CN108168728B - 非平衡保偏光纤双干涉仪温度应变同时测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

非平衡保偏光纤双干涉仪温度应变同时测量装置及方法

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。

4、利用布里渊效应及拉曼效应等物理效应实现应变与温度同时测量传感，最常见的利用布里渊效应的光纤传感器，例如2013年中国人民解放军国防科技技术大学的孟洲等人提出一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感器方法及装置(CN201310140194.0)，该方案通过将两个不同波长的入射光先后单独注入同一根普通单模传感光纤并分别测量其布里渊频移量来实现温度和应变同时测量的功能。但是此类传感器多应用与分布式传感且具有结构复杂、配套设备多等缺点。

5、利用特种光纤实现应变与温度同时测量传感，例如2015年中国计量学院的卞继城等人提出一种基于球形和细芯光纤的温度和应变同时测量的传感器(CN201520488312.1)，该传感器利用特种光纤使得包层模式和纤芯模式形成马赫泽德干涉仪来实现温度和应变同时测量的功能。但是由于使用特种光纤使得此类传感器的成本较高，且受限于光纤拉制技术，部分特种光纤质量不稳定导致传感器的性能不一致。

此外，还有众多其他类型的光纤传感器能够实现应变与温度同时测量，例如2008年美国的Mark E.Froggatt提出保偏光纤中的分布应变和温度同时测量的方法(US20080002187)来实现温度和应变同时测量。

但是，对于应用最为广泛的光纤干涉仪传感器来说，主要以设置参考光纤测量系统法以及采用集成式光纤应变与温度传感器来解决光纤干涉仪传感器的温度和应变交叉敏感问题，但是这两种方法的缺点也是显而易见的。因此目前在现有公开的专利技术中并没有一个简单行之有效并且能够普遍适用的方法来解决光纤干涉仪传感器的温度和应变交叉敏感问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以解决温度与应变交叉敏感问题，实现温度和应变参量的同时测量的非平衡保偏光纤双干涉仪温度应变同时测量装置。本发明的目的还在于提供一种基于本发明的非平衡保偏光纤双干涉仪温度应变同时测量装置的非平衡保偏光纤双干涉仪温度应变同时测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的非平衡保偏光纤双干涉仪温度应变同时测量装置，包括窄线宽激光光源101、起偏器111、非平衡保偏光纤双干涉仪130、偏振分束差分探测装置140和信号采集解调记录装置150，

窄带宽激光光源101通过起偏器111与保偏环形器141输入端a连接，连接处保偏光纤的对轴角度121为0°～45°；非平衡保偏光纤干涉仪130通过偏振分束差分探测装置140与信号采集解调记录装置150相连接；

非平衡保偏光纤双干涉仪130由2×2保偏光纤耦合器131，相位调制器134，第1、第2保偏光纤132、135以及第1、第2保偏光纤反射镜133、136组成；保偏光纤耦合器131第一输出端c3通过第1保偏光纤132连接第1保偏光纤反射镜133，组成第一干涉仪固定长度传感臂l₁；保偏光纤耦合器131第二输出端c4通过相位调制器134依次连接第2保偏光纤135与第2保偏光纤反射镜136，组成第二干涉仪固定长度传感臂l₂，非平衡保偏光纤干涉仪130臂长差Δl＝|l₁-l₂|＞0.1m，所有的保偏光纤连接处的对轴角度均为0°～0°；

偏振分束差分探测装置140由保偏环形器141，第1、第2偏振分束器142、145，第1、第2差分探测器143与146、144与147组成；保偏光纤耦合器131第一输入端c1通过保偏环形器141连接第1偏振分束器142，保偏光纤耦合器131第二输入端c2与第2偏振分束器145连接，所有保偏光纤连接处的对轴角度均为0°～0°；第1差分探测器143与146与第1、第2偏振分束器142、145快轴信号输出端连接，第2差分探测器144与147与第1、第2偏振分束器142、145慢轴信号输出端连接。

本发明的非平衡保偏光纤双干涉仪温度应变同时测量装置还可以包括：

1、所述的保偏光纤耦合器131是2×2保偏光纤耦合器，最优分光比为50:50且快慢轴同时工作，波长工作范围能够覆盖窄线宽激光光源101的发射光谱，尾纤均为保偏光纤。

