CN110631500B - 双折射光纤环镜应变传感器在线测量方法 - Google Patents

双折射光纤环镜应变传感器在线测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110631500B
CN110631500B CN201910867408.1A CN201910867408A CN110631500B CN 110631500 B CN110631500 B CN 110631500B CN 201910867408 A CN201910867408 A CN 201910867408A CN 110631500 B CN110631500 B CN 110631500B
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical fiber
strain
birefringent
birefringence
initial
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910867408.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110631500A (zh
Inventor
江莺
宋任刚
仇杨华
倪晓宇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing Forestry University
Original Assignee
Nanjing Forestry University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing Forestry University filed Critical Nanjing Forestry University
Priority to CN201910867408.1A priority Critical patent/CN110631500B/zh
Publication of CN110631500A publication Critical patent/CN110631500A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110631500B publication Critical patent/CN110631500B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/161—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by interferometric means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/18—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge using photoelastic elements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明提供一种双折射光纤环镜应变传感器在线测量方法，通过任意连续的2个相邻波谷波长、2个相邻波峰波长及其双折射光纤初始长度、初始双折射率和初始双折射应变系数可计算双折射光纤所受应变大小。选取典型通讯波长1550nm、1310nm附近的波长，应用本计算方法计算的应变均与给定应变基本吻合。根据干涉光谱波谷波长、波峰波长的相对位置蕴含着应变信息的特点，与初始相角无关，可以剔除外界干扰，提高测量精度。该方法无需人为判断，有助于实现计算机在线测量。且该方法需要的信息量较小，可以实现短Bi‑FLM传感器的在线测量。本申请研究结果对Bi‑FLM各类传感器实现计算机在线测量，提高测量精度具有指导意义。

