偏振光纤光栅传感器.pdf

本发明公开了一种偏振光纤光栅传感器，保偏光纤上制作了数个光纤光栅，每个光栅反射波长变化表示该光栅所处位置局部温度变化，反射光功率变化表示该光栅前面所有传感区域受温度、应力和扭曲集中变化。宽带光源经起偏器后在保偏光纤中只传播一个线偏振模，当光纤受到外部因素诸如温度、应力或扭曲等作用时，导致上述两种模式的耦合变化，光栅反射光经前述起偏器后输出该线偏振模的光功率减值。本发明的优点在于光栅反射光的波长变化表示温度变化，光功率变化表示温度、应力和扭曲作用的响应，可应用于特殊结构中健康状态监测。

1、  一种偏振光纤光栅传感器，其特征在于：包括长度足以覆盖被检测的结构区域的保偏光纤(9)、宽带光源(1)、起偏器又是检偏器(3)、保偏光纤上分离制作的N个检测温度的光栅(6)、光栅之间全部或某局部点受温度、应力和扭曲的传感区(5)、获取反射光信号的分束器或光纤环行器(2)和波长解调器(7)、监控光源波动的保偏分束器(4)和波长解调器(8)、信号处理单元(10)、宽带光源驱动器(11)以及计算机或其它微处理器(12)。

2、  按权利要求1所述的偏振光纤光栅传感器，其特征在于：光栅(6)可以单独制作，熔接时光栅通光芯径应对准保偏光纤主偏振轴或正交偏振轴。

3、  按权利要求1所述的偏振光纤光栅传感器，其特征在于：选用稳定度好的宽带光源(1)，可以取消保偏分束器(4)和波长解调器(8)，宽带光源(1)以脉冲或连续光方式工作。