2、所述的第1、第2保偏光纤反射镜133、136的快慢轴同时工作，反射光与入射光偏振态相同，波长工作范围能够覆盖窄线宽激光光源101的发射光谱，尾纤均为保偏光纤。

3、起偏器111，保偏环形器141，第1、第2保偏光纤132、135，第1、第2保偏振分束器142、145，以及第1、第2、第3、第4光电探测器143、144、146、147的波长工作范围能够覆盖窄线宽激光光源101的发射光谱；起偏器111的输出端l1，第1、第2保偏振分束器142、145的输入端p1、p4，相位调制器134，保偏环形器131，以及第1、第2保偏光纤反射镜133、136的尾纤均为保偏光纤。

基于本发明的非平衡保偏光纤双干涉仪温度应变同时测量装置的测量方法为：

1)在实验室中，使该测量装置传感臂处于恒温环境，用位移台施加拉伸应力，记录位移数据以及相位变化数据，计算慢轴即x轴干涉仪以及快轴即y轴干涉仪的应变系数并作为已知常量用做以后计算；

2)在实验室中，使该测量装置传感臂处于松弛状态，改变环境温度并记录相位变化数据，计算慢轴即x轴干涉仪以及快轴即y轴干涉仪的应变系数并作为已知常量用做以后计算；

3)将该测量装置放到测试环境中，并将干涉仪的传感臂光纤固定依附在待测物体表面，待测物体的应变ε以及环境温度变化ΔT通过接触或者媒介传递作用到传感光纤上，最终使得干涉信号解调出的相位发生变化，记录快慢轴干涉仪相位数据，得到Δφ_x、Δφ_y；

4)将实验室中测得的常量和以及测试环境中得到的Δφ_x、Δφ_y；带入式中，通过计算得到待测环境的应变参量以及温度变化。

本发明提供了一种非平衡保偏光纤双干涉仪温度应变同时测量的方法及装置，利用此方法及装置可以解决温度与应变交叉敏感问题，实现温度和应变参量的同时测量。

本发明的非平衡保偏光纤双干涉仪温度应变同时测量的装置的主要结束特征包括：

主要组成包括：窄线宽激光光源101、起偏器111、非平衡保偏光纤双干涉仪130、偏振分束差分探测装置140、信号采集解调记录装置150，如附图1所示。

(1)窄带宽激光光源101通过起偏器111与保偏环形器141输入端a连接，连接处保偏光纤的对轴角度121为0°～45°；非平衡保偏光纤干涉仪130通过偏振分束差分探测装置140与信号采集解调记录装置150相连接；窄线宽激光光源101输出光经过过起偏器111后变为线偏光，并在连接处121与保偏环形器141输入端a的保偏光纤慢轴成45°角注入，使得保偏光纤快轴和慢轴同时注入能量相同的光传输，之后进入非平衡保偏光纤干涉仪130，如附图2所示；

(2)非平衡保偏光纤干涉仪130由2×2保偏光纤耦合器131、相位调制器134、第1保偏光纤132、第2保偏光纤135以及第1保偏光纤反射镜133、第2保偏光纤反射镜136组成；保偏光纤耦合器131第一输出端c3通过第1保偏光纤132连接第1保偏光纤反射镜133，组成干涉仪固定长度传感臂l₁；保偏光纤耦合器131第二输出端c4通过相位调制器134依次与第2保偏光纤135与第2保偏光纤反射镜136，组成干涉仪固定长度传感臂l₂，非平衡保偏光纤干涉仪(130)臂长差Δl＝|l₁-l₂|＞0.1m，所有的保偏光纤连接处的对轴角度均为0°～0°；非平衡在保偏光纤干涉仪130中所以的保偏光纤及保偏器件都是快轴与快轴连接、慢轴与慢轴连接，当光同时注入快轴和慢轴传输时，经过非平衡保偏光纤干涉仪130干涉光路传输，最终使得快轴光与快轴光干涉、慢轴光与慢轴光干涉且两路干涉分别同时存在互不干扰，这使得在非平衡保偏光纤干涉仪130同时存在快轴光路干涉仪与慢轴光路干涉仪两路干涉仪；

