基于正交雙偏振光纖激光器的溫度-應(yīng)力雙參量測(cè)量裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種基于正交雙偏振光纖激光器的溫度-應(yīng)力雙參量測(cè)量裝置，用于檢測(cè)應(yīng)力和溫度兩種信號(hào)，包括輸出激光信號(hào)中心波長(zhǎng)在1550nm波段附近的DBR光纖激光傳感器，波分復(fù)用器，980nm激光器，窄線(xiàn)寬激光器，3dB耦合器，光電轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)偏振控制器，頻譜分析儀，其中，由980nm激光器產(chǎn)生的激光通過(guò)波分復(fù)用器后進(jìn)入DBR光纖激光傳感器，溫度-應(yīng)力雙參量信號(hào)作用在DBR光纖激光傳感器，由DBR光纖激光傳感器進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的帶有待測(cè)溫度-應(yīng)力雙參量調(diào)制信息的光信號(hào)，返回波分復(fù)用器，再經(jīng)過(guò)光隔離器隔離輸出。窄線(xiàn)寬激光器輸出的能量可調(diào)的窄線(xiàn)寬激光信號(hào)經(jīng)過(guò)第二偏振控制器能量調(diào)整后，與經(jīng)由第一偏振控制器調(diào)整后輸出的攜帶待測(cè)溫度-應(yīng)力雙參量信號(hào)調(diào)制信息的兩組正交偏振模式光學(xué)信號(hào)進(jìn)入3dB耦合器中。本發(fā)明可同時(shí)檢測(cè)出溫度和應(yīng)力兩個(gè)信號(hào)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
基于正交雙偏振光纖激光器的溫度-應(yīng)力雙參量測(cè)量裝置所屬

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖傳感領(lǐng)域，尤其涉及一種基于正交雙偏振光纖激光器可同時(shí)檢測(cè)溫度信號(hào)和應(yīng)力信號(hào)的傳感裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]在光纖傳感技術(shù)實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，溫度和應(yīng)力是傳感檢測(cè)中十分重要的兩個(gè)物理參量。尤其在大型橋梁，隧道，大壩等安全監(jiān)控及過(guò)程控制領(lǐng)域，都必須對(duì)溫度和應(yīng)力這兩個(gè)基本物理參量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。然而，由于光纖本身大都對(duì)溫度和應(yīng)力同時(shí)敏感，使得人們往往無(wú)法對(duì)兩者的具體作用影響明確地加以分離，在一定程度上嚴(yán)重制約了光纖傳感技術(shù)在溫度-應(yīng)力雙參量區(qū)分測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。
[0003]專(zhuān)利CN102607621A公開(kāi)了一種同時(shí)檢測(cè)溫度和應(yīng)力的分布式光纖布里淵傳感裝置和方法，采用兩根不同類(lèi)型的傳感光纖組成復(fù)合傳感光纖結(jié)合自發(fā)布里淵散射對(duì)應(yīng)兩種被測(cè)量的頻移變化而實(shí)現(xiàn)雙參量測(cè)量。專(zhuān)利CN103344277A公開(kāi)了一種可同時(shí)檢測(cè)雙參量的法布里-珀羅傳感器及其檢測(cè)裝置，所述法布里-珀羅傳感器由三段光纖依次熔接而成，在光子晶體光纖兩端與單模光纖熔接處制作成了兩個(gè)不同長(zhǎng)度的法珀腔，兩組傳感器使法珀傳感器具有同時(shí)檢測(cè)雙參量的特點(diǎn)。專(zhuān)利CN102261967A公開(kāi)了一種基于同軸光纖的溫度和應(yīng)力傳感器，其中的一號(hào)傳感單元和二號(hào)傳感單元內(nèi)部具有不同波長(zhǎng)的諧振光譜對(duì)溫度和應(yīng)力兩組參量具有不同的靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)雙參量光纖傳感。以上提及的光纖傳感技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)溫度-應(yīng)變雙參量區(qū)分測(cè)量，但是在制作過(guò)程中不可避免的要使用一些復(fù)雜的光纖傳感頭處理技術(shù)，例如化學(xué)腐蝕，機(jī)械打磨，傳感頭涂覆等工藝。