[发明专利]保偏长周期光纤光栅多角度应力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光波长调制型保偏长周期光纤光栅应力传感器。根据保偏长周期光纤光栅在不同角度的应力作用下产生的波长变化检测应力作用方向及大小，属于光纤传感技术领域。

背景技术

随着光导纤维的实用化和光通信技术的发展，光纤在传感领域也得到了广泛应用，并且迅速发展而形成一个新的研究方向——光纤传感技术。光在光纤中传输时，其强度、相位、频率、偏振态等参量容易受到外部环境的影响，如应力、温度、电场、磁场等。通过测量这些光参量的变化获得相应物理量的变化的技术即为光纤传感技术。光纤传感器相对于传统的电量传感器具有灵敏度高、适应性强、抗电磁干扰、传输距离长、使用寿命长、结构小巧等优点，因此光纤传感器在高温高压、强电磁场、易燃易爆环境中得到了广泛的应用。

光纤光栅是在光纤芯内介质折射率呈周期性变化的一种光纤无源器件，其作用相当于一个窄带反射镜，光纤光栅的种类主要有Bragg光纤光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）、长周期光纤光栅（LPFG）、啁啾光纤光栅（CFBG）等。利用FBG进行应力、温度等参量的传感研究已经十分成熟，并且有相应的产品出现，已经在电力、石油、化工等领域得到了相应的应用，是目前最成熟的准分布式光纤传感器。在最近十年中，随着长周期光纤光栅的发展，研究人员开始转向长周期光纤光栅特性的研究。LPFG在传感方面的研究成为目前受到关注的一个热点，它可以用于应变、温度、折射率、扭转、弯曲、振动等方面的传感。LPFG对温度的敏感性成为其在传感领域急需改进的一个问题，因为在进行其他参量测量时存在交叉敏感的问题。V.Bhatia在1996年最早报道了LPFG的应变和温度的传感实验，但是仅仅分别考虑了应变和温度单独存在时的敏感特点，并没有考虑到交叉敏感的问题。同时，H.J.Patrick报道了利用一对Bragg光纤光栅和LPFG实现应变和温度的同时测量。V.Bhatia在1997年利用LPFG实现了应变和温度同时测量；此后，H.J.Patrick和B.H.Lee等人对LPFG的弯曲特性进行了传感实验研究，2003年，王义平等人利用长周期光纤光栅设计了一套微弯传感器；张自嘉等人在2007年对长周期光纤光栅的轴向应变特性进行了研究。关于LPFG的实验研究的报道在最近也相当的多，而且研究用光纤也从单模LPFG转向保偏LPFG。自2002年开始，国内的研究人员开始利用保偏光纤制作长周期光纤光栅，并对制作方法、LPFG的应力温度特性和偏振特性进行了研究，所采用的保偏光纤为熊猫型保偏光纤。

保偏光纤主要有熊猫型、领结型、椭圆型等几种类型，由于保偏光纤本身结构的特殊性，使得在保偏光纤上一次写入光纤光栅就可得到等效意义上的两个光栅，它们的谐振波长由于各自所在轴的折射率不同而不同。目前用于制作LPFG的主要是熊猫型保偏光纤，对于领结型保偏光纤用于LPFG的制作还没有见过报道，而且领结型保偏光纤相对于熊猫型保偏光纤由于在制作工艺上的差别，其保偏效果具有明显差异。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种高精度、多角度保偏长周期光纤光栅应力传感器，利用领结型保偏光纤制作的长周期光纤光栅，通过检测输出波长的变化测量应力的角度。

附图说明

图1是保偏长周期光纤光栅多角度应力传感器的系统结构示意图一；

图中：宽谱LED光源（1），保偏长周期光纤光栅（2），波分复用器（3），光谱仪（4），带有凹槽的平板（5），领结型保偏光纤（6）。

图2是保偏长周期光纤光栅多角度应力传感器的系统结构示意图二；

图中：宽谱激光器（7），保偏长周期光纤光栅（8），滤波片（9），可调谐法布里-珀罗（F-P）腔（10），光电探测器（11），数据处理单元（12）。

具体实施方式

实施例1图1是保偏长周期光纤光栅多角度应力传感器的系统结构示意图，包括宽谱LED光源（1），保偏长周期光纤光栅（2），波分复用器（3），光谱仪（4）。其特征在于：保偏长周期光纤光栅（2）采用领结型保偏光纤，通过带有凹槽的平板（5）挤压领结型保偏光纤（6）制作而成，宽谱LED光源（1）发出的光经过耦合进入保偏长周期光纤光栅（2），对保偏长周期光纤光栅（2）施加不同方向的应力，其透射波长发生变化，利用波分复用器（3）对透射波长进行分光，通过光谱仪（4）检测输出波长的变化，对测量数据进行处理，最终得到应力施加方向。