[发明专利]非平衡保偏光纤双干涉仪温度应变同时测量装置及方法

说明书

本发明提供的是一种非平衡保偏光纤双干涉仪温度应变同时测量装置及方法。保偏光纤耦合器、相位调制器、保偏光纤、保偏光纤反射镜组成非平衡保偏光纤干涉仪，光源经起偏器将光同时注入保偏光纤快慢轴进行传输，在干涉仪中实现同轴传输信号干涉，干涉信号由保偏环形器、偏振分束器以及光电探测器组成的偏振分束差分探测装置探测，最终由信号采集解调记录装置处理。由于保偏光纤快慢轴参数不同，使得快轴信号和慢轴信号对相同的温度及应变具有不同响应，通过采用非平衡干涉仪结构构建正交响应矩阵，并测量两路干涉信号的温度响应系数和应变响应系数，可实现温度和应变同时测量。该方案解决了交叉敏感问题且测量结果精确稳定、灵敏度高。

技术领域

本发明涉及的是一种光纤传感技术，具体地说是一种非平衡保偏光纤双干涉仪温度应变同时测量装置及方法。

背景技术

随着人类社会的高速发展，各种大型基础工程设施不断建设，在大型现代化工程结构，例如水坝、摩天大厦及桥梁等建筑的结构安全保障中，应变检测是必不可缺的手段方法，在许多工程结构的生产建设以及维护过程中均需应变检测以保障建造与运行质量。此外应变检测在地震及地壳应变监测、油井勘探以及海洋环境检测等人类活动中具有十分重要的应用，因此各类应变检测传感器层出不穷。

相对于传统的采用机电检测原理的应变检测仪来说，光纤应变检测仪由于具有体积小质量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀电绝缘以及能够在恶劣环境下工作等特点倍受青睐，尤其是基于干涉仪原理的光纤应变检测仪结构简单、灵敏度高(皮米、亚皮米级位移分辨率)、动态范围大(160～180dB)以及测量频带宽(DC～MHz)等优点而得到广泛的应用。但是由于光纤自身特征，应变测量使用的应变检测仪对温度和应变同时敏感，且与二者线性相关，因此使得此类传感器在实际应用中存在温度和应变交叉敏感问题，即很难从最终得到的待测量中分离出温度和应变各自引起的变化量，这严重阻碍了光纤应变传感器的工程推广。目前解决温度应变交叉敏感问题通常采用的技术有以下几种：

1、采用设置参考光纤测量系统法，即在测量光纤传感器旁布置一套完全相同的参考光纤传感器并让其处于不受应变的松弛状态，用来获取温度信息，然后从测量光纤传感器的测量信息中扣除温度信息以获得应变信息。例如2009年东南大学的李爱群等人提出一种光纤光栅应变温度同时测量传感器(CN200920040685.7)，该传感器就是利用两段相同光纤光栅让其中一个不受应力质测量温度，另一个对温度和应变同时敏感。但是由于需要同时并行布置两套完全相同的光纤传感系统，但在实际制作过程中很难保证参考光纤传感系统与测量光纤传感系统完全一致，这限制了这种方法的应用。

2、采用集成式光纤应变与温度传感器，即在一套光纤传感系统中集成两个传感器分别来实现温度和应变中单独一个待测量的测量以及两个待测量的同时测量，一般是一个传感器测量温度，另一个传感器同时测量温度和应变，例如2000年重庆大学光电工程学院的饶云江提出一种集成式光纤应变与温度传感器装置(CN00244460.7)，该装置即是将宽带光纤温度传感器集成在光纤FP应变传感器内从而实现温度及应变同时测量的功能。但是集成集成式光纤应变与温度传感器一般结构比较复杂，且很难确保集成的两种光纤传感器的测量精度及测量范围一致，使得这种方法应用不太广泛。

3、利用光纤光栅实现应变与温度同时测量传感，即利用光纤光栅的特性构造出一种特殊的传感器，例如2012年印度的Sundarrajan Asokan等人提出使用光纤布拉格光栅交叉线传感器对应变和温度进行区分测量的方法(US20120176597)，该方案利用光纤布拉格光栅交叉线传感器中两个参数不同且对温度和应变同时敏感的光纤光栅构建了一个2阶系数矩阵，通过对这个系数矩阵进行求解来实现温度和应变同时测量的功能。光纤光栅传感器一般体积小且结构简单，因此应用较为广泛，但是由于其构建的系数矩阵是非正交矩阵，这使得矩阵所求得的解会随着矩阵参数的微弱变动而发生较大的变化，这降低了测量结果的稳定性。