同時(shí)在解調(diào)過(guò)程中往往需要至少一套的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)解調(diào)輸出，以及涉及對(duì)輸出的不同類(lèi)型信號(hào)(如波長(zhǎng)，拍頻等)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，極大地降低了解調(diào)精度，并且提高了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種制備工藝簡(jiǎn)單，測(cè)量穩(wěn)定性和精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易的溫度-應(yīng)力雙參量測(cè)量裝置。本發(fā)明選用無(wú)需復(fù)雜工藝處理發(fā)展較為成熟的單根傳感光纖在溫度和應(yīng)力雙參量同時(shí)變化的情況下，根據(jù)外界參量變化對(duì)光纖結(jié)構(gòu)造成影響，從而導(dǎo)致光學(xué)信號(hào)在光纖內(nèi)部的傳輸特性變化，僅利用一套傳感和解調(diào)設(shè)備對(duì)溫度參量和應(yīng)力參量進(jìn)行區(qū)分測(cè)量，可以有效地克服上述基于光纖傳感原理的溫度和應(yīng)力雙參量測(cè)量方案的不足，具有制備工藝簡(jiǎn)單，測(cè)量穩(wěn)定性和精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易等特點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0005]一種基于正交雙偏振光纖激光器的溫度-應(yīng)力雙參量測(cè)量裝置，用于檢測(cè)應(yīng)力和溫度兩種信號(hào)，包括輸出激光信號(hào)中心波長(zhǎng)在1550nm波段附近的DBR光纖激光傳感器，波分復(fù)用器，980nm激光器，中心波長(zhǎng)為1550nm的窄線(xiàn)寬激光器，3dB稱(chēng)合器，光電轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)偏振控制器，頻譜分析儀，其中，
[0006]由980nm激光器產(chǎn)生的激光通過(guò)波分復(fù)用器后進(jìn)入DBR光纖激光傳感器，所述的DBR光纖激光傳感器包括一對(duì)相同的FBG子光柵以及位于其間的諧振器，溫度-應(yīng)力雙參量信號(hào)作用在DBR光纖激光傳感器，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生不定改變，從而改變其內(nèi)部雙折射特性，由DBR光纖激光傳感器進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的帶有待測(cè)溫度-應(yīng)力雙參量調(diào)制信息的光信號(hào)，返回波分復(fù)用器，再經(jīng)過(guò)光隔離器隔離輸出。窄線(xiàn)寬激光器輸出的能量可調(diào)的窄線(xiàn)寬激光信號(hào)經(jīng)過(guò)第二偏振控制器能量調(diào)整后，與經(jīng)由第一偏振控制器調(diào)整后輸出的攜帶待測(cè)溫度-應(yīng)力雙參量信號(hào)調(diào)制信息的兩組正交偏振模式光學(xué)信號(hào)進(jìn)入3dB耦合器中，此時(shí)經(jīng)由窄線(xiàn)寬激光器輸出的中心波長(zhǎng)為1550nm的窄線(xiàn)寬激光信號(hào)與攜帶被測(cè)信息的兩組正交偏振模式光學(xué)信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)偏振片方向進(jìn)行能量分配且互相拍頻，從偏振片輸出的光路中包含3組新的能夠反映溫度-應(yīng)力信息的光學(xué)拍頻信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，在頻譜分析儀上輸出射頻領(lǐng)域易于識(shí)別的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度-應(yīng)力雙參量的區(qū)分測(cè)量。
[0007]本發(fā)明使用基于正交雙偏振外差的DBR光纖激光傳感器作為傳感單元，無(wú)需其他化學(xué)工藝或是機(jī)械處理。所述傳感單元具有單縱模雙偏振(雙波長(zhǎng))激光輸出特性，可以輸出穩(wěn)定頻率的拍頻信號(hào)，并且對(duì)溫度和應(yīng)力均具有敏感性，但是對(duì)應(yīng)力的敏感程度遠(yuǎn)大于對(duì)溫度的敏感程度。除傳感單元外，整個(gè)系統(tǒng)還包括信號(hào)處理單元和信號(hào)解調(diào)單元。本發(fā)明的有益效果是:
