CN112710248A - 一种基于全保偏光纤反射式双折射干涉应变传感器 - Google Patents

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祝连庆
毕付
牛海莎
张东亮
鹿利单
袁配
何巍
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Abstract

本发明提供一种基于全保偏光纤反射式双折射干涉应变传感器，传感器包括第一保偏光纤、第二保偏光纤和耦合器，第一保偏光纤旋转45°与第二保偏光纤熔接，第二保偏光纤端部涂覆有镀金层；耦合器三端分别连接起偏器、手动检偏器和第一保偏光纤端部。本发明通过错熔保偏光纤作为传感头进行应变实验，装置简单且易于制作；所发明的器件结构简单，稳定性可靠，灵敏度高；成本较低、重复性高，易于实现器件的批量加工。

Description

一种基于全保偏光纤反射式双折射干涉应变传感器
技术领域
本发明属于光纤传感领域，特别涉及一种基于全保偏光纤反射式双折射干涉应变传感器。
背景技术
光纤传感是20世纪70年代随着光纤通信技术发展起来的一个研究方向。和传统的传感技术相比，光纤传感具有无源、抗电磁干扰、寿命长等优点。应变量是表征各种结构健康状况的一个主要物理指标，我们需要一种能便捷准确测出应力的传感器。光纤传感技术中的一个重要组成部分是光纤应变传感器，根据不通的信息调制方式可以分为强度调制型、偏振调制型、波长调制型和相位调制型。
在众多应变光纤传感器中，基于保偏光纤的应变传感器随着研究的深入走在了科技的前端，这是一种基于模间干涉原理的新型光纤应变传感器。具有动态范围大、空间分辨率高、可实现分布式测量等出色特点，因而吸引众多科研工作者的研究。H.Y.Hu等人在2008年提出了基于Sagnac干涉结构的保偏光子晶体光纤压力传感器,2012年C.Shen等人研究报道了基于Mach-Zehnder干涉测量弯曲的保偏光纤传感器。
本发明中所涉及的是保偏光纤应变传感器是属于偏振调制型应变传感器，通过调制光信息的偏振态来相应解调外界的应变参量。目前光纤生产、制造技术呈现多样化和创新化，在此过程中也出现了具有特殊结构的新型光纤。保偏光纤(PolarizationMaintaining Fiber,PMF)便是其中一种，PMF因携带了特殊偏振保持能力又被称为偏振保持光纤。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于全保偏光纤反射式双折射干涉应变传感器，，增加装置的适用性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于全保偏光纤反射式双折射干涉应变传感器，所述传感器包括第一保偏光纤、第二保偏光纤和耦合器，所述第一保偏光纤旋转45°与所述第二保偏光纤熔接，所述第二保偏光纤端部涂覆有镀金层；所述耦合器三端分别连接起偏器、手动检偏器和所述第一保偏光纤端部；
其中，经过所述第二保偏光纤和所述第一保偏光纤出射光叠加后的光强为：
Figure BDA0002823025340000021
E表示为经过所述镀金层反射后的偏振光的振幅；I0＝|E0|2，E0表示为入射光经过所述起偏器输出光的复振幅；
Figure BDA0002823025340000022
表示为所述检偏器与所述第一保偏光纤间夹角；L为所述第一保偏光纤和所述第二保偏光纤的长度；B表示为两个正交偏振模的有效折射率之差；λ表示为入射光波长。
优选的，入射光经所述起偏器变为线偏振光，所述起偏器出光纤的偏振方向是与两个正交偏振模再经过所述手动检偏器产生干涉。
优选的，所述两个正交偏振模的有效折射率之差通过压力改变而改变。
一种基于全保偏光纤反射式双折射干涉应变传感器测试方法，所述方法包括以下步骤：步骤a、将第二保偏光纤端部涂覆镀金层，将涂覆所述镀金层的所述第二保偏光纤粘贴在等强度梁上，将第一保偏光纤旋转45°与所述第二保偏光纤另一端熔接；步骤b、耦合器三端分别连接所述第一保偏光纤另一端部、起偏器和手动检偏器，所述起偏器上连接宽谱光源，所述手动检偏器上连接有光谱仪；步骤c、由所述宽谱光源输出的普通光源通过所述起偏器后形成偏振光，激励起所述第一保偏光纤和所述第二保偏光纤中的正交模式Ex和Ey，对应两个轴的传播常数为βx和βy；步骤d、当环境温度改变时，所述第一保偏光纤和所述第二保偏光纤的温度双折射效应使得传感光纤中两本征模的传播常数差发生变化，进而使得本征模间的相位差随之变化；步骤e、两正交偏振模再通过所述检偏器产生干涉，可在所述光谱仪上观测到干涉光谱。
优选的，所述第二保偏光纤传感头粘贴在所述等强度梁上，通过调节微分头来改变应变大小。
优选的，每个干涉波谷波长漂移趋势与应变变化成线性关系，波谷的波长均随着应变的增加发生红移。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明通过错熔保偏光纤作为传感头进行应变实验，装置简单且易于制作；
2、本发明的器件结构简单，稳定性可靠，灵敏度高；
