CN106989852B - 一种测量应力方向的光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量应力方向的光纤传感器，包括依次连接的激光器、第一偏振控制器、传感光纤、第二偏振控制器、偏振分析仪以及计算机Matlab算法。所述传感光纤受外应力作用时，偏振分析仪记录偏振态在邦加球上绕外应力主轴旋转的信息，所述Matlab算法利用外应力主轴相对于参考外应力主轴的方向角与外应力实际方向角的线性关系，计算出外应力的实际方向角。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于光纤在外应力作用下偏振态在邦加球上绕外应力主轴旋转的原理，利用外应力主轴方向角与外应力实际方向角之间的线性关系测量外应力的实际方向角的光纤传感器。
背景技术
与电传感器相比较，光纤传感器具有集成度高、抗干扰能力强、成本低廉、灵敏度和精度高、绝缘性好、可实现分布测量等优势，因此光纤传感器已经成为一个热门的研究领域。光纤传感器可用于测量应力、应变、振动、温度、位移、声音、弯曲和湿度等物理量。光纤传感已经广泛应用于交通、军工、建筑、能源、安全、冶金等领域。
随着光纤性能的不断提升和应力传感技术的快速发展，基于光纤的应力传感逐渐得到重视，包括基于偏振光时域反射技术(POTDR)，布里渊动态光栅(BDG)以及萨格奈克干涉仪等新型传感技术实现应力的检测；用于应力传感的光纤主要包括普通单模光纤、光纤光栅和保偏光纤等。但这些技术往往只局限于特定光纤，且对探测器的要求较高，不利于成本的降低和实际应用的推广；另外，目前所有的光纤应力传感器，都只限于测量应力的大小，无法实现对应力方向的测量。对应力方向的测量还局限于利用传统机械测量，导致传感器存在体积大、价格昂贵、精度低和集成度低等缺点。随着集成传感器的发展和成熟，对光纤应力方向传感的需求也日渐急迫。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、集成度高、兼容性强和灵敏度高的测量应力方向的光纤传感器，该传感器是基于光纤在外应力作用下偏振态在邦加球上绕外应力主轴旋转的原理，以及该外应力主轴方向角与外应力实际方向角之间的线性关系而设计；只需测量偏振态在邦加球上的演化轨迹，通过Matlab算法计算得到外应力的实际方向，测量方向角误差在1％以内。该传感器不仅可用外应力方向的测量，也可结合相应的数据处理技术实现外应力大小和方向的同时测量。
为了克服现有光纤应力传感器存在的问题，本发明实施例公开了一种测量应力方向的光纤传感器，包括依次连接的激光器、第一偏振控制器、传感光纤、第二偏振控制器、偏振分析仪以及计算机，其特征在于，所述传感光纤受外应力作用，偏振分析仪记录偏振态斯托克斯参数的变化信息，并利用Matlab算法解算出外应力方向。
进一步，作为优选，通过调节第一偏振控制器与第二偏振控制器，当传感光纤不受外应力作用时，使偏振分析仪邦加球上显示的偏振态调整到赤道上。
进一步，作为优选，在传感光纤上人为施加一个已知方向的外应力，记录偏振态在邦加球上的变化轨迹，并由此计算出这个外应力的主轴，作为参考主轴；然后撤除该人为的外应力。
进一步，作为优选，当传感光纤受到任意方向的外应力时，利用偏振态在邦加球上绕该外应力主轴旋转的原理，测量出该外应力的主轴。
进一步，作为优选，根据该外应力主轴和人为施加的已知方向应力的参考主轴之间的夹角，与外应力的方向角的线性关系，利用Matlab算法计算出该外应力方向角。
进一步，作为优选，所述传感光纤不局限于特定光纤，使用但不限于普通单模光纤、保偏光纤及扭转光纤。
本发明提供了一种基于光纤在外应力作用下偏振态在邦加球上绕外应力主轴旋转的原理，以及该外应力主轴方向角与外应力实际方向角之间的线性关系而设计的光纤应力方向传感器。该光纤应力方向传感器使用的传感光纤不限于普通单模光纤、保偏光纤及扭转光纤等，因此兼容性高，能基于现有的光纤传感网络实现应力方向测量，不需要另外铺设光纤，有效弥补了光纤应力传感器对应力方向测量的不足。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：
图1为本发明测量应力方向的光纤传感器系统示意图。
图2为偏振态在邦加球上绕外应力主轴旋转的轨迹。
图3为外应力方向角测量变化曲线。
具体实施方式
参照图1-3对本发明的实施例进行说明。