[0008]與現(xiàn)有的可同時(shí)測(cè)量溫度-應(yīng)力雙參量的光纖傳感器相比，本發(fā)明具有如下顯而易見(jiàn)的實(shí)質(zhì)性?xún)?yōu)點(diǎn):(I)光纖傳感器制作工藝成熟簡(jiǎn)單，靈敏度高而且穩(wěn)定性好。(2)僅用一根光纖和一套解調(diào)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)雙參量的同時(shí)區(qū)分測(cè)量。(3)溫度-應(yīng)力雙參量實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量，不需要采用復(fù)雜的技術(shù)來(lái)補(bǔ)償溫度變化對(duì)雙折射的影響，具備微型化和輕量化等特點(diǎn)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1.光纖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖2.基于正交雙偏振光纖激光器的溫度-應(yīng)力雙參量測(cè)量方案原理圖
[0011]圖3.溫度-應(yīng)力雙參量測(cè)量輸出頻譜圖

【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0013]本發(fā)明包括光纖傳感單元，信號(hào)處理單元和信號(hào)解調(diào)單元三個(gè)部分。所述光纖傳感單兀為單縱模雙偏振DBR光纖激光傳感器；所述信號(hào)處理單兀包含980nm激光器，980/1550 nm波分復(fù)用器，光隔離器，偏振控制器，窄線(xiàn)寬激光器，3dB耦合器，偏振片以及光電轉(zhuǎn)換器；所述信號(hào)解調(diào)單元為頻譜分析儀。其中的傳感單元為DBR(分布布拉格反射式)光纖激光器，內(nèi)部由一對(duì)FBG光柵和一段諧振腔構(gòu)成，見(jiàn)圖1。由于這一對(duì)FBG子光柵具有相同的溫度敏感性和不同的應(yīng)力敏感性，因此在單獨(dú)的溫度變化測(cè)量中兩組光柵受到外界溫度變化作用下具有相同的溫度敏感性，兩組諧振峰各自變化，波長(zhǎng)偏移方向相同且幅度相等，但是兩組諧振峰的間距變化并不明顯。當(dāng)外界應(yīng)力變化作用于光纖傳感器，由于應(yīng)力作用角度和作用于諧振腔不同位置的特性，使光纖結(jié)構(gòu)不再對(duì)稱(chēng)，因而光纖激光器的兩個(gè)正交方向受到不相等的壓力，對(duì)兩組諧振峰造成易于區(qū)分的影響。所述裝置由光纖傳感單元，信號(hào)處理單元和信號(hào)解調(diào)單元依次連接。當(dāng)溫度和應(yīng)力雙參量同時(shí)作用時(shí)，溫度對(duì)兩個(gè)子光柵影響程度接近，而應(yīng)力對(duì)光纖結(jié)構(gòu)造成不對(duì)稱(chēng)的影響，因而導(dǎo)致在應(yīng)力作用下兩組諧振峰的波長(zhǎng)偏移幅度和方向不一致，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度-應(yīng)力雙參量的區(qū)分測(cè)量。
[0014]參見(jiàn)圖2，本發(fā)明的工作原理大致如下:980nm激光器作為泵浦光源，由波分復(fù)用器的980nm端口進(jìn)入波分復(fù)用器，再由波分復(fù)用器的公共端口進(jìn)入DBR光纖激光傳感器。在溫度-應(yīng)力雙參量同時(shí)作用下，引起DBR光纖激光傳感器內(nèi)部一對(duì)光纖光柵結(jié)構(gòu)的改變，進(jìn)而改變其內(nèi)部傳輸光光學(xué)性質(zhì)(偏振態(tài))的變化，DBR光纖激光器發(fā)出具有兩組正交偏振態(tài)并且?guī)в型饨珉p參量信號(hào)的光信號(hào)，這兩組光信號(hào)從DBR光纖激光器的輸入端口通過(guò)波分復(fù)用器的公共端口進(jìn)入波分復(fù)用器，經(jīng)過(guò)波分復(fù)用器輸出的光信號(hào)通過(guò)光隔離器，實(shí)現(xiàn)激光信號(hào)單向傳輸。窄線(xiàn)寬激光器輸出的激光信號(hào)，與DBR光纖激光傳感器受到雙參量作用后輸出的兩組正交偏振信號(hào)分別通過(guò)偏振控制器I (第一偏振單元)和偏振控制器2 (第二偏振單元)進(jìn)行能量調(diào)整，避免能量相差過(guò)大。三組光信號(hào)通過(guò)3dB耦合器后進(jìn)入同一光路中，通過(guò)調(diào)節(jié)偏振片將兩組正交偏振信號(hào)調(diào)節(jié)到同一方向，避免能量相差過(guò)大。當(dāng)外界溫度和應(yīng)力同時(shí)變化時(shí)，具有雙參量待測(cè)信息的兩組正交偏振信號(hào)和窄線(xiàn)寬激光器引入的光頻信號(hào)，三組信號(hào)之間兩兩拍頻產(chǎn)生三組新的可以反映溫度-應(yīng)力信息的比較明顯光學(xué)信號(hào)，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器件完成光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換后，在頻譜分析儀上輸出射頻領(lǐng)域易于識(shí)別的電信號(hào)。