3、本发明的器件成本较低、重复性高，易于实现器件的批量加工。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出了本发明干涉式测量原理示意图；
图2示意性示出了本发明传感系统示意图；
图3示意性示出了本发明光纤传感头粘贴示意图；
图4示意性示出了本发明不同卸载应变下传感器的干涉谱示意图；
图5示意性示出了本发明应变卸载时波谷应变线性拟和图。
图中：
1、起偏器 2、镀金层
3、第一保偏光纤 4、第二保偏光纤
5、等强度梁 6、熔接点
7、保偏耦合器 8、手动检偏器
9、光谱仪 10、宽谱光源
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
基于全保偏光纤反射式双折射干涉应变传感器，利用保偏光纤内传输的两个偏振态之间的干涉易受环境参量影响的特点，实现高灵敏度应变测量。具有加工方便、使用寿命长、灵敏度高的优点。
由于PMF具有高双折射特性，允许光波在其内部一两个具有不同传播常数的正交偏振态传输且相互耦合，正交偏振态的电矢量分布也会由于外界的扰动而发生相应的变化。根据以上理论，外界扰动将会引起PMF双折射发生变化，引起偏振模之间的耦合作用和相位差发生变化，导致输出光谱的变化。
光在光纤中传播时，存在多种不同模式的光。由于不同模式的光具有不通的传播常数，在光纤中传播相同的距离是会产生相位差，在光场相遇点叠加(满足产生干涉的条件)形成干涉。根据光的干涉理论可知，保偏光纤中要产生光的干涉必须使光场振动方向一致，为了实现模间干涉首先要激励起保偏光纤中的两正交偏振模的模式。通常是光源发出的光经起偏器1变为线偏振光，起偏器1出光纤的偏振方向是与两个正交偏振模再经过检偏器8产生干涉。
如图1所示，入射光经过起偏器1和旋转一定角度的保偏光纤后，激励起的两正交模的复振幅可以表示为：
Figure BDA0002823025340000051
其中，θ为第一保偏光纤3和第二保偏光纤4间的夹角，E0为入射光经过起偏器1输出光的复振幅。βx、βy为第一保偏光纤3和第二保偏光纤4中两正交模式对应坐标轴的传播常数，L为第一保偏光纤3和第二保偏光纤4的长度。
当光束到达右侧镀金层2被反射回去，再次经过错熔角为θ的两段光纤。此时系统相干输出振幅为：
Figure BDA0002823025340000052
令手动检偏器8与第一保偏光纤3和第二保偏光纤4间夹角夹角为
Figure BDA0002823025340000053
则此时偏振光的振幅分别可表示为：
Figure BDA0002823025340000054
令I0＝|E0|2，则出射光叠加后的光强为：
Figure BDA0002823025340000055
其中ψ为偏振光出射时的相位差，表达式为：
Figure BDA0002823025340000056
式中B为第一保偏光纤3和第二保偏光纤4双折射，光强与波长间的关系：
Figure BDA0002823025340000061
当压力改变时，第一保偏光纤3和第二保偏光纤4双折射B发生改变，导致干涉峰发生漂移。记录数据并拟合出干涉峰漂移量和压力变化量之间关系图，研究反射式双折射压力传感器的灵敏度特性。
如图2是传感系统的示意图，主要包括以下几个部分：宽谱光源10(ASE，1530-1565nm)、起偏器1(THORLAB,ILP1550PM-FC)、保偏耦合器7、手动检偏器8、等强度梁5、光谱仪9(OSA，AQ6370D，YOKOGAWA，600-1700nm，分辨率0.02nm)。
由ASE10输出的普通光源通过起偏器1后形成偏振光，激励起第一保偏光纤3和第二保偏光纤4中的正交模式Ex和Ey，对应两个轴的传播常数为βx和βy。当环境温度改变时，第一保偏光纤3和第二保偏光纤4的温度双折射效应使得传感光纤中两本征模的传播常数差发生变化，进而使得本征模间的相位差随之变化。两正交偏振模再通过手动检偏器8产生干涉，可在光谱仪9上观测到干涉光谱。
实验中使用Yokogawa公司生产的光纤传感分析仪，进行反射光谱的采集。旋转角度差45°熔接的保偏光纤传感头(长度为5cm)粘贴在等强度梁5上，通过调节微分头来改变应变大小。传感器安装完成后在恒温下进行加载与卸载标定实验(如图3所示)。
本发明采用相对应变值，即转动微分头，在光谱仪上观察反射谱开始移动时记为初始值，其后转动微分头进行加载实验，微分头控制的行程范围为8～20mm。实验中等强度梁5的微分头每转动1mm，在水平方向上的形变为10μs。选取两个波段的波谷Dip 1、Dip 2测试(如图4、图5所示)。
由实验结果可知，每个干涉波谷波长漂移趋势与应变变化成线性关系，卸载时候线性度均达90％以上，其中峰谷2的线性度达到98.6％。两个波谷的波长均随着应变的增加发生红移。
本发明的有益效果：本发明通过错熔保偏光纤作为传感头进行应变实验，装置简单且易于制作；所发明的器件结构简单，稳定性可靠，灵敏度高；成本较低、重复性高，易于实现器件的批量加工。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (6)

