进行获取，并得到串扰量随延迟距离的关系曲线图。如果可以测得串扰点B和出射点C之间的保偏光纤的长度Z，即可根据测得的光程差ΔZ计算出光纤的双折射Δn。
本发明所述的基于分布式偏振串扰分析原理，测量和计算保偏光纤的轴向应变-双折射系数的系统，可以精确地对待测保偏光纤轴向应变发生部分长度进行测量和分析，从而排除待测光纤长度区域以外所有因素对轴向应变-双折射系数测量准确性带来的影响和测量误差，有助于提高保偏光纤分布式轴向应变传感技术的准确性，实现保偏光纤轴向应变-双折射系数的准确测量，系统和方法的总体误差小于0.43％。
如图5所示，为本发明所述的一种保偏光纤的轴向应变-双折射系数的测量及计算方法，应用于所述的保偏光纤的轴向应变-双折射系数的测量系统，所述方法包括：
步骤51，计算得到待测保偏光纤的原始双折射Δn0；
步骤52，利用第一光纤应力调节架和第二光纤应力调节架，对所述待测保偏光纤进行至少两次轴向拉伸，从而得到至少两组所述待测保偏光纤轴向应变后的双折射Δn和对应的轴向应变量Δε的数据；
步骤53，依据至少两组所述待测保偏光纤的双折射Δn和对应的轴向应变量Δε的数据以及所述待测保偏光纤的原始双折射Δn0，生成双折射变化量δΔn与轴向应变量Δε之间的关系曲线图，并对所述关系曲线图进行最小二乘法直线拟合，生成拟合直线方程；
步骤54，依据所述拟合直线方程，得到所述待测保偏光纤的轴向应变-双折射系数γ。所述步骤54具体为：将拟合直线的斜率，作为所述待测保偏光纤的轴向应变-双折射系数γ。
所述步骤51包括：
步骤511，根据所述待测保偏光纤上的第一应变量测量监测点和第二应变量测量监测点，测量待测保偏光纤的初始长度Z0；该步骤可以为测量第一应变量测量监测点和第二应变量测量监测点之间的距离。
步骤512，利用分布式偏振串扰分析系统，测量得到所述待测保偏光纤上的第一预设串扰峰和第二预设串扰峰之间的初始延迟距离差ΔZ0；
步骤513，根据所述初始延迟距离差ΔZ0以及所述初始长度Z0，计算得到所述待测保偏光纤的原始双折射Δn0。其中，所述步骤513具体为根据以下公式计算：Δn0＝ΔZ0/Z0。
步骤52包括：
步骤521，利用第一光纤应力调节架和第二光纤应力调节架，对所述待测保偏光纤进行一次轴向拉伸；利用所述带指针的第一读数显微镜和所述带指针的第二读数显微镜，得到所述待测保偏光纤轴向应变后的长度Z和伸长量ΔL；
步骤522，根据所述待测保偏光纤的初试长度Z0以及所述待测保偏光纤的伸长量ΔL，计算得到所述待测保偏光纤的轴向应变量Δε；所述步骤522具体为根据以下公式计算：Δε＝ΔL/Z0；
步骤523，利用所述分布式偏振串扰分析系统，测量得到轴向应变后第一预设串扰和第二预设串扰峰之间的轴向应变后的延迟距离差ΔZ；
步骤524，根据所述轴向应变后的延迟距离差ΔZ以及所述待测保偏光纤应变后的长度Z，计算得到应变后的所述待测保偏光纤的双折射Δn，从而得到一组所述待测保偏光纤的轴向应变后的双折射Δn和对应的应变量Δε的数据；所述步骤524具体为根据以下公式计算：Δn＝ΔZ/Z。
步骤525，重复步骤21～24，得到至少两组所述待测保偏光纤的双折射Δn和对应的应变量Δε的数据。
以下描述本发明的另一实施例。
如图6所示，为本发明提供一套实验数据测量及计算方法，步骤包括：
步骤61，根据所述第一应变量测量监测点109和第二应变量测量监测点110，测量待测保偏光纤103的初始长度Z0，测量工具为米尺或具有相同测量功能的其他测量工具；
步骤62，利用所述分布式偏振串扰分析系统101测量得到第一预设串扰峰301和第二预设串扰峰302之间的初始延迟距离差ΔZ0，为减小实验误差，ΔZ0为多次测量数据求平均值，数据测量次数可以根据实际情况分析确定；
步骤63，根据公式Δn0＝ΔZ0/Z0、所述测得初始延迟距离差ΔZ0以及测得待测保偏光纤103初始长度Z0，计算得到待测保偏光纤103的原始双折射Δn0；
步骤64，利用第一光纤应力调节架105和第二光纤应力调节架106对待测保偏光纤103进行一次轴向拉伸，拉伸步进大小可根据实际需要控制，利用所述带指针的第一读数显微镜107和所述带指针的第二读数显微镜108，得到待测保偏光纤103轴向应变后的长度Z和伸长量ΔL；
