CN110806274B - 基于多纵模自混合效应的应变传感测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本分案申请涉及光学测量技术领域，具体为一种基于多纵模自混合效应的应变传感测量装置及方法，测量装置包括多纵模激光器、传感单元、振动目标、滑动装置、分光元件、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元，测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光器出射激光经传感单元后入射到振动目标上，然后再反馈回多纵模激光器谐振腔内形成自混合信号，上述过程中传感单元发生改变引起自混合信号波形改变，通过调节滑动装置使振动目标发生微移，形成在不同激光器外腔长度下的自混合信号，利用光电探测器采集不同外腔长度下的自混合信号，再利用信号预处理单元和信号处理单元进行处理，即可得出传感单元的变化，本案测量成本低、光路简单、测量精度高。

Description

基于多纵模自混合效应的应变传感测量装置及方法

本申请为申请号201810327444.4、申请日2018年4月12日、发明名称“基于多纵模自混合效应的传感测量装置及方法”的分案申请。

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种基于多纵模自混合效应的应变传感测量装置及方法。

背景技术

利用光学进行精密测量，一直是计量测量技术领域中的主要方法，目前，光学测量方法因其非接触测量、测量灵敏度高、测量精度高等优点已被成熟应用于温度测量、电压测量、磁场测量、应变测量、液体浓度测量等测量场合。

在应变测量技术领域，传统的应变测量方法主要是利用电阻应变计(电阻应变片)来实现测量。该方法一般只能测量构件表面应变，难于显示其内部应变，并且存在测量仪器体积大、测量灵敏度低、动态范围小，不易被埋置在复合材料中等缺点。利用光学测量应变的方法主要包括光弹性测量法、全息干涉法、云纹法、光纤光栅法、传统光学干涉法等，其中光弹性测量法、全息干涉法、云纹法等方法存在受力模型复杂、测量材料有限、处理过程繁琐，处理数据量过大等问题；光纤光栅法则均需接入光谱仪观察不同应变下光栅反射波长的具体位置，测量成本较高且易受环境影响。而传统光学干涉法(如迈克尔逊、马赫-曾德尔等干涉法等)则需通过采集传感臂和参考臂间的干涉信号来获得应变大小，由于信号光和参考光处在不同光路，受环境影响较大，结构复杂且调试困难；法布里- 帕罗型应变传感器则是利用空气腔中光的干涉效应对应变进行传感，但空气腔易受环境干扰且光程有一定限制，不适合高灵敏度应变测量。

发明内容

针对现有技术中利用光学传感技术测量应变时存在的问题，本发明提供基于多纵模自混合效应的传感测量装置，能够实现应变的传感测量。

为实现测量应变的技术目的，本发明的技术方案是：

一种基于多纵模自混合效应的应变传感测量装置，包括含尾纤的多纵模激光器、传感单元、振动目标、滑动装置、分光元件、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元；

所述振动目标能够发生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构；

所述传感单元包括第一平台、第二平台和传感光纤；所述第一平台和第二平台沿应变变化方向顺序设置，所述第一平台固定不动，所述第二平台能够相对第一平台沿应变变化方向移动，所述传感光纤的中段均匀粘贴在第一平台和第二平台上；

所述多纵模激光器用于出射激光，所述多纵模激光器的尾纤与传感光纤的一端相连，所述传感光纤另一端出射的激光入射到振动目标的振动面上，经反射结构反射后沿原路反馈回多纵模激光器谐振腔内，形成激光自混合信号；

所述振动目标底部固定于滑动装置上，通过调节滑动装置能够使振动目标沿出射激光方向发生移动；

所述分光元件为耦合器，用于将激光自混合信号分束到光电探测器上；

所述光电探测器用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元；

所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理包括整形、放大、滤波；

所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得第二平台移动引起的传感光纤的应变变化。

基于上述测量装置的应变测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光器出射激光到振动目标上，出射激光经反射结构反射后，反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，在形成激光自混合信号的过程中，第二平台相对第一平台发生移动，导致传感光纤发生应变变化，进而导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿出射激光所在光路方向发生微移，以改变振动目标距离多纵模激光器的距离，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出第二平台移动引起的传感光纤的应变变化，具体测量分析方法如下：

对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据相关干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：

式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I₀为初始光强，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，φ_tj为j模式激光在外腔往返一周的相位，φ_tj(t)为j模式激光在外腔往返一周的实时相位，k_0j为真空中j模式的波数，op_t(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共轭,计算中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：