1.一种基于全保偏光纤反射式双折射干涉应变传感器，其特征在于，所述传感器包括第一保偏光纤、第二保偏光纤和耦合器，所述第一保偏光纤旋转45°与所述第二保偏光纤熔接，所述第二保偏光纤端部涂覆有镀金层；所述耦合器三端分别连接起偏器、手动检偏器和所述第一保偏光纤端部；
其中，经过所述第二保偏光纤和所述第一保偏光纤出射光叠加后的光强为：
Figure FDA0002823025330000011
E表示为经过所述镀金层反射后的偏振光的振幅；I0＝|E0|2，E0表示为入射光经过所述起偏器输出光的复振幅；
Figure FDA0002823025330000012
表示为所述检偏器与所述第一保偏光纤间夹角；L为所述第一保偏光纤和所述第二保偏光纤的长度；B表示为两个正交偏振模的有效折射率之差；λ表示为入射光波长。
2.根据权利要求1所示的传感器，其特征在于，入射光经所述起偏器变为线偏振光，所述起偏器出光纤的偏振方向是与两个正交偏振模再经过所述手动检偏器产生干涉。
3.根据权利要求1所示的传感器，其特征在于，所述两个正交偏振模的有效折射率之差通过压力改变而改变。
4.一种基于全保偏光纤反射式双折射干涉应变传感器测试方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤a、将第二保偏光纤端部涂覆镀金层，将涂覆所述镀金层的所述第二保偏光纤粘贴在等强度梁上，将第一保偏光纤旋转45°与所述第二保偏光纤另一端熔接；
步骤b、耦合器三端分别连接所述第一保偏光纤另一端部、起偏器和手动检偏器，所述起偏器上连接宽谱光源，所述手动检偏器上连接有光谱仪；
步骤c、由所述宽谱光源输出的普通光源通过所述起偏器后形成偏振光，激励起所述第一保偏光纤和所述第二保偏光纤中的正交模式Ex和Ey，对应两个轴的传播常数为βx和βy；
步骤d、当环境温度改变时，所述第一保偏光纤和所述第二保偏光纤的温度双折射效应使得传感光纤中两本征模的传播常数差发生变化，进而使得本征模间的相位差随之变化；
步骤e、两正交偏振模再通过所述检偏器产生干涉，可在所述光谱仪上观测到干涉光谱。
5.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述第二保偏光纤传感头粘贴在所述等强度梁上，通过调节微分头来改变应变大小。
6.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，每个干涉波谷波长漂移趋势与应变变化成线性关系，波谷的波长均随着应变的增加发生红移。
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