CN112964190A - 一种基于拉锥长周期光纤光栅的应变测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及长周期光纤光栅技术领域，具体涉及一种基于拉锥长周期光纤光栅的应变测量方法，其获取拉锥长周期光纤光栅单处固定波长的透射强度值，并根据该透射强度值以及该单处固定波长所对应的单波长透射强度与应变关系计算得到对应的应变值。本发明还进一步公开了分别获取拉锥长周期光纤光栅两处固定波长的透射强度值，并根据两个透射强度值以及该两处固定波长所对应的双波长透射强度差值与应变关系计算得到对应的应变值的应变测量方法。本发明中的应变测量方法能够基于拉锥长周期光纤光栅的固定波长透射强度来测量应变，从而能够简化测量设备并降低测量成本。

Description

一种基于拉锥长周期光纤光栅的应变测量方法
技术领域
本发明涉及长周期光纤光栅技术领域，具体涉及一种基于拉锥长周期光纤光栅的应变测量方法。
背景技术
光纤光栅在光纤激光器和光纤传感领域的研究和应用非常重要，光栅周期为几十至几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光栅(LPFG)，其特点是同向传输的纤芯基模和包层模之间耦合，基本无后向反射光，属于透射型带阻滤波器。与光纤布拉格光栅相比(FBG)，长周期光纤光栅的谐振波长和谐振强度对外界环境的变化非常敏感，具有更大的应变灵敏度系数；同时，在光纤激光器领域，利用其敏感特性可以对透射谱峰进行调谐，作为可调谐滤波器能够实现波长可切换激光输出。因此，长周期光纤光栅具有更多的优点，在光纤传感和光纤激光领域具有更大的发展潜力和应用前景。
随着对光纤光栅研究的逐渐深入，长周期光纤光栅的应用范围越来越广。在通信领域中的带通滤波、光纤光源都有着鲜为人知的研究成果。在传感领域，长周期光纤光栅对温度、应力、微弯及折射率变化敏感，因此在温度传感、振动测量、液体气体传感等方面也具有巨大潜能。公开号为CN102162753B的中国专利就公开了《同时测量长周期光纤光栅温度与应变的传感器结构》，其选用高频CO2激光脉冲在光纤中写入的不同周期的一对长周期光纤光栅，分别为一个只对温度变化敏感的长周期光纤光栅，和一个对温度和应变变化均敏感的长周期光纤光栅，将两个长周期光纤光栅进行级联使用，可以准确测出温度和应变各自的变化。
上述现有方案中的传感器结构能够通过长周期光纤光栅实现应变测量。但是，现有的应变测量方法一般是基于长周期光纤光栅的波长变化来实施的，而测量波长时不仅需要光谱仪等复杂设备，而且对于光源的要求很高，导致现有测量方法存在操作繁琐和测量成本高等问题。然而，申请人在实际研究中发现，拉锥长周期光纤光栅的固定波长透射强度与应变之间存在一定关系，同时申请人发现如果基于拉锥长周期光纤光栅的固定波长透射强度来测量应变，不仅能够简化测量设备及操作，而且对于光源没有要求，能够极大的降低测量成本。因此，申请人想到设计一种能够基于拉锥长周期光纤光栅的固定波长透射强度来测量应变的应变测量方法。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够基于拉锥长周期光纤光栅的固定波长透射强度来测量应变的应变测量方法，从而能够简化测量设备并降低测量成本。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种基于拉锥长周期光纤光栅的应变测量方法，获取拉锥长周期光纤光栅单处固定波长的透射强度值，并根据该透射强度值以及该单处固定波长所对应的单波长透射强度与应变关系计算得到对应的应变值。
优选的，单波长透射强度与应变关系为e指数变化关系。
优选的，单波长透射强度与应变关系通过如下步骤计算：
S1：选取拉锥长周期光纤光栅的某一处波长作为固定波长；
S2：在应变值变化过程中多次测量该固定波长的透射强度值，并记录各次测量对应的应变值；
S3：对多次测量的透射强度值及其对应的应变值进行线性拟合，得到该固定波长对应的透射强度、应变对应曲线；
S4：对该透射强度、应变对应曲线进行求解，以得到该固定波长对应的单波长透射强度与应变关系。
优选的，单波长透射强度与应变关系通过如下公式表示：
Figure BDA0002978508640000021
式中，y表示透射强度值，x表示应变值，a、b、c分别表示根据固定波长预测定的系数。
优选的，当固定波长为1485nm时，单波长透射强度与应变关系表示为：
Figure BDA0002978508640000022
优选的，当固定波长为1511.5nm时，单波长透射强度与应变关系表示为：
Figure BDA0002978508640000023