为使上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种测量应力方向的光纤传感器，包括激光器101，第一偏振控制器102，传感光纤103，第二偏振控制器104，偏振分析仪105，计算机Matlab算法106；其中，所述激光器101输出连接第一偏振控制器102的一端，第一偏振控制器102另一端与传感光纤103一端连接，传感光纤103另一端与第二偏振控制器104的一端连接，第二偏振控制器104的另一端与偏振分析仪105的输入端连接，所述偏振分析仪记录光纤受外应力作用时偏振态在邦加球上的旋转轨迹，偏振分析仪105的输出端连接计算机106，所述计算机通过Matlab算法计算外应力方向角的信息。
本发明实现应力方向测量的原理如下：
当光纤受外应力作用时，由于弹光效应，使得光纤介电常数发生变化，此时光纤总介电常数由固有介电常数和外应力介电常数相加而构成。因此，总双折射也近似由固有双折射和外应力双折射组成，满足矢量叠加原理，总双折射可表示为
N＝B+A (1)
其中N为总双折射矢量，B为固有双折射矢量，A为外应力引入的双折射矢量。由于弹光效应，外应力双折射矢量也可表示为
其中θ为外应力与光纤固有双折射主轴的方向夹角；k为常数，与弹光系数有关；p为外应力大小；为应力双折射单位矢量。
此时，该受外应力作用的光纤的偏振特性用四元数表示如下
eN＝eB+A (3)
输出光的偏振态和输入光的偏振态可用四元数表示如下
将(3)式代入(4)式，输出光的偏振态可表示如下
将(5)式两端都对应力大小p求导，按照四元数的叉乘法则，可得
其中因此(6)式可以表示为以下两个等式
(7-8)式可以解释为，当应力大小p变化时，输出偏振态在邦加球上绕外应力主轴以角速度k旋转；且外应力主轴的方向角与外应力实际方向角θ成两倍的线性关系。因此，根据获得的输出光偏振态在邦加球上的演化轨迹，通过Matlab算法将该演化轨迹转换为外应力主轴的方向角信息，然后利用外应力主轴的方向角与外应力实际方向角的两倍线性关系，最后获得外应力实际方向角的信息。
由于光纤截面没有便于识别方向的参数，所以在测量应力方向之前需要人为选定一个外应力参考方向角，当传感光纤不受外应力时，人为施加一个已知方向的外应力，测量偏振态在邦加球上的轨迹，通过Matlab算法计算得到该外应力主轴的方向角，并将该外应力主轴方向角作为参考主轴。之后测量得到的外应力主轴方向角都是相对于该参考主轴的方向角。
图2为邦加球坐标系。偏振态变化轨迹为图中的粗圆，通过Matlab算法计算可以获得该轨迹旋转的外应力主轴的方向角2θ，因此可以得到外应力的实际方向角θ。
图3为外应力方向测量变化曲线。其中不同曲线代表的待测光纤分别不同：1为领结型保偏光纤；2为G.652单模光纤；3为扭转高双折射光纤。基本测量过程是，传感光纤103受任意方向的外应力作用，偏振分析仪105记录偏振态的变化信息，通过Matlab算法计算得到的测量的外应力方向，与实际外应力方向做比较；多次改变外应力方向，重复以上步骤，比较不同外应力方向的测量值和实际值。
通过大量的实验表明，该光纤应力方向传感器适用但不限于多种类型的光纤，如普通单模光纤、保偏光纤或者扭转光纤等。可实现方向角测量范围从0°到180°，测量误差在1％以内。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (4)
1.一种测量应力方向的光纤传感器，包括依次连接的激光器、第一偏振控制器、传感光纤、第二偏振控制器、偏振分析仪以及计算机Matlab算法，其特征在于，所述传感光纤受外应力作用，偏振分析仪记录偏振态斯托克斯参数的变化信息，并利用Matlab算法解算出外应力方向；在传感光纤上人为施加一个已知方向的外应力，记录偏振态在邦加球上的变化轨迹，并由此计算出这个已知方向外应力的主轴，作为参考主轴；然后撤除该人为的外应力；根据该外应力主轴和人为施加的已知方向外应力参考主轴之间的夹角，与外应力的实际方向角的线性关系，利用Matlab算法计算出该外应力的实际方向角。
2.按权利要求1所述的测量应力方向的光纤传感器，其特征在于，通过调节第一偏振控制器与第二偏振控制器，当传感光纤不受外应力作用时，使偏振分析仪邦加球上显示的偏振态调整到赤道上。
3.按权利要求1所述的测量应力方向的光纤传感器，其特征在于，当传感光纤受到任意方向的外应力时，利用偏振态在邦加球上绕该外应力主轴旋转的原理，测量出该外应力的主轴。
4.按权利要求1所述的测量应力方向的光纤传感器，其特征在于，所述传感光纤为单模光纤、保偏光纤或扭转光纤中的一种。
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