CN110631497B - 双折射光纤环镜传感器的应变绝对测量方法 - Google Patents

双折射光纤环镜传感器的应变绝对测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于双折射光纤环镜传感器的应变绝对测量方法。经理论推导得出计算受轴向应变后的双折射光纤绝对长度的表达式,结果表明:由任意连续4个相邻的波谷波长、双折射光纤初始长度、光纤初始双折射率和双折射应变系数,便可计算受轴向应变后的双折射光纤绝对长度，并以此计算所受应变大小。通过公认传统表达式计算相邻波谷波长，并与绘制图形的方式得到的结果一致,以此保证计算4个相邻波谷波长的正确性。将4个相邻波谷波长代入本专利推导的表达式计算绝对长度，从而计算应变。该方法无需人为判断,只需找到光谱中的任意连续4个相邻波谷对应的波长,便可计算应变大小。有助于促进传感器与计算机有效对接,实现在线实时测量。

Description

双折射光纤环镜传感器的应变绝对测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于双折射光纤环镜传感器的应变绝对测量方法。
背景技术
双折射光纤环镜(Birefringence fiber loop mirror,简记为Bi-FLM)传感器由于其具有偏振无关、高消光比、抗外界环境干扰、制造简单、性能稳定、价格低廉等优良特性,在光纤传感领域的应用引起了学者的广泛关注,已成功应用于压力、温度、应变、位移、弯曲、扭矩等测量。
由于强度解调受光源稳定性影响较大,目前Bi-FLM传感器绝大部分采用波长解调,即根据波长的相对变化量来推算传感量的大小。申请人曾实验得到Bi-FLM应变传感器0με时的波形如图1实线所示,当传感光纤产生100με时,波形如图1虚线所示,选择0με时监测点为A,根据图中虚线,无法自动确定A点是左移到B点,还是右移到C点,在人工测量时,可以根据经验：100με是较小的应变,不可能从A点右移到C点,产生如此大的波长变化量△λ。或人为判断是正应变还是负应变,从而决定A点是左移到B点,还是右移到C点,但若实施计算机在线实时测量,则无从判断。Bi-FLM传感器的测量原理是:外界条件变化使双折射光纤长度和双折射率发生变化,导致相角改变,从而使干涉光谱随之变化,以实现对外界条件变化的传感。当相角变化超过2π时,信号周而复始,如图中的虚线,若实施计算机在线实时测量,则无从判断是100με导致的相角变化△θ产生的干涉光谱,还是更大的应变导致的相角变化2nπ+△θ产生的干涉光谱,n为整数。
因此,基于波长相对变化量的测量方法无法自动确定传感量唯一大小,不利于在线实时测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于双折射光纤环镜传感器的应变绝对测量方法，只需找到光谱中的任意连续4个相邻波谷对应的波长,即可求解出应变,无需人为判断，可实现在线实时测量。
本发明的技术方案为：一种基于双折射光纤环镜传感器的应变绝对测量方法，其步骤包括：
1)将光纤耦合器、双折射光纤、光源以及光谱仪构建成双折射光纤环境轴向应变传感器，其中，双折射光纤的两端分别与光纤耦合器的两个输出臂相连接，光源与光纤耦合器的输入臂相连接，光谱仪的输入端与光纤耦合器的干涉光谱输出端口相连接；
2)将双折射光纤粘贴在被测物体上，记下双折射光纤初始长度L0、双折射光纤初始双折射率B0和双折射应变系数k；
3)待被测物体承受轴向应变后，此时双折射光纤所受应变即为被测物体所受应变，通过光谱仪测量双折射光纤环镜干涉光谱；
4)通过计算机编程找到任意4个相邻的波谷波长；
5)代入公式
Figure BDA0001705651050000021
计算双折射光纤受轴向应变后的绝对长度；
6)将L'、L0代入
Figure BDA0001705651050000022
算出双折射光纤所受应变大小，即为被测物体的轴向应变值。
优选的，步骤4)具体为：获取的双折射光纤环镜干涉光谱横坐标为波长，纵坐标为光强值，获取的双折射光纤环镜干涉光谱是离散的，设起始波长为λ0，横坐标每增加△λ有一双折射光纤环镜干涉光谱的光强值与之对应，通过计算机编程，从起始波长λ0开始，每增加△λ读取一次双折射光纤环镜干涉光谱的纵坐标值，连续3次读取的光强值中，按波长增加的顺序，光强值分别表示为I1、I2、I3，将I2与I1和I3比较，若I2<I1且I2<I3，则I2为波谷值，找出此时对应的波长，即为波谷波长，依次类推，找出其它3个相邻的波谷波长。
本发明理论分析如下：
Bi-FLM传感器初始干涉光谱表达式为：
Figure BDA0001705651050000023
式中,相角
Figure BDA0001705651050000024
L0为光纤初始长度,B0为光纤初始双折射率,λ为干涉光谱波长。
当双折射光纤受轴向应变后,相角变化量△θ为：
Figure BDA0001705651050000025
式中,△L为双折射光纤轴向长度变化量,△B为光纤双折射率变化量。
又△B与轴向应变成正比,即
△B＝kεZ (3)
式中,
Figure BDA0001705651050000031
为双折射光纤轴向应变,单位为ε,其中L'为双折射光纤受应变后的长度。k是双折射应变系数,单位为1/ε,即光纤受1ε后双折射率变化大小。由(2)、(3)式可得通过εZ表示的△θ表达式为：
Figure BDA0001705651050000032
由(2)、(3)式可得通过L'表示的△θ表达式为：
Figure BDA0001705651050000033
由(1)、(4)式可得通过εZ表示的受到轴向应变后的Bi-FLM干涉光谱表达式为：
Figure BDA0001705651050000034
(4)式和(6)式是通过双折射光纤所受应变εZ来分别描述相角变化量△θ和干涉光谱T'(λ),是与大部分参考文献吻合的传统表达式,用于与本专利下面推导的新表达式对比,以校验新表达式正确性。
由(1)、(4)式可得通过L'表示的受到轴向应变后的干涉光谱表达式为：
Figure BDA0001705651050000035
欲使(7)式对应干涉光谱T'(λ)的值最小,则：
Figure BDA0001705651050000036