[0015]光譜分析儀顯示方面，反射光譜會(huì)在溫度-應(yīng)力(溫度Tl，應(yīng)力Pl)的同時(shí)作用下進(jìn)行展寬分裂出兩組諧振峰，并且包含兩組正交偏振模式的波長(zhǎng)變化(偏移)信息，并在頻譜分析儀進(jìn)行相應(yīng)地顯示。由于所選用的DBR光纖激光傳感器具有兩組偏振模式，X模式和Y模式。溫度Tl對(duì)兩組模式造成相同的波長(zhǎng)偏移，應(yīng)力Pl作用不同方向和位置造成的區(qū)別引起原本對(duì)稱(chēng)的光纖結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力分布不對(duì)稱(chēng)，轉(zhuǎn)換為對(duì)光纖激光器兩組正交方向不等的壓力，因而應(yīng)力Pl對(duì)兩組模式造成不同的波長(zhǎng)偏移，使得光纖激光器的折射率發(fā)生改變從而導(dǎo)致兩組偏振模式可以用于實(shí)現(xiàn)溫度-應(yīng)力區(qū)分測(cè)量。其中一組偏振模式(X模式)對(duì)溫度具有相同敏感特性而對(duì)應(yīng)已知作用角度Θ，具有不同于另一組偏振模式(Y模式)的應(yīng)力敏感特性，可以通過(guò)光電探測(cè)器件轉(zhuǎn)換出的拍頻信號(hào)來(lái)還原兩組偏振模式的雙波長(zhǎng)偏移特性，進(jìn)而進(jìn)行參量的檢測(cè)。當(dāng)溫度-應(yīng)力同時(shí)作用后，光纖光柵的反射光譜在發(fā)生偏移的同時(shí)整體形狀也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，通過(guò)檢測(cè)其中兩組頻率變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)力變化信息的同步測(cè)量，參見(jiàn)式(I)。
λ.JB& mλ m2
Afx= mr+mp-cm θ
mwfm
[0016]?
m jmJL JPJk JPmM
^=Afi+Afp-sm Θ⑴
【權(quán)利要求】
1.一種基于正交雙偏振光纖激光器的溫度-應(yīng)力雙參量測(cè)量裝置，用于檢測(cè)應(yīng)力和溫度兩種信號(hào)，包括輸出激光信號(hào)中心波長(zhǎng)在1550nm波段附近的DBR光纖激光傳感器，波分復(fù)用器，980nm激光器，中心波長(zhǎng)為1550nm的窄線(xiàn)寬激光器，3dB耦合器，兩個(gè)偏振控制器，光電轉(zhuǎn)換器，頻譜分析儀，其中， 由980nm激光器產(chǎn)生的激光通過(guò)波分復(fù)用器后進(jìn)入DBR光纖激光傳感器，所述的DBR光纖激光傳感器包括一對(duì)相同的FBG子光柵以及位于其間的諧振器，溫度-應(yīng)力雙參量信號(hào)作用在DBR光纖激光傳感器，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生不定改變，從而改變其內(nèi)部雙折射特性，由DBR光纖激光傳感器進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的帶有待測(cè)溫度-應(yīng)力雙參量調(diào)制信息的光信號(hào)，返回波分復(fù)用器，再經(jīng)過(guò)光隔離器隔離輸出。窄線(xiàn)寬激光器輸出的能量可調(diào)的窄線(xiàn)寬激光信號(hào)經(jīng)過(guò)第二偏振控制器能量調(diào)整后，與經(jīng)由第一偏振控制器調(diào)整后輸出的攜帶待測(cè)溫度-應(yīng)力雙參量信號(hào)調(diào)制信息的兩組正交偏振模式光學(xué)信號(hào)進(jìn)入3dB耦合器中，此時(shí)經(jīng)由窄線(xiàn)寬激光器輸出的中心波長(zhǎng)為1550nm的窄線(xiàn)寬激光信號(hào)與攜帶被測(cè)信息的兩組正交偏振模式光學(xué)信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)偏振片方向進(jìn)行能量分配且互相拍頻，從偏振片輸出的光路中包含3組新的能夠反映溫度-應(yīng)力信息的光學(xué)拍頻信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，在頻譜分析儀上輸出射頻領(lǐng)域易于識(shí)別的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度-應(yīng)力雙參量的區(qū)分測(cè)量。
【文檔編號(hào)】G01L1/24GK104180921SQ201410366573
【公開(kāi)日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】呂辰剛, 高靖宜, 王晗, 郭璽, 任暢, 李本萍 申請(qǐng)人:天津大學(xué)