步骤65，根据公式Δε＝ΔL/Z0、测得待测保偏光纤103的初试长度Z0以及所述测得待测保偏光纤103的伸长量ΔL，计算得到待测保偏光纤103的轴向应变量Δε；
步骤66，利用所述分布式偏振串扰分析系统101测量得到轴向应变后第一预设串扰峰301和第二预设串扰峰302之间的延迟距离差ΔZ，为减小实验误差，ΔZ为多次测量数据求平均值，数据测量次数确定同步骤(二)；
步骤67，根据公式Δn＝ΔZ/Z、所述第一预设串扰峰301和第二预设串扰峰302之间的延迟距离差ΔZ以及测得待测保偏光纤103应变后的长度Z，计算得到应变后待测光纤103的双折射Δn；
步骤68，得到一组关于待测保偏光纤103轴向应变后的双折射Δn和应变量Δε的关系数据；
步骤69，重复步骤64～68，得到多组关于待测保偏光纤103的双折射Δn和应变量Δε关系的数据，具体需要测量数据组数根据实际需要确定；
步骤610，依据得到的多组关于待测保偏光纤103的双折射Δn和应变量Δε的数据以及待测保偏光纤103的原始双折射Δn0，做出双折射变化量δΔn关于轴向应变量Δε变化的关系曲线图，并进行最小二乘法直线拟合；
步骤611，依据得到的拟合直线方程，根据拟合直线的斜率，可以得到待测保偏光纤103的轴向应变-双折射系数γ。
如图3所示，是根据本发明所述方法，通过熔接引入第一预设串扰峰301和第二预设串扰峰302后，由分布式偏振串扰分析系统101测得的串扰量随延迟距离变化的关系曲线图，根据测量结果可以得到301和302之间的延迟距离差；
如图3所示，第一预设串扰峰301和第二预设串扰峰302旁边各有一个幅值较大的串扰峰，分别由第一光纤应力调节架105和第二光纤应力调节架106的光纤夹具引入的压力所致，但因为两点所在位置在待测保偏光纤103长度以外，不会对最终轴向应变-双折射系数准确性有影响；
根据所述得到的第一预设串扰峰301和第二预设串扰峰302之间的延迟距离差ΔZ，再测得两个熔接点之间的距离Z，即可通过ΔZ＝Δn·Z计算得到待测光纤的双折射，为测量待测保偏光纤103的轴向应变-双折射系数提供计算方法。
本发明所述的基于分布式偏振串扰分析原理，测量和计算保偏光纤的轴向应变-双折射系数的方法，可以精确地对待测保偏光纤轴向应变发生部分长度进行测量和分析，从而排除待测光纤长度区域以外所有因素对轴向应变-双折射系数测量准确性带来的影响和测量误差，有助于提高保偏光纤分布式轴向应变传感技术的准确性，实现保偏光纤轴向应变-双折射系数的准确测量，系统和方法的总体误差小于0.43％。
以下将通过两个具体的实施例子说明本发明提出的保偏光纤轴向应变-双折射系数准确测量的可行性，涉及到两种保偏光纤的测量，分别是PM1550_125-18/250型熊猫型保偏光纤和HB1500G-SB型领结型保偏光纤：
实施例一：熊猫型保偏光纤(武汉长飞公司生产，型号PM1550_125-18/250)的轴向应变-双折射系数测量
待测保偏光纤为武汉长飞公司生产的PM1550_125-18/250熊猫型保偏光纤，其横截面示意图如图7所示。利用本发明所述保偏光纤轴向应变-双折射系数测量系统及方法对此光纤的轴向应变-双折射系数γ进行测量。将7.24m的待测熊猫光纤代替发明中的待测保偏光纤103部分，拉伸步长控制在130με左右，最大应变不超过2500με，总共得到19组保偏光纤双折射Δn和应变量Δε关系的数据；将双折射变化量δΔn关于轴向应变量Δε变化的关系数据作图，结果如图8所示，图中同时对实验数据进行了线性拟合，拟合度高达99.8％，拟合线性度良好；拟合直线的斜率为1.67×10-8/με，即利用本发明给出的系统和方法得出的PM1550_125-18/250熊猫型保偏光纤的轴向应变-双折射系数为1.67×10-8/με。
实施例二：领结型保偏光纤(FIBERCORE公司生产，型号HB-1500G-SB)的轴向应变-双折射系数测量