Description

双折射光纤环镜应变传感器在线测量方法
技术领域
本发明涉及一种双折射光纤环镜应变传感器在线测量方法。
背景技术
双折射光纤环镜(Birefringence fiber loop mirror，Bi-FLM)传感器具有低成本，易于制造，极化独立，不受电磁干扰等优点，已成功应用于应变、振动、扭矩等各类传感器。目前，该传感器多通过波长解调的方法实现离线测量，即根据Bi-FLM干涉光谱波长的相对变化量来推算传感量的大小。由于干涉光谱是周期性信号，需要人为判断外界传感量的变化是导致干涉光谱左移还是右移，需要人为判断是较小外界传感量产生较小相角变化导致的干涉光谱平移，还是较大外界传感量产生较大相角的周而复始的干涉光谱，不利于实施传感器的在线测量。且在测试过程中外界干扰容易改变干涉光谱的初始相角，导致干涉光谱平移，从而改变波长的相对变化量，基于波长解调的方法无法区分是干扰还是外界传感量的变化导致的波长相对变化，致使测量精度下降。也有学者基于强度解调原理实现Bi-FLM传感器在线测量，即将Bi-FLM传感器的光信号强度通过光电转换器转换为电信号，通过监测电信号的变化反推光信号的变化，从而反推外界传感量的变化。由于强度解调受光源稳定性影响较大，因此该方法精度较低。
申请人在之前的专利申请(CN 201810656015)中公开了通过任意4个相邻波谷波长及双折射光纤初始条件计算应变大小的方法，该方法无需人为判断，有助于促进传感器与计算机有效对接，实现在线测量。且与初始相角无关，因此可以剔除外界干扰，提高测量精度。但该方法需要4个相邻波谷的波长，包含3个周期的干涉波形，需要的信息量较多。双折射光纤长度越短，则Bi-FLM干涉光谱周期越大，在一定的光源波长范围内，光纤长度较短的Bi-FLM可能没有足够的波谷点(4个)，导致无法计算。
发明内容
本发明的目的是提供一种双折射光纤环镜应变传感器在线测量方法，通过任意连续的2个相邻波谷波长、2个相邻波峰波长及其双折射光纤初始长度、初始双折射率和初始双折射应变系数即可计算得到双折射光纤所受应变大小。
本发明的技术方案为：一种双折射光纤环镜应变传感器在线测量方法，其步骤包括：
1)将光纤耦合器、双折射光纤、光隔离器以及光谱仪构建成双折射光纤环境轴向应变传感器测量系统，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，入射光经光隔离器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连续的2个相邻波谷波长λn和λn+1、2个相邻波峰波长λ'n和λ'n+1；
5)代入公式
Figure BDA0002201667200000021
计算n值；
6)将n值、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代入式(9)，计算得到双折射光纤受轴向应变后的绝对长度L'；
Figure BDA0002201667200000022
7)将L'、L0代入
Figure BDA0002201667200000023
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。
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 BDA0002201667200000024
式中，λ为干涉光谱波长，T(λ)为干涉光谱强度，相角θ＝2πL0B0/λ，L0为光纤初始长度，B0为光纤初始双折射率。
当双折射光纤受轴向应变后，相角变化量Δθ为：
Figure BDA0002201667200000025
式中，εz＝ΔL/L0＝(L'-L0)/L0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)式可得通过L'表示的Δθ表达式为：
Figure BDA0002201667200000026
由(1)、(2)式可得通过εz表示的受轴向应变后的Bi-FLM干涉光谱表达式为：
Figure BDA0002201667200000031
(4)式是通过双折射光纤所受应变εz描述干涉光谱T'(λ)，与参考文献一致，用于与本文下面推导的计算应变的理论表达式对比，以校验本文推导的表达式正确性。
由(1)式、(3)式可得通过L'表示的受轴向应变后的干涉光谱表达式为：
Figure BDA0002201667200000032
欲使(5)式对应干涉光谱T'(λ)的值最小，则：
Figure BDA0002201667200000033
式中，n为整数，λn为整数n对应的波谷波长，其它依此类推。由(6)式解出：
Figure BDA0002201667200000034
由(7)式可得：
Figure BDA0002201667200000035
由(8)式可得：
Figure BDA0002201667200000036
欲使(5)式对应干涉光谱T'(λ)的值最大，则:
Figure BDA0002201667200000037
式中，λ'n为整数n对应的波峰波长，其它依此类推。
由(10)式解出:
Figure BDA0002201667200000038
由(11)式可得:
Figure BDA0002201667200000039
由(12)式可得:
Figure BDA0002201667200000041
由(9)式＝(13)式可得:
Figure BDA0002201667200000042
由(14)式可得:
Figure BDA0002201667200000043
经编程验证，(15)式须取“-”号。故：
Figure BDA0002201667200000044
由(16)式可知，可通过任意连续的2个相邻波谷波长λn和λn+1、2个相邻波峰波长λ'n和λ'n+1计算n值，然后将n值，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(9)式计算双折射光纤受轴向应变后的绝对长度L'，再将L'代入εz＝ΔL/L0＝(L'-L0)/L0计算双折射光纤所受应变大小。该方法可以由任意连续的2个相邻波谷波长λn和λn+1、2个相邻波峰波长λ'n和λ'n+1及光纤初始条件求出双折射光纤所受应变大小。由(16)式、(9)式可知，波谷波长、波峰波长均成对出现，即只与波谷波长、波峰波长的相对位置相关，与波谷波长、波峰波长的绝对位置无关，故该方法计算应变与初始相角无关，可以剔除外界干扰，提高测量精度。该方法无需人为判断干涉光谱左移还是右移，无需人为判断是否是周而复始的干涉光谱，有助于实现在线测量。且该方法只需包含1.5个周期的干涉波形，需要的信息量较小，可以实现双折射光纤长度较短的Bi-FLM传感器的在线测量。
(16)式是基于相角θ+Δθ＝2nπ求出(7)式的波谷波长，基于相角θ+Δθ＝(2n+1)π求出(11)式的波峰波长。根据(7)式、(11)式可得：