式(2)中φ_0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφ_sj为应变引起的传感单元相位变化，δφ_cj为补偿相位变化，测应变时，δφ_sj＝-δφ_cj，op₀为激光器外腔初始光程，δop_s为应变引起的传感单元光程变化，δop_c为补偿光程，n_c为外腔空气折射率，其值为1，n_s为传感光纤的折射率，L_s为激光在传感光纤中传输的实际路径的总几何长度，L_c为补偿长度；

式(3)中ω₀为激光的角频率，c为真空中的光速，n_g为激光器谐振腔介质群折射率，L₀为激光器谐振腔腔长；

将式(3)代入式(1)得：

如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍：

φ_tj＝k_0jop_t＝2mk_0jn_gL₀＝mφ_gj 式(5)

即：

op_t＝2mn_gL₀ 式(6)

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φ_gj为激光在激光器谐振腔内往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波形分立，从式(5)可知，当传感光纤所受应变改变时，光在传感光纤传输时的相位会发生改变，导致各个模式的φ_tj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变外界反馈物位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波形，再通过测量外界反馈物位置得到补偿相位变化δφ_cj，进而获得传感光纤应变引起的传感单元相位变化δφ_sj，这里，由传感单元应变引起的传感单元相位变化与应变的关系如下式所示：

式(7)中，ε为应变，L_s0为激光在传感光纤中传输的实际路径的总初始几何长度，n_s0为传感光纤中的初始折射率，n_s为传感光纤中的折射率，

为传感光纤的应变系数，ν为激光输出频率，a为传感光纤半径，

为由于传感光纤半径变化导致的折射率变化，单模光纤中此值忽略不计，因此，应变引起的相位变化可表示为下式：

δφ_sj＝k_0jn_s0ξL_s0ε 式(8)

利用补偿相位并结合传感光纤材料初始折射率n_s0、激光在传感光纤中传输实际路径的总初始几何长度L_s0、传感光纤应变系数ξ进行计算，可得施加在传感光纤上的应变变化。

从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：

1.测量装置的传感单元为无源光学传感器,本身无需供电；

2.测试装置体积较小，成本较低；

3.能够实现非接触实时高精度测量；

4.测量装置光路为单光路，受环境干扰小且结构简单、调节光路方便；

5.可通过传感单元参数设计及选择不同外腔测量工具调节测量灵敏度和分辨率。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例的仿真模拟结果示意图。

具体实施方式

结合图1和图2，详细说明本发明的实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。

如图1所示，一种基于多纵模自混合效应的应变传感测量装置，包括含尾纤的多纵模激光器1、传感单元2、振动目标3、滑动装置4、分光元件5、光电探测器6、信号预处理单元7和信号处理单元8；振动目标3能够发生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构；传感单元2包括第一平台24、第二平台25和传感光纤21；第一平台24和第二平台25沿应变变化方向顺序设置，第一平台 24固定不动，第二平台25能够相对第一平台24沿应变变化方向移动，传感光纤21的中段均匀粘贴在第一平台24和第二平台25上；多纵模激光器1用于出射激光，多纵模激光器的尾纤与传感光纤21的一端相连，传感光纤21另一端出射的激光入射到振动目标3的振动面上，经反射结构反射后沿原路反馈回多纵模激光器1谐振腔内，形成激光自混合信号；振动目标3底部固定于滑动装置上，通过调节滑动装置4能够使振动目标沿出射激光方向发生移动；分光元件5采用耦合器，用于将激光自混合信号分束到光电探测器6上；光电探测器6用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元7；信号预处理单元7用于对接收到的电信号进行预处理，预处理至少包括整形、放大、滤波；信号处理单元8用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得第二平台25移动引起的传感光纤21的应变变化。

上述装置中：

1.滑动装置4包括滑轨41及设于滑轨41上的滑块42，振动目标底部固定于滑块42上；滑轨41与出射激光处于同一直线上；

2.反射结构可以为反射平面镜，也可以为反射膜等具有散射特性或者反射特性材料；

3.振动目标3可以采用由信号发生器31驱动的扬声器32或者压电陶瓷，图1 中分别用实线和虚线表示的两个扬声器32，分别代表扬声器随滑动装置滑动时滑动前和滑动后的位置；

4.信号处理单元8可以为计算机、示波器或者频谱仪。

基于上述测量装置的应变测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光器出射激光到振动目标上，出射激光经反射结构反射后，反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，上述过程中第二平台相对第一平台发生移动，导致传感光纤发生应变变化，进而导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿出射激光所在光路方向发生微移，以改变振动目标距离多纵模激光器的距离，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出第二平台移动引起的传感光纤的应变变化，具体测量分析方法如下：

对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据相关干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：

式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I₀为初始光强，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，φ_tj为j模式激光在外腔往返一周的相位，φ_tj(t)为j模式激光在外腔往返一周的实时相位，k_0j为真空中j模式的波数，op_t(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共轭,计算中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：

