CN100340839C - 光纤应变测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤应变测量仪及其测量方法，属于应用光纤传感器测量应变技术。测量仪包括宽带光源和波长解调器及与它们连接的光纤应变传感器，光纤应变传感器为由两段单模光纤和连接在它们之间一段多模光纤构成。在多模光纤内形成的高阶模在波长解调器内的光探测器发生干涉。形成干涉极大对应的入射光的波长与多模光纤纤芯的折射率、纤芯半径和长度有关。在多模光纤受到轴向力的作用时产生机械变形，半径和长度均随所受力的变化而改变，同时，由于光弹效应，光纤纤芯的折射率也将改变，这将导致谐振波长的变化，检测谐振波长可得到应变值。本发明具有结构简单、灵敏度高等特点。

Description

光纤应变测量仪及其测量方法

                                  技术领域

本发明涉及一种光纤应变测量仪及其测量方法，特别是一种由结构简单、易于制作且具有高灵敏度的光纤应变传感器的光纤应变测量仪，属于应用光纤传感器测量应变技术。

                                  背景技术

光纤传感具有许多电传感器不可比拟的优点，如不受电磁场以及其它外界环境变化的影响、灵敏度高、体积小、绝缘性好、可实现分布测量等，因此越来越受到重视。许多物理量如温度、应变、位移、湿度、压力、声音、振动等都可以使用光纤传感器进行高精度的测量。光纤传感已经广泛应用于建筑、石油、化工、交通、能源、冶金、医药、军工、食品、核工业等领域。

目前使用最广泛的光纤应变传感器主要有基于光纤布拉格光栅(简称FBG)技术和基于光纤法-珀干涉技术的两种。作为一种全光纤器件，布拉格光栅已被越来越广泛地用于光纤通信和光纤传感等领域。FBG传感器除具有光纤传感的共同特点外，还可以光波长复用方式实现多点分布测量等显著的优点，因而在无法使用传统传感器的场合发挥了巨大作用。近年来，随着FBG传感技术的不断发展，其应用范围也在日益扩大，并开始在有些领域取代传统的传感系统。光纤法-珀干涉仪是将在端面镀有反射膜的两光纤安装在一直的毛细玻璃管内，由两光纤端面和之间的空气隙构成一个法-珀腔，当由光纤输出的光进入法-珀腔时形成多光束干涉。当法-珀腔受到沿光纤轴向力的作用时，法-珀腔的腔长发生变化，其反射或透射光谱响应将发生相应的变化，检测光谱响应的变化即可实现对应变的测量。

与普通应变传感器如电阻应变片相比，FBG应变传感器和光纤法-珀应变传感器均有制作过程复杂、成本高等问题。

                                   发明内容

本发明的目的就是提供一种光纤应变测量仪及其测量方法，其所涉及的光纤应变传感器不仅具有结构简单、易于制作、成本低、灵敏度高等特点，同时具有与FBG相同的波长编码和波分复用等特性。

本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种光纤应变测量仪，该测量仪包括宽带光源和波长解调器及与它们连接的光纤应变传感器，其特征在于，光纤应变传感器为由一段输入单模光纤和一段输出单模光纤及连接在它们之间一段多模光纤构成，其中输入单模光纤的另一端与宽带光源连接，输出单模光纤的另一端与波长解调器相连。

上述的单模光纤和多模光纤的纤芯和包层的形状均为圆形。

采用上述结构的光纤应变测量仪实现应变测量的方法，其特征包括以下过程：

1.由输入单模光纤传来的基模光进入多模光纤后，将激发出统称为导模的基模LP₀₁和若干高阶模LP_0N。由输入单模光纤的基模向导模的耦合系数分布是不均匀的。这些导模沿多模光纤传播，到达多模光纤与输出单模光纤的界面后，由于不同阶数的导模模场分布的差异，因而导致各阶模在向输出单模光纤基模耦合时耦合系数之间的不同。其结果是只有少数的导模有效地耦合到输出单模光纤中。在这里，输出单模光纤起到了选择模式的作用。被耦合到输出单模光纤中的导模，在波长解调器内的光探测器发生干涉，当输入单模光纤的入射光的波长满足：