本实施例与实施例一的不同之处为发明中所述的待测保偏光纤103由6.54m的HB-1500G-SB领结型保偏光纤代替，光纤的横截面示意图如图9所示。测量实验中，待测领结型保偏光纤的拉伸步长控制在150με左右，最大应变不超过2500με，总共得到16组保偏光纤双折射Δn和应变量Δε关系的数据；将双折射变化量δΔn关于轴向应变量Δε变化的关系数据作图，结果如图8所示，图中同时对实验数据进行了线性拟合，拟合度高达99.4％，拟合线性度良好；拟合直线的斜率为1.16×10-8/με，即利用本发明给出的系统和方法得出的HB-1500G-SB领结型保偏光纤的轴向应变-双折射系数为1.16×10-8/με。
以上对本发明所提供的一种准确测量保偏光纤轴向应变-双折射系数的系统和方法进行详细介绍，本文中应用了两个具体实施例对本发明的系统和方法的可行性进行了验证和阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种保偏光纤的轴向应变-双折射系数的测量系统，其特征在于，包括：
分布式偏振串扰分析系统、输出保偏光纤、待测保偏光纤、输入保偏光纤、第一光纤应力调节架、第二光纤应力调节架、带指针的第一读数显微镜、带指针的第二读数显微镜；
所述分布式偏振串扰分析系统的输出端口与所述输出保偏光纤的第一端连接；所述输入保偏光纤的第二端与所述分布式偏振串扰分析系统的输入端口连接；
所述输出保偏光纤的第二端与所述待测保偏光纤的第一端连接，且在所述输出保偏光纤与所述待测保偏光纤的连接处引入第一预设串扰峰；所述待测保偏光纤的第二端与所述输入保偏光纤的第一端连接，且在所述待测保偏光纤与所述输入保偏光纤的连接处引入第二预设串扰峰；
所述待测保偏光纤与所述输出保偏光纤的连接处设置有第一应变量测量监测点；所述待测保偏光纤与所述输入保偏光纤的连接处设置有第二应变量测量监测点；
所述第一光纤应力调节架和所述第二光纤应力调节架分别设置在所述待测保偏光纤的两侧，用于对所述待测保偏光纤进行轴向拉伸；
所述带指针的第一读数显微镜的指针指向所述第一应变量测量监测点，用于读取所述第一应变量测量监测点的轴向位移变化量；
所述带指针的第二读数显微镜的指针指向所述第二应变量测量监测点，用于读取所述第二应变量测量监测点的轴向位移变化量；
所述分布式偏振串扰分析系统，用于测量得到所述待测保偏光纤上的第一预设串扰峰和第二预设串扰峰之间的初始延迟距离差ΔZ0。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述待测保偏光纤与所述输出保偏光纤的连接处设置有第一应变量测量监测点具体为：所述待测保偏光纤与所述输出保偏光纤使用保偏光纤熔接机进行熔接连接后，使用光纤涂覆机进行重涂覆，生成的新涂覆层的左侧边界作为第一应变量测量监测点；
所述待测保偏光纤与所述输入保偏光纤的连接处设置有第二应变量测量监测点具体为：所述待测保偏光纤与所述输入保偏光纤使用保偏光纤熔接机进行熔接连接后，使用光纤涂覆机进行重涂覆，生成的新涂覆层的左侧边界作为第二应变量测量监测点。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述输出保偏光纤与所述待测保偏光纤的连接处引入第一预设串扰峰具体为：所述输出保偏光纤通过与所述待测保偏光纤熔接连接后引入第一预设串扰峰；
所述待测保偏光纤与所述输入保偏光纤的连接处引入第二预设串扰峰具体为：所述待测保偏光纤通过与所述输入保偏光纤熔接连接后引入第二预设串扰峰；
所述分布式偏振串扰分析系统还用于，测量所述第一预设串扰峰和所述第二预设串扰峰之间的延迟距离差ΔZ。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述分布式偏振串扰分析系统的输出端口与所述输出保偏光纤的第一端连接具体为：所述分布式偏振串扰分析系统的输出端口与所述输出保偏光纤的第一端通过光纤连接器连接；
所述输入保偏光纤的第二端与所述分布式偏振串扰分析系统的输入端口连接具体为：所述输入保偏光纤的第二端与所述分布式偏振串扰分析系统的输入端口通过光纤连接器连接。