4、  按权利要求1所述的偏振光纤光栅传感器，其特征在于：起偏器和检偏器不共用，有利于解调保偏光纤中传播线偏振模的灵活性。

5、  按权利要求1所述的偏振光纤光栅传感器，其特征在于：光栅反射光的波长变化表示温度变化，光功率变化表示温度、应力和扭曲作用的响应。

6、  按权利要求1所述的偏振光纤光栅传感器，其特征在于：光栅之间全部、部分或某点受温度、应力和扭曲作用作为传感区。

7、  按权利要求1所述的偏振光纤光栅传感器，其特征在于：传感区设置附加传感元件测量除上述参数的实际需要。

8、  按权利要求1所述的偏振光纤光栅传感器，其特征在于：反射光信号可以直接测量，也可以干涉测量，干涉测量时可以设置Michelson干涉仪解调等。

9、  按权利要求1所述的偏振光纤传感器，其特征在于：光纤选用单模光纤，优选偏振保持光纤，比如椭圆形或“熊猫”型光纤等。

偏振光纤光栅传感器
所属技术领域
本发明涉及一种偏振光纤光栅传感器，属于光电子技术领域。
背景技术
光纤传感器能嵌入到特殊结构中，比如桥梁、大坝、山体、建筑物、船舶、飞机、贮存器等实体中检测以确定健康、维护需求、寿命和其它特性。实体中光纤传感器的信息可告知用户检测空间的温度、应力和扭曲足以导致使结构的完整性受到怀疑的程度，是否经受起多的循环变化，或是否具有其它健康或性能问题在内的信息。光纤传感器具有超长的工作寿命和较低的运行和维护成本，故光纤传感器在实际应用中发挥越来越重要的作用。
将光纤传感器嵌入到结构中去监测，大量使用分布式方法。通常用于检测损伤的分布方法有光纤光时域反射(OTDR)和光纤布拉格光栅(FBG)，而且已经实现于众多的商业应用中。光纤光时域反射(OTDR)拉曼、布里渊可分布测量结构的温度变化，光纤光时域反射(OTDR)瑞利可分布测量结构的应力、扭曲变化来达到结构健康监测目的，但反射光强极其微弱，在处理信号之前须多次平均，后端信号处理极其复杂且设备昂贵，属于静态检测。光纤布拉格光栅传感器是快速的准分布式检测系统，也是测量温变、应变，但不能检测不重合或不直接施加到含有布拉格光栅的光纤区域的所施加的应变。上述测量系统存在一个问题，不能同时测量分布场的温度、应力和扭曲。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种同时测量分布场的温度、应力和扭曲的光纤传感器。图1是本发明的示意图，粗线表示光纤，细线表示电线。它包括长度足以覆盖被检测的结构区域的保偏光纤9、宽带光源1、起偏器又是检偏器3、保偏光纤上分离制作的N个检测温度的布拉格光栅6、布拉格光栅之间全部或某局部点受温度、应力和扭曲的传感区5、获取反射光信号的分束器或光纤环行器2和波长解调器7、监控光源波动的保偏分束器4和波长解调器8、信号处理单元10、宽带光源驱动器11以及计算机或其它微处理器12。首先在保偏光纤9上以实际监测区域需求制作N个布拉格光栅，再加装防应变而传温性能好的护套将偏振光纤光栅传感器嵌入或附连到监测结构中。然后，计算机12控制宽带光源驱动器11使宽带光源1将光脉冲(传感区较长，避免受激布里渊)或连续光发射到光纤的一端，经起偏器3后在保偏光纤9中只传播一个线偏振模HE₁₁^x或HE₁₁^y，优选HE₁₁^x模在保偏光纤9的主偏振轴中传播。N个布拉格光栅反射将光源划分N个不重复的波带，每个波带的变化量表示该布拉格光栅检测所处局部区域的温度变化。当光纤受到外部因素诸如温度、应力或扭曲等作用时，将引起光纤内部折射率的变化，从而导致上述两种模式的耦合变化，HE₁₁^x模部分光转移到HE₁₁^y模中传播，HE₁₁^x模光功率将减少，这样每个布拉格光栅反射前面所有传感区域受温度、应力和扭曲集中变化的HE₁₁^x和HE₁₁^y耦合光功率，经过起偏器又是检偏器3后只保留HE₁₁^x模光功率，经过分束器或光纤环行器2、波长解调器7、信号处理单元10后计算机12获得该光功率对应的值和中心反射波长对应值。设第i-1个光栅与第i(i＝1，2，3，…，N)个光栅之间保偏光纤受温度、应力和扭曲集中变化的HE₁₁^x和HE₁₁^y功率耦合系数K_i，那么第i(i＝1，2，3，…，N)个光栅的反射后波长解调器7获得该光栅中心波长的光功率为f_i(K₁，K₂，…，K_i)P，P=||HE11x||2;]]>依次算出f_i(K₁，K₂，…，K_i)中K_i，就是每个布拉格光栅与前一个光栅之间受外界温度、应力和扭曲集中变化值；以及查表算出每个布拉格光栅中心波长变化值。如果每个布拉格光栅与前一个光栅之间只有一个点附连到监测结构中，上述结果是准分布式测量。使用监控光源波动的保偏分束器4和波长解调器8的目的是在上述计算中剔除光源波动因子，如果宽带光源稳定度高，偏振光纤光栅传感器可以取消保偏分束器4和波长解调器8。布拉格光栅也可以单独制作，熔接时光栅通光芯径应对准保偏光纤主偏振轴，这种情形线路损耗稍大一点。本发明也可以使用正交偏振HE₁₁^y模来计算温度、应力和扭曲的作用结果，如图2所示，反射光和监控光源波动单元共用保偏分束器4，在波长解调器7和保偏分束器4之间需要只有HE₁₁^y模通过的检偏器13，其余单元与图1完全相同。上述测量灵敏度不高，也可以充分利用转移到HE₁₁^y模中的光进行干涉测量。因为转移到HE₁₁^y模中的光和剩余在HE₁₁^x模中的光具有相干的必要条件。但要满足补充条件，必须转移到HE₁₁^y模光功率和剩余在HE₁₁^x模光功率相差不大，它们的光程差小于每个光栅反射谱的相干长度。光程差大于每个光栅反射谱的相干长度时，可以设置迈克耳逊(Michelson)干涉仪补偿光程差。图3是本发明的干涉测量示意图，反射光信号和监控光源波动共用保偏分束器4，反射光用偏振分束器15分出HE₁₁^x和HE₁₁^y模，再以一定的角度投射到合波器14中，优选π/4弧度角进行干涉。上述结构使用椭圆形光纤和普通单模光也有干涉现象，只不过干涉作用较弱，使用较复杂的信号处理算法，也能获得较大应力作用结果。
单纯的光纤光栅检测系统，温度、应力均用波长变化表示，功率幅度只起了指标作用，而且光栅直接受力容易脆裂。偏振模耦合传感器由于需要以一定精度的步长移动后端迈克耳逊(Michelson)一个反射镜来确定位置，因而操作困难和测量时间长。因此，本发明的最大优点是光栅起着分离检测区域的同时，光栅反射功率得到充分利用；光栅本身得到保护，系统显得更健壮。监控一片区域比监控一个点，更符合大多实际问题的需要。
为了概括本发明起见，本文描述了本发明的某些方面、优点以及新颖特征。应该理解，没必要根据本发明的任何一个特定实施例来实现所有这些优点。因此，本发明不限于所公开的任何特定实施例。
附图说明
为了更好地理解本发明，现参照附图仅借助实例阐述根据本发明的偏振光纤光栅传感器。
图1本发明的实施例及其工作原理的示意图；
图2本发明的实施例及正交偏振模工作原理的示意图；
图3本发明的实施例及其干涉测量的示意图；
图4示出本发明测量曲面狭缝距离的示意图。
图5示出从传感器的一个实施例中收集的反射光谱数据。
本说明书和附图中参考标号的重复使用旨在表示本发明的相同或类似的特征或元件。
具体实施方式
图4中示出了本发明在间隙条件下测量曲面位移的实施例。该实施例采用具有高稳定度的40nm带宽的50mw1550nmEXFO-2300B作为宽带光源1，自带连续光和脉冲光调制器，加光衰减器，只输出5mw。将光源1桥接光纤环行器2后再接起偏器又是检偏器3，输出偏振并与保偏光纤主偏振轴对准。保偏光纤上有两个光栅6，中心波长分别是1553.4nm和15586nm，远离光栅某位置上有两个带保护套的弹膜片5，在常温时弹膜片5紧贴两曲面16，保偏光纤没有受力，这时需要获取静态的参数，如光源光谱，两个测量点没有受力的反射光谱，为以后运行获得背景信息。当内曲面受热膨胀时，将挤压弹膜片5，进而保偏光纤受到温度、应力作用将传播中HE₁₁^x光一部分转移到HE₁₁^y模中传播。由于本发明的光纤光栅本身避免了受力影响，而又可获得局部温度值，可以消除求应力值时温度影响。根据弹膜物理模型应力与曲面位移成线性关系，这样HE₁₁^x模光功率减少值可推知曲面位移值。减少后的HE₁₁^x模光(显然，需要前面存储的标准值作比较)经光纤环行器输入到波长解调器7，该波长解调器是FP滤波器。信号处理单元10包括12位100MHzADC，16k缓冲区等，与计算机12连接是通过PCI插槽。测量结果表明，当曲面相对位移量在0.35-0.85mm范围内时，测量系统的应力灵敏度达.46.5μw/mm，温度灵敏度10pm/℃，线性度优于1％。如图4示出了测量时收集的反射光谱数据。