Figure BDA0002201667200000045
Figure BDA0002201667200000046
当(17)、(18)式n值相同时，波谷与波峰相邻。由(17)式可知，当双折射光纤所受应变εz为正时，因为波长必须为正数，故n为正，此时λn>λ'n。当双折射光纤所受应变εz为负应变且足够使n为负数时，此时λ'n>λn。由(17)式可知，因为波长必须为正数，要使n为负数，则：
B0+(B0+k)εz＜0 (19)
由(19)式可得:
Figure BDA0002201667200000051
假设双折射光纤长度L0＝0.1m，双折射率B0＝2.6×10-4，双折射应变系数k＝7.3×0.0001/ε，经计算需满足εz<-0.0343915343915344ε，即εz<34391.5343915344με时，才能使n为负数，该应变是个极大的负应变，一般情况下难于产生如此大的负应变，故一般情况下n为正，此时λn>λ'n。下面就n为正时展开讨论，即当满足λn>λ'n时可应用(16)式。
附图说明
图1是双折射光纤环镜传感器原理图。
图2是长度为0.1m的1550nm波长附近Bi-FLM干涉光谱。
图3是长度为0.1m的1310nm波长附近Bi-FLM干涉光谱。
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
本双折射光纤环镜应变传感器在线测量方法，其步骤包括：
1)将3dB光纤耦合器5(3dB couple)、双折射光纤6(Bi-FLM)、光隔离器7(isolator)以及光谱仪构建成双折射光纤环境轴向应变传感器测量系统，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，入射光经光隔离器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；如图1所示，入射光从端口1经光隔离器7进入3dB光纤耦合器5，按1：1分成从端口3顺时针和端口4逆时针相向传输的两束光，最后汇聚在端口2，由于双折射光纤6具有双折射效应，汇聚在端口2的两束光发生干涉。当双折射光纤受到应变时，导致双折射光纤双折射率和双折射光纤长度发生变化，从而导致干涉光谱随之改变，以此实现应变测量；
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连续的2个相邻波谷波长λn和λn+1、2个相邻波峰波长λ'n和λ'n+1；
5)代入公式
Figure BDA0002201667200000061
计算n值；
6)将n值、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代入式(9)，计算得到双折射光纤受轴向应变后的绝对长度L'；
Figure BDA0002201667200000062
7)将L'、L0代入
Figure BDA0002201667200000063
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。
本申请的方法只适合于n为正数的情形，此时λn>λ'n。
当双折射光纤所受应变εz为负应变且足够使n为负数时，此时λ'n>λn。假设双折射光纤长度L0＝0.1m，双折射率B0＝2.6×10-4，双折射应变系数k＝7.3×0.001/ε，经计算需满足εz<-0.0343915343915344ε，即εz<34391.5343915344με时，才能使n为负数，该应变是个极大的负应变，一般情况下难于产生如此大的负应变，因此该特殊情况在本申请中不予考虑。
假设双折射光纤长度L0＝0.1m，双折射率B0＝2.6×10-4，双折射应变系数k＝7.3×0.001/ε，选取波长范围为典型通讯波长1550nm附近，横坐标λ步长增量设置为0.0001nm，(4)式是描述干涉光谱T'(λ)与应变εz的关系表达式，根据(4)式可得各应变对应的干涉光谱T'(λ)。εz＝0με，εz＝200με时的干涉光谱如图2所示。当εz为确定值时，干涉光谱强度T'(λ)是随λ变化的余弦函数，无量纲。
从图2可以看出，当双折射光纤长度L0＝0.1m时，波长在1460nm～1640nm范围内只包含2个相邻波谷波长λn和λn+1、2个相邻波峰波长λ'n和λ'n+1，不包含4个相邻波谷的波长信息，无法用4个波谷波长信息计算应变。由(7)式、(11)式可知λn>λ'n>λn+1>λ'n+1，如图所示。εz＝200με时，2个相邻波谷波长λn和λn+1分别为1634.45nm、1538.3059nm，2个相邻波峰波长λ'n和λ'n+1分别为1584.9212nm、1494.3543nm，将λn，λn+1，λ'n和λ'n+1代入(16)式计算n值，然后将n值，光纤初始长度L0＝0.1m、光纤初始双折射率B0＝2.6×10-4和双折射应变系数k＝7.3×0.001/ε代入(9)式计算双折射光纤的绝对长度L'＝0.100019986682381m，将L'代入εz＝ΔL/L0＝(L'-L0)/L0，计算可得应变εz＝199.866823811373με。
定义表中误差为：
Figure BDA0002201667200000071
其它应变和误差的计算以此类推，表1为计算结果。
表1 1550nm波长附近的计算应变和误差的结果
Figure BDA0002201667200000072
从表1可以看出，通过本申请推导的理论表达式计算的应变与给定应变基本吻合，但仍存在一定误差，最大误差为0.14698744040262％。误差是由于(4)式绘制的Bi-FLM干涉光谱波形横坐标λ步长增量设置为0.0001nm，而非连续步长，导致某些波峰的纵坐标不完全等于1，或某些波谷的纵坐标不完全等于0，只是近似意义上的波峰波谷，如图2中波谷点(1538.3059，3.7537e-13)纵坐标不完全等于0。因此计算的应变也是近似接近理论值，从而与给定应变存在一定误差。
为了验证本申请推导的理论表达式可由任意连续的2个相邻波谷波长λn和λn+1、2个相邻波峰波长λ'n和λ'n+1计算应变大小，本申请选取另一典型通讯波长1310nm附近的λn、λ'n、λn+1、λ'n+1进行计算，εz＝200με时的干涉光谱如图3所示，计算方法同上。各应变与误差计算结果如表2所示。虽然选取的2个相邻波谷波长λn和λn+1、2个相邻波峰波长λ'n和λ'n+1与表1不同，但计算的应变与给定应变仍基本吻合，因此本申请推导的理论表达式计算应变可以由任意连续的2个相邻波谷波长λn和λn+1、2个相邻波峰波长λ'n和λ'n+1进行计算。
表2 1310nm波长附近的计算应变和误差的结果
Figure BDA0002201667200000073
Figure BDA0002201667200000081