式中,n为整数。由(8)式解出：
Figure BDA0001705651050000037
由(9)式可得：
Figure BDA0001705651050000038
式中,λn为整数n对应的波谷波长,其它依此类推。
由(10)式可得：
Figure BDA0001705651050000039
同理可得：
Figure BDA0001705651050000041
Figure BDA0001705651050000042
由(11)、(13)式可得：
Figure BDA0001705651050000043
由(14)式可解出：
Figure BDA0001705651050000044
由(13)、(15)式可得：
Figure BDA0001705651050000045
由(16)式可知,双折射光纤受轴向应变后的绝对长度L'可以由任意λn-2、λn-1、λn、λn+14个相邻的波谷波长,光纤初始长度L0、光纤初始双折射率B0和双折射应变系数k求出。将L'、L0代入
Figure BDA0001705651050000046
可求出双折射光纤所受应变大小。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明提出的双折射光纤环镜传感器应变绝对测量方法无需人为判断，只需找到光谱中的任意连续4个相邻波谷对应的波长，便可计算应变大小。
(2)本发明提出的双折射光纤环镜传感器应变绝对测量方法能够解决基于波长相对变化量测量方法无法自动确定传感量唯一大小的问题。
(3)本发明提出的双折射光纤环镜传感器应变绝对测量方法有助于促进传感器与计算机有效对接，实现在线实时测量。
附图说明
图1是双折射光纤环镜传感器0με轴向应变和100με轴向应变情况下的波长解调图。
图2是双折射光纤环镜传感器轴向应变测量系统实施示意图。
图3是0με轴向应变和200με轴向应变情况下的干涉光谱仿真图。
其中，1：光源，2：光谱仪，3：光纤耦合器，4：双折射光纤，5：输入壁，6：干涉光谱输出端口，7：输出臂，8：输出臂。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面用具体实例来详细说明本发明的技术方案，但是本发明并不局限于此。
实施例1
本基于双折射光纤环镜传感器的应变绝对测量方法，其步骤包括：
1)如图2所示，将光纤耦合器3、双折射光纤4、光源1以及光谱仪2构建成双折射光纤环境轴向应变传感器，其中，双折射光纤4的两端分别与光纤耦合器的两个输出臂7，8相连接，光源与光纤耦合器的输入臂5相连接，光谱仪的输入端与光纤耦合器的干涉光谱输出端口6相连接；
2)将双折射光纤4粘贴在被测物体上，记下双折射光纤初始长度L0、双折射光纤初始双折射率B0和双折射应变系数k；
3)待被测物体承受轴向应变后，此时双折射光纤所受应变即为被测物体所受应变，通过光谱仪测量双折射光纤环镜干涉光谱；
4)通过计算机编程找到任意4个相邻的波谷波长：获取的双折射光纤环镜干涉光谱横坐标为波长，纵坐标为光强值，获取的双折射光纤环镜干涉光谱是离散的，设起始波长为λ0，横坐标每增加△λ有一双折射光纤环镜干涉光谱的光强值与之对应，通过计算机编程，从起始波长λ0开始，每增加△λ读取一次双折射光纤环镜干涉光谱的纵坐标值，连续3次读取的光强值中，按波长增加的顺序，光强值分别表示为I1、I2、I3，将I2与I1和I3比较，若I2<I1且I2<I3，则I2为波谷值，找出此时对应的波长，即为波谷波长。依次类推，找出其它3个相邻的波谷波长；
5)代入公式
Figure BDA0001705651050000051
计算双折射光纤受轴向应变后的绝对长度；
6)将L'、L0代入
Figure BDA0001705651050000052
算出双折射光纤所受应变大小，即为被测物体的轴向应变值。
假设双折射光纤长度L0＝0.2m,双折射率B0＝2.6*10-4,双折射应变系数k＝7.3*0.001/ε,波长范围为1460nm～1640nm,应变εz从0με每隔100με增加到900με。传统表达式(6)是通过εZ来描述干涉光谱T'(λ),根据(6)式,通过Matlab编程绘制Bi-FLM干涉光谱波形,εz＝0με,εz＝200με时的干涉光谱如图3所示。从图中找出干涉光谱的4个连续最小值,即干涉光谱波谷对应的坐标,如图3所示。
传统表达式(4)是通过光纤所受应变εZ来描述△θ，根据(4)式,令θ+△θ＝2nπ,为了使波长范围大致为1460nm～1640nm，选择n＝32,33,34,35，通过Matlab编程，根据εZ的变化计算对应的相邻波谷波长λ32、λ33、λ34、λ35如表1所示。表1中通过(4)式计算的εz＝0με，εz＝200με时的相邻波谷波长λ32、λ33、λ34、λ35与通过(6)式编程绘制的干涉光谱波形对应的波谷波长基本一致。由于(6)式编程绘制干涉光谱波形横坐标λ步长增量设置为0.01nm，而非连续步长，导致图3中波谷的纵坐标不等于0，而是近似为0，且与(4)式的计算近似，但不完全相等，略微存在一定误差。(4)式计算与(6)式绘制图形结果一致,证明了通过(4)式的Matlab编程的正确性。由于(4)式是与大部分参考文献吻合的传统表达式且编程正确，进而保证了表1计算4个相邻波谷波长λ32、λ33、λ34、λ35结果的正确性。
表1 n＝32,33,34,35计算结果
Figure BDA0001705651050000061
将4个相邻波谷波长λ32、λ33、λ34、λ35,光纤初始长度L0、光纤初始双折射率B0和双折射应变系数k代入(16)式，求出受轴向应变后的双折射光纤长度L',代入
Figure BDA0001705651050000062
计算应变,如表1所示。计算的应变与给定应变完全吻合。证明了本专利推导的(16)式的正确性。为了验证(16)式双折射光纤受轴向应变后的绝对长度L'可以由任意λn-2、λn-1、λn、λn+ 14个相邻的波谷波长计算得到,本专利选取n＝1，2，3，4计算结果如表2所示。虽然n的值不同,但计算的应变与给定应变仍完全吻合,因此基于(16)式计算L'可选任意λn-2、λn-1、λn、λn+14个相邻的波谷波长。
表2 n＝1，2，3，4计算结果
Figure BDA0001705651050000071