优选的，分别获取拉锥长周期光纤光栅两处固定波长的透射强度值，并根据两个透射强度值以及该两处固定波长所对应的双波长透射强度差值与应变关系计算得到对应的应变值。
优选的，双波长透射强度差值与应变关系为线性变化关系。
优选的，双波长透射强度差值与应变关系通过如下公式表示：z＝d-e*x，式中，z表示两个透射强度值的差值，x表示应变值，d和e均表示根据两处固定波长预测定的系数。
优选的，当两处固定波长分别为1485nm和1511.5nm时，双波长透射强度差值与应变关系表示为：z＝16.41-0.018*x。
优选的，拉锥长周期光纤光栅的最小腰椎直径为90um，最小直腰椎长度为0.1mm，左右腰椎长度为0.2mm。
本发明中基于拉锥长周期光纤光栅的应变测量方法与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明中，能够根据透射强度值以及对应的单波长透射强度与应变关系计算应变值，即能够根据拉锥长周期光纤光栅的单处固定波长透射强度值计算应变值，这不仅能够简化测量设备及操作，而且对于光源没有特别要求，能够极大的降低测量成本。
2、本发明中，还能够根据两个透射强度值以及对应的双波长透射强度差值与应变关系计算应变值，即能够根据拉锥长周期光纤光栅的双固定波长透射强度值计算应变值，从而能够在简化测量设备并降低测量成本的前提下，进一步消除光源对测量结果的影响。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为实施例一中拉锥长周期光纤光栅的结构示意图；
图2为实施例一中固定波长为1485nm时的拟合示意图；
图3为实施例一中固定波长为1511.5nm时的拟合示意图；
图4为实施例一中固定波长为1485nm时的耦合模拟示意图；
图5为实施例二中两处固定波长分别为1485nm和1511.5nm时的拟合示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
实施例一：
本实施例中公开了一种基于拉锥长周期光纤光栅的应变测量方法。
一种基于拉锥长周期光纤光栅的应变测量方法，获取拉锥长周期光纤光栅单处固定波长的透射强度值，并根据该透射强度值以及该单处固定波长所对应的单波长透射强度与应变关系计算得到对应的应变值。如图1所示，本实施例中，拉锥长周期光纤光栅的最小腰椎直径为90um，最小直腰椎长度为0.1mm，左右腰椎长度为0.2mm。
本发明中，能够根据透射强度值以及对应的单波长透射强度与应变关系计算应变值，即能够根据拉锥长周期光纤光栅的单处固定波长透射强度值计算应变值，这不仅能够简化测量设备及操作，而且对于光源没有特别要求，能够极大的降低测量成本。
具体实施过程中，单波长透射强度与应变关系为e指数变化关系。
具体实施过程中，单波长透射强度与应变关系通过如下步骤计算：
S1：选取拉锥长周期光纤光栅的某一处波长作为固定波长；
S2：在应变值变化过程中多次测量该固定波长的透射强度值，并记录各次测量对应的应变值；
S3：对多次测量的透射强度值及其对应的应变值进行线性拟合，得到该固定波长对应的透射强度、应变对应曲线；
S4：对该透射强度、应变对应曲线进行求解，以得到该固定波长对应的单波长透射强度与应变关系。
具体实施过程中，单波长透射强度与应变关系通过如下公式表示：
Figure BDA0002978508640000041
式中，y表示透射强度值，x表示应变值，a、b、c分别表示根据固定波长预测定的系数。
具体实施过程中，图2所示，当固定波长为1485nm时，单波长透射强度与应变关系表示为：
Figure BDA0002978508640000042
具体实施过程中，图3所示，当固定波长为1511.5nm时，单波长透射强度与应变关系表示为：
Figure BDA0002978508640000043
本发明中，根据上述的单波长透射强度与应变关系能够准确的计算得到应变值。
为了验证本发明结果的正确性，本实施例中应用拉锥长周期光纤光栅耦合模式理论分析了1485nm处的单一固定波长的透射强度，具体计算过程中如下：
Figure BDA0002978508640000044
Figure BDA0002978508640000045
Figure BDA0002978508640000046
Figure BDA0002978508640000047
Figure BDA0002978508640000048
Figure BDA0002978508640000049
式中，A是传输速率，
Figure BDA00029785086400000410