(3)偏振分束差分探测装置140由保偏环形器141，第1、第2偏振分束器142、145，第1、第2差分探测器143与146、144与147组成；保偏光纤耦合器131第一输入端c1通过保偏环形器141连接第1偏振分束器142，保偏光纤耦合器131第二输入端c2与第2偏振分束器145连接，所有保偏光纤连接处的对轴角度均为0°～0°；第1差分探测器与第1、第2偏振分束器142、145快轴信号输出端连接，第2差分探测器与第1、第2偏振分束器142、145慢轴信号输出端连接；分别在快轴和慢轴传输的干涉信号由保偏光纤耦合器131的第一输入端c1以及第二输入端c2输出，其中第一输入端c1的快轴干涉信与慢轴干涉信号经保偏环形器141传输到第1偏振分束器142并被分离，第二输入端c2的快轴干涉信与慢轴干涉信号传输到第2偏振分束器145并被分离，两路快轴信号由第1差分探测器探测到，两路慢轴信号由第2差分探测器探测到，差分探测实现共模抑制、差模曾敏效果，光电探测器将探测到的信号传输到信号采集解调记录装置150中；

(4)信号采集解调记录装置150有数据采集卡151以及信号解调记录软件152组成，其中数据采集卡151直接与信号解调记录软件152连接；另外，第1、第2差分探测器143与146、144与147以及相位调制器134均与数据采集卡151连接；差分探测器探测到的信号由数据采集卡151采集，最终传输信号解调记录软件152，由信号解调记录软件152对信号进行解调、显示以及记录保存等处理工作，同时信号解调记录软件152控制数据采集卡151向相位调制器134加载调制信号。

保偏光纤耦合器131是：2×2保偏光纤耦合器，最优分光比为50:50且快慢轴同时工作，波长工作范围能够覆盖窄线宽激光光源101的发射光谱，尾纤均为保偏光纤；

第1、第2保偏光纤反射镜133、136，快慢轴同时工作，反射光与入射光偏振态相同，波长工作范围能够覆盖窄线宽激光光源101的发射光谱，尾纤均为保偏光纤；

起偏器111，保偏环形器141，第1、第2保偏光纤132、135，第1、第2偏振分束器142、145，第1、第2、第3、第4光电探测器143、144、146、147，波长工作范围能够覆盖窄线宽激光光源101的发射光谱；起偏器111的输出端l1，第1、第2保偏振分束器142、145的输入端p1、p4，相位调制器134，保偏环形器131，第1、第2保偏光纤反射镜133、136，其尾纤均为保偏光纤。

本发明是对基于光纤干涉仪的应变测量仪的一种技术改进，主要解决了普通单模光纤干涉仪的应变测量仪存在的温度与应变交叉敏感问题，实现温度和应变参量的同时测量。实现本发明的上述目的所采取的技术方案是利用具有快慢轴两个传输轴的保偏光纤代替单模光纤并采用保偏光纤器件搭建一个全保偏光纤干涉光路，如附图1所示。在保偏光纤中，光可以沿着快轴和慢轴相互独立的传输，因此可以利用保偏光纤的快慢轴在同一个光纤干涉系统中实现两个干涉光路，由于保偏光纤快轴与慢轴的折射率等参数不一致，导致快轴干涉光路与慢轴干涉光路的相位输出分别具有温度系数和应变系数，通过测量两个干涉光路具有的温度系数和应变系数，在输出相位与待测量温度和应变之间构建一个正交的系数矩阵，由于系数矩阵的正交性质，使得矩阵参数发生变化时，矩阵所求得的解会相对稳定，这实现了矩阵求解的准确性和稳定性。因此，利用该正交系数矩阵进行求解即可实现温度和应变的同时测量且测量结果稳定，这解决了光纤干涉仪中温度和应变交叉敏感的问题且测量结果精确稳定、灵敏度高，适合于工程应用。

为了实现光在保偏光纤两个传输轴——快轴和慢轴上的同时传输，我们使用尾纤为保偏光纤的起偏器与光源连接，起偏器与保偏光纤连接，连接点的对轴角度为0°～45°。如附图2所示，光源输出光经过起偏器后变为线偏光，通过起偏器尾纤保持偏振状态后通过对轴角度为0°～45°的连接点将传输光分为能量大小相等的两份分别注入到保偏耦合器输入端保偏光纤快慢轴中传输。在光纤干涉仪中，温度和应变与干涉仪输出相位的关系是程线性相关的，则对于慢轴(x轴)干涉仪与快轴干涉仪来说，其解调输出相位的变化Δφ_x、Δφ_y与应变ε、温度变化ΔT之间的关系可以表示为：