式(2)中φ_0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφ_sj为应变引起的传感单元相位变化，δφ_cj为补偿相位变化，测应变时，δφ_sj＝-δφ_cj，op₀为激光器外腔初始光程，δop_s为应变引起的传感单元光程变化，δop_c为补偿光程，n_c为外腔空气折射率，其值为1，n_s为传感光纤的折射率，L_s为激光在传感光纤中传输的实际路径的总几何长度，L_c为补偿长度；

式(3)中ω₀为激光的角频率，c为真空中的光速，n_g为激光器谐振腔介质群折射率，L₀为激光器谐振腔腔长；

将式(3)代入式(1)得：

如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍：

φ_tj＝k_0jop_t＝2mk_0jn_gL₀＝mφ_gj 式(5)

即：

op_t＝2mn_gL₀ 式(6)

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φ_gj为激光在激光器谐振腔内往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波形分立，从式(5)可知，当传感光纤所受应变改变时，光在传感光纤传输时的相位会发生改变，导致各个模式的φ_tj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变外界反馈物位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波形，再通过测量外界反馈物位置得到补偿相位变化δφ_cj，进而获得传感光纤应变引起的传感单元相位变化δφ_sj，这里，由传感单元应变引起的传感单元相位变化与应变的关系如下式所示：

式(7)中，ε为应变，L_s0为激光在传感光纤中传输的实际路径的总初始几何长度，n_s0为传感光纤中的初始折射率，n_s为传感光纤中的折射率，

为传感光纤的应变系数，ν为激光输出频率，a为传感光纤半径，

为由于传感光纤半径变化导致的折射率变化，单模光纤中此值忽略不计，因此，应变引起的相位变化可表示为下式：

δφ_sj＝k_0jn_s0ξL_s0ε 式(8)

利用补偿相位并结合传感光纤材料初始折射率n_s0、激光在传感光纤中传输实际路径的总初始几何长度L_s0、传感光纤应变系数ξ进行计算，可得施加在传感光纤上的应变变化。

基于上述技术方案建立实验装置，实验装置双模LD激光器，采用利用仿真软件进行模拟仿真，为简单起见，我们这里仅考虑幅度相同的双模LD激光自混合信号的强度叠加波形，具体的仿真参数如下：op₀＝29032.50mm,δop_c＝0mm， k₀＝9.378×10⁶，L_s0＝20.00m，n_s0＝1.45，n_g＝3.5，L₀＝300μm时，应变为13×10^-6。

仿真模拟如图2所示，从图2可以看出，当应变为0时，此时激光器外腔初始光程为29032.50mm,为n_gL₀的整数倍，m＝27650,此时激光自混合信号波形不发生分立。当传感单元光纤应变增加15×10^-6时，光纤应变变化导致传感单元相位发生微小变动，重叠后的激光自混合信号波形发生分立，此时我们微调补偿外腔长度为0.3mm,此时激光器外腔相位再次成为φ_g的整数倍，m＝27650,叠加后的激光自混合信号波形分立消失，通过测量补偿相位，最终获得相应传感单元光纤应变的变化，实现对激光器传感单元应变的测量。

由公式(8)可以进一步获得该微应变传感器外腔变化灵敏度S_mLc和邻级应变差Δε_m，S_mLc和Δε_m均是由传感单元光纤长度、材料折射率及光纤应变系数，泊松比，应变光学常数共同决定的。其中，外腔变化灵敏度S_mLc是指单位应变变化引起的补偿外腔长度变化。邻级应变差Δε_m是指应变ε₂(变化后)引起的外腔等相位点位置(m+1级)与微应变ε₁(变化前)外腔等相位点位置(m级)所对应的邻级应变差值。一般而言，在应变测量过程中，如果连续两次测量间隔中的测量应变差大于邻级应变差Δε_m，须记录连续两次测量间隔中自混合信号波形变化周期数即m值的改变量，通过调节补偿外腔长度，使激光自混合信号波形恢复到第m 级对应的信号波形重合位置。

式(9)和(10)为外腔变化灵敏度S_mLc和邻级应变差Δε_m表达式：

采用本实施例所述的装置进行应变测量时，具有以下优点：

1.测量装置的传感单元为无源光学传感器,本身无需供电；

2.测试装置体积较小，成本较低；

3.能够实现非接触实时高精度测量；

4.测量装置光路为单光路，受环境干扰小且结构简单、调节光路方便；

5.可通过传感单元参数设计及选择不同外腔测量工具调节应变测量灵敏度和分辨率。

为了提高本实施例所述的测量装置性能，对装置可以进行以下改进：

1.在分光元件5与振动目标3之间的光路上增加光衰减器9，通过光衰减器 9，调节光反馈光的强度。

2.多纵模激光器1采用半导体激光器，利用半导体激光器的特点，将光电二极管集成于半导体激光器内实现光电探测器的功能，从而使得整个装置的光路得以简化，去掉分光元件和光电探测器；