5.一种保偏光纤的轴向应变-双折射系数的测量及计算方法，应用于权利要求1-4任一权利要求所述的保偏光纤的轴向应变-双折射系数的测量系统，其特征在于，所述方法包括：
步骤1，计算得到待测保偏光纤的原始双折射Δn0；
步骤2，利用第一光纤应力调节架和第二光纤应力调节架，对所述待测保偏光纤进行至少两次轴向拉伸，从而得到至少两组所述待测保偏光纤轴向应变后的双折射Δn和对应的轴向应变量Δε的数据；
步骤3，依据至少两组所述待测保偏光纤的双折射Δn和对应的轴向应变量Δε的数据以及所述待测保偏光纤的原始双折射Δn0，生成双折射变化量δΔn与轴向应变量Δε之间的关系曲线图，并对所述关系曲线图进行最小二乘法直线拟合，生成拟合直线方程；
步骤4，依据所述拟合直线方程，得到所述待测保偏光纤的轴向应变-双折射系数γ。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤1包括：
步骤11，根据所述待测保偏光纤上的第一应变量测量监测点和第二应变量测量监测点，测量待测保偏光纤的初始长度Z0；
步骤12，利用分布式偏振串扰分析系统，测量得到所述待测保偏光纤上的第一预设串扰峰和第二预设串扰峰之间的初始延迟距离差ΔZ0；
步骤13，根据所述初始延迟距离差ΔZ0以及所述初始长度Z0，计算得到所述待测保偏光纤的原始双折射Δn0。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括：
步骤21，利用第一光纤应力调节架和第二光纤应力调节架，对所述待测保偏光纤进行一次轴向拉伸；利用所述带指针的第一读数显微镜和所述带指针的第二读数显微镜，得到所述待测保偏光纤轴向应变后的长度Z和伸长量ΔL；
步骤22，根据所述待测保偏光纤的初试长度Z0以及所述待测保偏光纤的伸长量ΔL，计算得到所述待测保偏光纤的轴向应变量Δε；
步骤23，利用所述分布式偏振串扰分析系统，测量得到轴向应变后第一预设串扰和第二预设串扰峰之间的轴向应变后的延迟距离差ΔZ；
步骤24，根据所述轴向应变后的延迟距离差ΔZ以及所述待测保偏光纤应变后的长度Z，计算得到应变后的所述待测保偏光纤的双折射Δn，从而得到一组所述待测保偏光纤的轴向应变后的双折射Δn和对应的应变量Δε的数据；
步骤25，重复步骤21～24，得到至少两组所述待测保偏光纤的双折射Δn和对应的应变量Δε的数据。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤4具体为：
将拟合直线的斜率，作为所述待测保偏光纤的轴向应变-双折射系数γ。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤13具体为根据以下公式计算：Δn0＝ΔZ0/Z0。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
所述步骤22具体为根据以下公式计算：Δε＝ΔL/Z0；
所述步骤24具体为根据以下公式计算：Δn＝ΔZ/Z。
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Assignor: Hebei University

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Denomination of invention: Polarization maintaining optical fiber axial strain-birefringence coefficient measurement system and measurement and calculation method

Granted publication date: 20190212

License type: Common License

Record date: 20191227

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