Claims (1)

1.一种基于双折射光纤环镜传感器的应变绝对测量方法，其步骤包括：
1)将光纤耦合器、双折射光纤、光源以及光谱仪构建成双折射光纤环境轴向应变传感器，其中，双折射光纤的两端分别与光纤耦合器的两个输出臂相连接，光源与光纤耦合器的输入臂相连接，光谱仪的输入端与光纤耦合器的干涉光谱输出端口相连接；
2)将双折射光纤粘贴在被测物体上，记下双折射光纤初始长度L0、双折射光纤初始双折射率B0和双折射应变系数k；
3)待被测物体承受轴向应变后，此时双折射光纤所受应变即为被测物体所受应变，通过光谱仪测量双折射光纤环镜干涉光谱；
4)通过计算机编程找到任意4个相邻的波谷波长；
5)代入公式
Figure FDA0003200856970000011
计算双折射光纤受轴向应变后的绝对长度；
6)将L'、L0代入
Figure FDA0003200856970000012
算出双折射光纤所受应变大小，即为被测物体的轴向应变值；
其中步骤4)具体为：获取的双折射光纤环镜干涉光谱横坐标为波长，纵坐标为光强值，获取的双折射光纤环镜干涉光谱是离散的，设起始波长为λ0，横坐标每增加Δλ有一双折射光纤环镜干涉光谱的光强值与之对应，通过计算机编程，从起始波长λ0开始，每增加Δλ读取一次双折射光纤环镜干涉光谱的纵坐标值，连续3次读取的光强值中，按波长增加的顺序，光强值分别表示为I1、I2、I3，将I2与I1和I3比较，若I2＜I1且I2＜I3，则I2为波谷值，找出此时对应的波长，即为波谷波长，依次类推，找出其它3个相邻的波谷波长。
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