3.为了提高出射激光的准直性能，传感光纤21的另一端连接准直器10，通过准直器10保证激光平行出射至振动目标上。

综上所述，本发明具有以下优点：

1.测量装置的传感单元为无源光学传感器,本身无需供电；

2.测试装置体积较小，成本较低；

3.能够实现非接触实时高精度测量；

4.测量装置光路为单光路，受环境干扰小且结构简单、调节光路方便；

5.可通过传感单元参数设计及选择不同外腔测量工具调节测量灵敏度和分辨率。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于多纵模自混合效应的应变传感测量装置，其特征在于：包括含尾纤的多纵模激光器、传感单元、振动目标、滑动装置、分光元件、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元；

所述振动目标能够发生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构；

所述传感单元包括第一平台、第二平台和传感光纤；所述第一平台和第二平台沿应变变化方向顺序设置，所述第一平台固定不动，所述第二平台能够相对第一平台沿应变变化方向移动，所述传感光纤的中段均匀粘贴在第一平台和第二平台上；

所述多纵模激光器用于出射激光，所述多纵模激光器的尾纤与传感光纤的一端相连，所述传感光纤另一端出射的激光入射到振动目标的振动面上，经反射结构反射后沿原路反馈回多纵模激光器谐振腔内，形成激光自混合信号；

所述振动目标底部固定于滑动装置上，通过调节滑动装置能够使振动目标沿出射激光方向发生移动；

所述分光元件为耦合器，用于将激光自混合信号分束到光电探测器上；

所述光电探测器用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元；

所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理包括整形、放大、滤波；

所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得第二平台移动引起的传感光纤的应变变化。

2.基于权利要求1所述的基于多纵模自混合效应的应变传感测量装置的应变测量方法，其特征在于：振动目标发生振动，多纵模激光器出射激光到振动目标上，出射激光经反射结构反射后，反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，在形成激光自混合信号的过程中，第二平台相对第一平台发生移动，导致传感光纤发生应变变化，进而导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿出射激光所在光路方向发生微移，以改变振动目标距离多纵模激光器的距离，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出第二平台移动引起的传感光纤的应变变化，具体测量分析方法如下：

对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据相关干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：

式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I₀为初始光强，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，φ_tj为j模式激光在外腔往返一周的相位，φ_tj(t)为j模式激光在外腔往返一周的实时相位，k_0j为真空中j模式的波数，op_t(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共轭,计算中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：

式(2)中φ_0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφ_sj为应变引起的传感单元相位变化，δφ_cj为补偿相位变化，测应变时，δφ_sj＝-δφ_cj，op₀为激光器外腔初始光程，δop_s为应变引起的传感单元光程变化，δop_c为补偿光程，n_c为外腔空气折射率，其值为1，n_s为传感光纤的折射率，L_s为激光在传感光纤中传输的实际路径的总几何长度，L_c为补偿长度；

式(3)中ω₀为激光的角频率，c为真空中的光速，n_g为激光器谐振腔介质群折射率，L₀为激光器谐振腔腔长；

将式(3)代入式(1)得：

如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍：

φ_tj＝k_0jop_t＝2mk_0jn_gL₀＝mφ_gj 式(5)

即：

op_t＝2mn_gL₀ 式(6)

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φ_gj为激光在激光器谐振腔内往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波形分立，从式(5)可知，当传感光纤所受应变改变时，光在传感光纤传输时的相位会发生改变，导致各个模式的φ_tj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变外界反馈物位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波形，再通过测量外界反馈物位置得到补偿相位变化δφ_cj，进而获得传感光纤应变引起的传感单元相位变化δφ_sj，这里，由传感单元应变引起的传感单元相位变化与应变的关系如下式所示：

式(7)中，ε为应变，L_s0为激光在传感光纤中传输的实际路径的总初始几何长度，n_s0为传感光纤中的初始折射率，n_s为传感光纤中的折射率，

为传感光纤的应变系数，ν为激光输出频率，a为传感光纤半径，

为由于传感光纤半径变化导致的折射率变化，单模光纤中此值忽略不计，因此，应变引起的相位变化可表示为下式：

δφ_sj＝k_0jn_s0ξL_s0ε 式(8)

利用补偿相位并结合传感光纤材料初始折射率n_s0、激光在传感光纤中传输实际路径的总初始几何长度L_s0、传感光纤应变系数ξ进行计算，可得施加在传感光纤上的应变变化。

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