Claims (1)

1.一种双折射光纤环镜应变传感器在线测量方法，其步骤包括：
1)将光纤耦合器、双折射光纤、光隔离器以及光谱仪构建成双折射光纤环境轴向应变传感器测量系统，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，入射光经光隔离器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连续的2个相邻波谷波长λn和λn+1、2个相邻波峰波长λ'n和λ'n+1，其中，n为整数，λn为整数n对应的波谷波长，其它依此类推；
5)代入公式
Figure FDA0002810523870000011
计算n值；
6)将n值、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代入式(9)，计算得到双折射光纤受轴向应变后的绝对长度L'；
Figure FDA0002810523870000012
7)将L'、L0代入
Figure FDA0002810523870000013
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。
CN201910867408.1A 2019-09-12 2019-09-12 双折射光纤环镜应变传感器在线测量方法 Active CN110631500B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910867408.1A CN110631500B (zh) 2019-09-12 2019-09-12 双折射光纤环镜应变传感器在线测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910867408.1A CN110631500B (zh) 2019-09-12 2019-09-12 双折射光纤环镜应变传感器在线测量方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110631500A CN110631500A (zh) 2019-12-31
CN110631500B true CN110631500B (zh) 2021-01-05

Family

ID=68971283

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910867408.1A Active CN110631500B (zh) 2019-09-12 2019-09-12 双折射光纤环镜应变传感器在线测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110631500B (zh)

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100340860C (zh) * 2005-06-13 2007-10-03 北京航空航天大学 光纤电流互感器的闭环检测装置
CN101813459B (zh) * 2010-05-07 2012-03-21 上海交通大学 带温度补偿的光纤sagnac干涉环应变传感器
CN102749719B (zh) * 2012-07-13 2015-07-01 珠海保税区光联通讯技术有限公司 新型光学退偏器
WO2014053934A1 (en) * 2012-10-01 2014-04-10 Koninklijke Philips N.V. System and method for registering shape sensing with imaging using an optimal plane
CN103148794B (zh) * 2013-02-07 2015-10-28 南京航空航天大学 一种基于双折射光纤环境的轴向应变测量方法
CN104121983B (zh) * 2014-07-14 2017-06-16 南京林业大学 基于双折射光纤环镜的振动动态监测系统及方法
CN204286372U (zh) * 2014-11-13 2015-04-22 中国船舶重工集团公司第七0四研究所 适用于水下环境的光纤光栅扭矩传感器结构
US10845221B2 (en) * 2016-06-27 2020-11-24 Omnisens Sa Calibration device for distributing sensing technologies
CN107870047A (zh) * 2017-12-27 2018-04-03 北京信息科技大学 基于光纤f‑p腔级联fbg结构的温度及应变双参量光纤传感器

Also Published As

Publication number Publication date
CN110631500A (zh) 2019-12-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103712575B (zh) 光学的弯曲曲率测试方法及传感器
US20040165178A1 (en) Fiber optic sensor for precision 3-D position measurement
CN101929879B (zh) 一种可同时测量温度和压力的光纤传感器
CN205655942U (zh) 一种应变和温度同时测量的光纤传感器
CN102914421B (zh) 一种用于测量光学双折射媒介中偏振串扰的方法及其设备
CN109470309A (zh) 一种折射率和温度同时测量的全光纤传感器及其测量方法
CN104132756B (zh) 一种利用正交偏振模双峰反射谱的光子晶体光纤光栅的压力传感方法
CN106323915B (zh) 一种基于光纤m-z干涉仪检测硫化氢气体的装置
CN204718708U (zh) 一种基于球形和细芯光纤的温度和应变同时测量的传感器
CN110057307A (zh) 一种提高光纤干涉仪应变灵敏度的方法及光纤干涉仪
CN102788768A (zh) 一种基于新型反射式光纤环镜的液体折射率测量方法
CN112525373A (zh) 一种基于双波长保偏光纤干涉仪的应变温度同时测量装置
CN209820413U (zh) 一种光纤干涉仪
CN112484652B (zh) 一组相邻的波峰波谷波长实现双折射光纤环镜应变在线测量方法
CN107063317A (zh) 一种多芯光纤Bragg光栅曲率传感器的解调方法
CN105486425B (zh) 一种温度绝对值测量方法及测量装置
CN113188468B (zh) 基于双芯少模光纤倾斜光栅的矢量弯曲传感系统及方法
CN110631500B (zh) 双折射光纤环镜应变传感器在线测量方法
Jin et al. Analysis and correction method of axial strain error in multi-core fiber shape sensing
Liu et al. Dual-Parameter Fiber Sensors for Salinity and Temperature Measurement Based on a Tapered PMF Incorporated With an FBG in Sagnac Loop
Zhang et al. Intensity Demodulation of Optical Vernier-effect: An Intelligent Algorithm Approach
CN108827189B (zh) 一种基于反射式微纳光纤耦合器的扭转传感器
CN105675258A (zh) 一种基于干涉级数的高双折射光纤拍长测量方法及测量装置
CN112556595B (zh) 一种光纤fpi传感器、测量装置及测量方法
CN113494890B (zh) 基于fpi干涉仪的光纤光栅应变传感器精度测量装置及方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant