CN1477371A - 基于长周期光纤光栅的扭曲绝对测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
基于长周期光纤光栅的扭曲绝对测量方法及装置，它是利用高频CO2激光脉冲在普通单模光纤中写入的长周期光纤光栅的谐振波长随着光栅扭曲而线性变化的特性，用这种长周期光纤光栅为传感元件制成新型扭曲绝对测量装置埋入智能材料中，实现对扭曲率的直接绝对测量，从而实现对工程结构扭曲的实时监控，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于长周期光纤光栅的扭曲绝对测量方法，还涉及实现该方法的扭曲绝对测量装置。
背景技术
目前有各种各样的扭曲传感器能实现对扭曲率的测量。传统的扭曲传感器一般是运用圆光栅或磁栅通过测量被扭曲的圆柱面上不同位置的两点的相对角位移来实现对扭曲率的间接测量，因此通常体积较大，以致不能埋入工程结构。近年来，能够埋入工程结构的光纤传感器引起了人们的极大兴趣，以实现所谓的智能材料。R.Ulrich等人于1979年在Applied Optics上发表论文(Polarization optics of twisted single-mode fibers，Vol.18，No.13，pp.2241-2251)提出了通过测量扭曲光纤偏振态的变化间接测得扭曲率的方法，但此方法只能实现扭曲率的相对测量。
近年来，周期为几百微米的长周期光纤光栅因其易于制作、附加损耗小、无后向反射、与偏振基本无关以及具有较高的温度、折射率和弯曲灵敏度等特性，得到了人们越来越广泛的重视。L.A.Wang等人于2000年在14thInternational Conference on Optical Fiber Sensors上发表论文(Torsion sensormade of corrugated long period fiber grating，Proc.SPIE，2000，4185，pp.640-643)提出了一种用腐蚀法制作的凹凸状长周期光纤光栅直接测量扭曲率的方法，但此长周期光纤光栅传感器不能判定扭曲方向，并且其特殊的凹凸结构使其机械强度较弱且埋入工程结构后其波导结构会因周围材料的填入而发生较大的变化，甚至破坏长周期光纤光栅的模式耦合条件。此外，该传感器因初始耦合峰幅值较小，以致扭曲前必须预加拉伸应力，因此实用性较差。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在的问题，提供一种基于长周期光纤光栅的扭曲绝对测量方法及测量装置，利用高频CO2激光脉冲在普通单模光纤中写入的长周期光纤光栅的谐振波长随着光栅扭曲而线性变化的特性，用这种长周期光纤光栅为传感元件制成的新型扭曲测量装置埋入智能材料中，实现对扭曲率的直接绝对测量，从而实现对工程结构扭曲的实时监控，具有广泛的应用前景。
本方法的获得是基于对高频CO2激光脉冲在普通单模光纤如康宁SMF-28光纤中写入的长周期光纤光栅的扭曲特性的新发现：即长周期光纤光栅的损耗峰谐振波长随着光栅扭曲率的增加而线性变化，顺时针扭曲时，谐振波长向长波方向漂移；逆时针扭曲时，谐振波长向短波方向漂移。损耗峰幅值随着扭曲率的增加而逐渐减小。
该特性是通过如下的实验测试得到的。我们采用图1所示的实验装置测试长周期光纤光栅的扭曲特性。研究对象是用高频CO2激光脉冲在康宁SMF-28光纤中写入的长周期光纤光栅1-4(周期Λ＝437μm，周期数N＝45，光栅长20mm)。长周期光纤光栅的一端固定，另一端粘贴在限位片1-6的表面。把限位片插入分度盘1-3的开槽且使光纤处于分度盘的轴线上。悬挂于分度盘左侧光纤1-2上的10g轻物1-7使光纤始终处于直线状态。限位片的作用既保证分度盘转动时扭转光纤，又使光纤可以有微小的轴向移动，从而避免光纤扭曲时产生额外的轴向应力。被扭曲的光纤总长L＝60mm，长周期光纤光栅位于光纤中央，实验室室温T＝25□。中心波长为1550nm的宽带光源1-1作为输入，用光谱分析仪1-5测量长周期光纤光栅透射光谱的变化。
未施加扭曲时，长周期光纤光栅的透射光谱如图2所示，共有三个损耗峰。首先测试谐振波长λ＝1529.88nm，幅值为-20.008dB的损耗峰的变化。先顺时针转动分度盘，每次转动15°(～2.2rad·m-1)，用光谱仪测量谐振波长的变化。总共顺时针扭曲120°(17.5rad·m-1)，然后逐渐恢复到自由状态；再逆时针扭曲-120°(-17.5rad·m-1)，然后又逐渐恢复到自由状态。如图3所示，谐振波长随着扭曲率(绝对值)的增加而线性地变化，其灵敏度约为0.065nm·(rad·m-1)-1，且扭曲率增加过程和扭曲率减小过程谐振波长变化的重复性很好，图中的公式表示数据点的线性拟合方程，x、y分别表示横、纵坐标，R2表示拟合的线性度。顺时针扭曲时，谐振波长向长波方向漂移；逆时针扭曲时，谐振波长向短波方向漂移。长周期光纤光栅扭曲时损耗峰幅值的变化相对较小而损耗几乎没有变化，因此扭曲过程中仍能保持较好的信噪比。如图4所示，无论顺时针还是逆时针扭曲，谐振峰的幅值都随扭曲率的增加而有一定的减小，且扭曲率增加过程和扭曲率减小过程损耗峰幅值变化的重复性也很好。
我们也同时测量了谐振波长为1457.91nm和1661.82nm的两个耦合峰随扭曲的变化，发现与以上类似的现象，只是灵敏度稍有不同，这主要是因为相同的扭曲率所引起的对应不同模式的有效折射率变化不同。
由于长周期光纤光栅具有上述特性，可以将其用于对扭曲的直接绝对测量，方法如下：
以用高频CO2激光脉冲在普通单模光纤中写入的长周期光纤光栅为测量的传感元件，埋入被测物体扭转轴的轴线上，光纤一端用宽带光源作为输入，另一端用光谱分析仪测量长周期光纤光栅透射光谱损耗峰谐振波长的变化量Δλ，根据长周期光纤光栅的谐振波长随光栅扭曲而线性变化的特性，采用如下公式，得到被测物体扭曲率的绝对值τ∶τ＝Δλ/K，其中K为谐振波长的扭曲灵敏度，Δλ为被测得的谐振波长的变化量。
并且可以采用如下方法判定被测物体的扭曲方向：
A测得谐振波长向长波方向漂移，可判定被测物体是沿顺时针方向扭曲；
B测得谐振波长向短波方向漂移，可判定被测物体是沿逆时针方向扭曲。
同时利用该长周期光纤光栅可制成实现该方法的扭曲绝对测量装置，测量装置包括作为入射的宽带光源、用于测量光纤透射光谱变化的光谱分析仪，它们之间是光纤，光纤中央的一段是用高频CO2激光脉冲在普通单模光纤中写入的长周期光纤光栅，作为传感元件，测量时长周期光纤光栅被埋入被测物体扭转轴的轴线上。
本方法和测量装置相对于现有的扭曲测量方法和装置具有以下优点：1、可实现扭曲率的直接绝对测量，而且方法简单易行，然而一般的利用偏振态变化的光纤扭曲传感器只能实现扭曲率的间接相对测量；2、在实现扭曲率测量的同时通过观测长周期光纤光栅谐振波长的变化方向就可判定扭曲方向，而其它扭曲传感器(如用腐蚀法制作的凹凸状长周期光纤光栅扭曲传感器)不能判定扭曲方向；3、体积小、全兼容于光纤、能埋入工程结构实现所谓的智能材料，从而可对工程结构进行实时监测，然而传统的运用圆光栅或磁栅原理通过测量被扭曲的圆柱面上不同位置的两点的相对角位移来实现扭曲率间接测量的扭曲传感器体积较大，不能埋入工程结构；4、扭曲率的测量范围大，可达±40rad·m-1。因此，用这种新型长周期光纤光栅制作成的扭曲测量装置不但能实现对扭曲率的直接测量，而且能判定扭曲方向，从而可实现对扭曲的实时监控，因此该测量装置将在工程结构的扭曲测量中具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是测试长周期光纤光栅扭曲特性的实验装置图；
图2是长周期光纤光栅未扭曲时的透射谱图；
图3是长周期光纤光栅损耗峰谐振波长与扭曲率的关系；
图4是长周期光纤光栅损耗峰幅值与扭曲率的关系；
图5是以长周期光纤光栅制成的扭曲测量装置的结构图。
具体实施方式
参见图5，用高频CO2激光脉冲在康宁SMF-28光纤中写入的长周期光纤光栅5-3为传感元件，使之位于光纤5-2中央，光纤一端为宽带光源5-1，另一端为光谱分析仪5-5，制成扭曲测量装置。
扭曲测量方法是：将上述扭曲测量装置的长周期光纤光栅5-3埋入被测物体5-4扭转轴的轴线上，光纤一端用宽带光源作为输入，另一端用光谱分析仪测量长周期光纤光栅透射光谱的变化，根据长周期光纤光栅的谐振波长随光栅扭曲而线性变化的特性，采用如下公式，得到被测物体扭曲率的绝对值τ∶τ＝Δλ/K，其中K为谐振波长的扭曲灵敏度，Δλ为被测得的谐振波长的变化量。
同时判定被测物体的扭曲方向：当测得谐振波长向长波方向漂移，可判定被测物体是沿顺时针方向扭曲；当测得谐振波长向短波方向漂移，可判定被测物体是沿逆时针方向扭曲。
Claims (3)
1、基于长周期光纤光栅的扭曲绝对测量方向，其特征在于以用高频CO2激光脉冲在普通单模光纤中写入的长周期光纤光栅为测量的传感元件，该传感元件被埋入到被测物体扭转轴的轴线上，光纤一端用宽带光源作为输入，另一端用光谱分析仪测量长周期光纤光栅透射光谱的变化，根据长周期光纤光栅的谐振波长随光栅扭曲而线性变化的特性，采用如下公式，得到被测物体扭曲率的绝对值τ∶τ＝Δλ/k，其中K为谐振波长的扭曲灵敏度，Δλ为被测得的谐振波长的变化量。
2、根据权利要求1所述的基于长周期光纤光栅的扭曲绝对测量方向，其特征在于采用如下方法判定被测物体的扭曲方向：
A、测得谐振波长向长波方向漂移，可判定被测物体沿顺时针方向扭曲；
B、测得谐振波长向短波方向漂移，可判定被测物体沿逆时针方向扭曲。
3、实现权利要求1或2所述的方法的扭曲绝对测量装置，其特征在于包括作为入射的宽带光源、用于测量光纤透射光谱变化的光谱分析仪，它们之间是光纤，光纤中央的一段是用高频CO2激光脉冲在普通单模光纤中写入的长周期光纤光栅，作为传感元件，测量时长周期光纤光栅被埋入被测物体扭转轴的轴线上。
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