是直流自耦系数，k是交流耦合系数，δ是谐波分量，λ是波长，v是指数变化的条纹可见度，z是长周期光纤光栅的长度，n1和n2是纤芯和包层的折射率，m是诱导折射率条纹调制，neff是基波的有效折射率，σ(z)是光栅的慢变包络，拉锥长周期光纤光栅的有效弹光系数为0.222678，热膨胀系数为5.5×10-7/℃。
结合图4所示，测得的数据与模拟近似相同，只是模拟曲线高于实验数据十几dB，申请人分析其原因是由加工光栅导致的。由此在理论上，完全能够利用拉锥长周期光纤光栅的固定单波长透射强度来测量应变。
实施例二：
本实施例在实施例一的基础上，进一步公开了基于双固定波长的应变测量方法。
本实施例中，分别获取拉锥长周期光纤光栅两处固定波长的透射强度值，并根据两个透射强度值以及该两处固定波长所对应的双波长透射强度差值与应变关系计算得到对应的应变值。
实际应变测量时，根据单处固定波长透射强度值测量应变时，其测量结果会受到光源的影响。所以，本发明还能够根据两个透射强度值以及对应的双波长透射强度差值与应变关系计算应变值，即能够根据拉锥长周期光纤光栅的双固定波长透射强度值计算应变值，从而能够在简化测量设备并降低测量成本的前提下，进一步消除光源对测量结果的影响。
具体实施过程中，双波长透射强度差值与应变关系为线性变化关系。双波长透射强度差值与应变关系参考实施例一中单波长透射强度与应变关系的计算方式计算。
具体实施过程中，双波长透射强度差值与应变关系通过如下公式表示：z＝d-e*x，式中，z表示两个透射强度值的差值，x表示应变值，d和e均表示根据两处固定波长预测定的系数。
具体实施过程中，如图5所示，当两处固定波长分别为1485nm和1511.5nm时，双波长透射强度差值与应变关系表示为：z＝16.41-0.018*x。
本发明中，根据上述的双波长透射强度差值与应变关系能够准确的计算得到应变值。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种基于拉锥长周期光纤光栅的应变测量方法，其特征在于：获取拉锥长周期光纤光栅单处固定波长的透射强度值，并根据该透射强度值以及该单处固定波长所对应的单波长透射强度与应变关系计算得到对应的应变值。
2.如权利要求1所述的基于拉锥长周期光纤光栅的应变测量方法，其特征在于：单波长透射强度与应变关系为e指数变化关系。
3.如权利要求2所述的基于拉锥长周期光纤光栅的应变测量方法，其特征在于，单波长透射强度与应变关系通过如下步骤计算：
S1：选取拉锥长周期光纤光栅的某一处波长作为固定波长；
S2：在应变值变化过程中多次测量该固定波长的透射强度值，并记录各次测量对应的应变值；
S3：对多次测量的透射强度值及其对应的应变值进行线性拟合，得到该固定波长对应的透射强度、应变对应曲线；
S4：对该透射强度、应变对应曲线进行求解，以得到该固定波长对应的单波长透射强度与应变关系。
4.如权利要求1所述的基于拉锥长周期光纤光栅的应变测量方法，其特征在于：单波长透射强度与应变关系通过如下公式表示：
Figure FDA0002978508630000011
式中，y表示透射强度值，x表示应变值，a、b、c分别表示根据固定波长预测定的系数。
5.如权利要求4所述的基于拉锥长周期光纤光栅的应变测量方法，其特征在于：当固定波长为1485nm时，单波长透射强度与应变关系表示为：
Figure FDA0002978508630000012
6.如权利要求4所述的基于拉锥长周期光纤光栅的应变测量方法，其特征在于：当固定波长为1511.5nm时，单波长透射强度与应变关系表示为：
Figure FDA0002978508630000013
7.如权利要求1所述的基于拉锥长周期光纤光栅的应变测量方法，其特征在于：分别获取拉锥长周期光纤光栅两处固定波长的透射强度值，并根据两个透射强度值以及该两处固定波长所对应的双波长透射强度差值与应变关系计算得到对应的应变值。
8.如权利要求7所述的基于拉锥长周期光纤光栅的应变测量方法，其特征在于：双波长透射强度差值与应变关系为线性变化关系。
9.如权利要求7所述的基于拉锥长周期光纤光栅的应变测量方法，其特征在于：双波长透射强度差值与应变关系通过如下公式表示：z＝d-e*x，式中，z表示两个透射强度值的差值，x表示应变值，d和e均表示根据两处固定波长预测定的系数。
10.如权利要求9所述的基于拉锥长周期光纤光栅的应变测量方法，其特征在于：当两处固定波长分别为1485nm和1511.5nm时，双波长透射强度差值与应变关系表示为：z＝16.41-0.018*x。
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