[发明专利]偏振光纤光栅传感器

说明书

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。