$\mathrm{\λ}=\frac{16\mathrm{nm}{a}^2}{(N_1-N_2)[2(N_1+N_2)-1]L},$

时，形成干涉极大。上式中，n为多模光纤纤芯的折射率；m为一正整数；a为多模光纤纤芯半径；L为多模光纤的长度；N₁，N₂为高阶模LP_0N的阶数。

2.在多模光纤受到沿光纤轴向力的作用时，光纤本身要产生机械变形，即其半径a和长度L均随所受力的变化而改变。同时，由于光弹效应，光纤纤芯的折射率n也会均随所受力的变化而改变。所以外力对光纤引起的应变将导致谐振波长λ的变化。故检测谐振波长λ即可得到应变值。当温度一定时，由应变引起的波长变化为

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}={[\frac{1}{n}\mathrm{\Δn}+\frac{2}{a}\mathrm{\Δa}-\frac{1}{L}\mathrm{\ΔL}]}_T=-(1+2v+p_e)\mathrm{\ϵ},$

其中，v为多模光纤的波松比；p_e为多模光纤材料的光弹系数。

3.由波长解调器测量波长变化，则得到被测应变值。

上述在波长解调器内的光探测器发生的干涉不包括基模LP₀₁在内的高阶模之间的干涉。

本发明所涉及的应变传感器的相对波长变化与其所发生的应变成线性关系。但与FBG应变传感器不同的是，当应变为正值(拉应变)时，谐振波长向短波长变化，与FBG应变传感器的特性相反。对于FBG应变传感器，其应变灵敏度为1-p_e。由石英光纤制成的FBG应变传感器该值约为0.78。对于本发明所涉及的应变传感器，如取多模光纤的波松比为0.16，则其应变灵敏度为1.54，是FBG应变传感器应变灵敏度的近2倍。

                                   附图说明

图1为光纤应变传感器结构示意图。图中：101为输入单模光纤；102为多模光纤；103为输出单模光纤；104为输入和输出单模光纤包层；105为输入和输出单模光纤纤芯；106为输入单模光纤101与多模光纤102的对接面；107为多模光纤包层；108为多模光纤纤芯；109为输出单模光纤103与多模光纤102的对接面。

图2为光纤应变测量仪结构框图。图中：201为宽带光源；202为本发明光纤应变传感器；203为波长解调仪。

图3为实验记录的透射光谱图。

图4为实测本发明所涉及的光纤应变传感器与FBG应变传感器应变灵敏度对比实验结果。

                                具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。如附图1所示，输入单模光纤101和输出单模光纤103均采用标准单模光纤(G652)，其纤芯(105)直径为8.2μm，包层(104)直径为125μm，数值孔径0.14。首先将其保护涂层除去，然后使用光纤切刀将其端面切成与其轴线垂直。多模光纤102使用Nufern MM-S105/125-15A折射率阶跃光纤，其纤芯(108)直径为105μm，包层(107)直径为125μm，数值孔径0.14。首先将其保护涂层除去，然后使用光纤切刀将其端面切成与其轴线垂直。之后，将端面处理后的输入单模光纤101和多模光纤102放入光纤熔接机将两光纤熔接在一起。在多模光纤上50mm处使用光纤切刀将其切断，并将其与输出单模光纤103熔接在一起，制成光纤应变传感器。

根据已知的光纤参数通过理论计算可知，在输入单模光纤与多模光纤的界面106，由输入单模光纤101输出的光(波长1550nm)可在多模光纤102内激发出具有旋转对称模场分布的各阶导模。由输入单模光纤101的基模向这些导模的耦合系数分布是不均匀的，其中以LP₀₆和LP₀₇为最强。这些导模将沿多模光纤102传播，到达多模光纤的端面109后，由于输入单模光纤101的模场直径远小于多模光纤102的模场直径，所以在这些导模中只有模场分布集中在轴线附近的导模才被有效地耦合到输出单模光纤103中。在本实施例中，被有效地耦合到输出单模光纤103中的模主要是LP₀₆和LP₀₇。这两个模将相互干涉，在波长满足上面给出的条件时形成干涉极大。当在光纤应变传感器上施加沿光纤轴线方向的应力时，多模光纤102将产生应变，导致形成干涉极大的波长将随之改变，检测该波长的变化即实现对应变的测量。

图2为光纤应变测量仪实验装置示意图。201为宽带光源，其输出光谱范围为1520-1565nm，输出功率为5mW；202为本发明光纤应变传感器；203为光纤光谱分析仪，作为光谱记录和波长解调设备。

图3为实验记录的透射光谱图。表明本发明光纤应变传感器可以波分复用的方式与光纤布拉格光栅应变传感器构成光纤传感网络。

图4为实测本发明所涉及的应变传感器与FBG应变传感器应变灵敏度对比实验结果。实验中将一个FBG应变传感器与一个本发明所涉及的应变传感器串接在一起，再将一端固定，另一端与一个微位移平台相连。调整微位移平台可改变施加在两传感器上的拉应力，该拉应力对两传感器是相同的。在所用光纤的包层直径相同的条件下，认为两传感器产生的应变也是相同的。实验结果表明，当增大拉应力是，FBG应变传感器的波长增大，而本发明所涉及的应变传感器的谐振波长减小，两者成线性关系，直线斜率为-1.92。表明本发明所涉及的应变传感器的应变灵敏度是FBG应变传感器应变灵敏度的1.92倍，与理论结果吻合。

本领域的专业技术人员都清楚，本发明的思想可采用上面列举的具体实施方式以外的其它方式实现。

Claims (4)

1.一种光纤应变测量仪，该测量仪包括宽带光源和波长解调器及与它们连接的光纤应变传感器，其特征在于，光纤应变传感器为由一段输入单模光纤和一段输出单模光纤及连接在它们之间一段多模光纤构成，其中输入单模光纤的另一端与宽带光源连接，输出单模光纤的另一端与波长解调器相连。

2.按权利要求1所述的光纤应变测量仪，其特征在于：单模光纤和多模光纤的纤芯和包层的形状均为圆形。

3.一种采用权利要求1所述的光纤应变仪测量应变的方法，其特征包括以下过程：

1).由输入单模光纤传来的基模光进入多模光纤后，将激发出统称为导模的基模LP₀₁和若干高阶模LP_0N，由输入单模光纤的基模向导模的耦合系数分布是不均匀的，这些导模沿多模光纤传播，到达多模光纤与输出单模光纤的界面后，由于不同阶数的导模模场分布的差异，因而导致各阶模在向输出单模光纤基模耦合时耦合系数之间的不同，其结果是只有少数的导模有效地耦合到输出单模光纤中，输出单模光纤起到了选择模式的作用，被耦合到输出单模光纤中的导模，在波长解调器内的光探测器发生干涉，当输入单模光纤的入射光的波长满足：

$\mathrm{\λ}=\frac{{16\mathrm{nma}}^2}{(N_1-N_2)[2(N_1+N_2)-1]L},$

时，形成干涉极大，上式中，n为多模光纤纤芯的折射率；m为一正整数；a为多模光纤纤芯半径；L为多模光纤的长度；N₁，N₂为高阶模LP_0N的阶数；

2).在多模光纤受到沿光纤轴向力的作用时，光纤本身要产生机械变形，即其半径a和长度L均随所受力的变化而改变，同时，由于光弹效应，光纤纤芯的折射率n也会均随所受力的变化而改变，所以外力对光纤引起的应变将导致谐振波长λ的变化，故检测谐振波长λ即可得到应变值，当温度一定时，由应变引起的波长变化为：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}={[\frac{1}{n}\mathrm{\Δn}+\frac{2}{a}\mathrm{\Δa}-\frac{1}{L}\mathrm{\ΔL}]}_T=-(1+2v+p_e)\mathrm{\ϵ},$

其中，v为多模光纤的波松比；p_e为多模光纤材料的光弹系数；

3).由波长解调器测量波长变化，则得到被测应变值。

4.按权利要求3所述的测量应变的方法，其特征在于：所述的在波长解调器内的光探测器发生的干涉不包括基模LP₀₁在内的高阶模之间的干涉。

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