使式(1)-式(2)，这样得到用矩阵表示的线性方程组：

式(1)、式(2)中，和分别为保偏光纤慢轴(x轴)干涉仪和快轴(y轴)干涉仪的应变系数、温度系数，都是与光纤自身参数相关的常数，其值可以通实验测量得到，也可通过理论推到估算得到近似值。利用普通单模光纤的弹光系数、热光系数、热膨胀系数以及保偏光纤双折射率等参数，结合干涉仪中作为传感光纤的长度l₁≈l₂＞＞Δl，并通过理论推导发现当臂长差Δl＝|l₁-l₂|＞0.1m时，式(3)中的系数矩阵可变为正交系数矩阵，相对于非正交的系数矩阵，具有正交系数矩阵的线性方程的解更稳定，即当正交系数矩阵中某一参数发生微弱变动时，对线性方程的解影响较小，如附图3所示。因此在实际应用中，构建了臂长差大于0.1m的非平衡干涉仪，这使得测量结果更准确稳定。对式(3)进一步化简得到：

在实际测试中，通过干涉仪最终解调出来的相位信息，并结合之前实验及计算得到的系数矩阵的四个参数，按照式(4)进行运算即可得到待测的温度和应变参量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)系统采用全保偏光纤干涉仪设计，在同一个光纤干涉系统中实现快轴光与快轴光干涉、慢轴光与慢轴光干涉，利用两个干涉光路具有的不同的温度系数和应变系数，实现对温度和应变的同时测量，解决了温度和应变的交叉敏感问题。

(2)系统采用非平衡干涉仪设计，使得干涉仪两臂臂长差大于0.1m，利用快慢轴干涉仪的温度系数和应变系数，构建正交的系数矩阵，这使得该系数矩阵能够解出一个稳定的解，确保了该装置测量结果的准确性以及稳定性。

(3)系统采用Michelson型干涉仪结构，光信号在传感光纤中经过往返两次使得其对外界待测量产生2倍的响应，这大大提高了系统灵敏度。另外全光纤光路设计，使得该装置体积小且易搭建，适合于仪器化。

(4)系统采用全保偏光纤光路设计，保偏光纤具有保持传输光偏振态的功能，这避免了普通单模光纤干涉仪中由于偏振态的随机变化而存在的偏振衰落问题，提高了干涉信号的稳定性，进而提高了系统装置性能的稳定性。

本发明基于现有技术改进，提供了一种非平衡保偏光纤双干涉仪温度应变同时测量的方法及装置，其设计思想是：利用光在保偏光纤中可以沿着快轴和慢轴同时相互独立传输的特性，使用保偏光纤及保偏器件搭建一个全保偏光纤干涉，采用起偏器将光源输出光变为线偏光后，与保偏光纤传输轴成45°角注入保偏光纤干涉仪，这使得保偏光纤干涉仪的快轴和慢轴都有光传输且传输光能量大小相等，最终在干涉仪中实现快轴光与快轴光干涉、慢轴光与慢轴光干涉，因此可以采用保偏光纤的快慢轴在同一个光纤干涉系统中实现两个干涉光路。由于保偏光纤快轴与慢轴的折射率等参数不一致，导致快轴干涉光路与慢轴干涉光路的相位输出分别具有温度系数和应变系数，通过改变保偏光纤干涉仪的臂长差，构建非平衡干涉仪，当臂长差大于0.1m时，在输出相位与待测量温度和应变之间就能构建一个正交的系数矩阵，由于系数矩阵的正交性质，使得矩阵参数发生变化时，矩阵所求得的解会相对稳定，这实现了矩阵求解的准确性和稳定性。因此，利用该正交系数矩阵进行求解即可实现温度和应变的同时测量且测量结果稳定，这解决了光纤干涉仪中温度和应变交叉敏感的问题。

附图说明

图1是非平衡保偏光纤双干涉仪温度应变同时测量装置原理示意图；

图2a是起偏器输出保偏光纤与保偏耦合器输入保偏光纤连接点0°～45°对准示意图；图2b是起偏器输出端l1中传输光偏振态示意图；图2c是连接点121处分光情况示意图；图2d是保偏环形器输入端a中传输光偏振态示意图；

图3a是系数矩阵不正交的情况的示意图；图3b是系数矩阵为正交的情况下的示意图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

在对温度和应变进行测试之前，需要对装置进行正确连接。如附图1及附图2所示，按照发明内容所描述的连接方式连接好各部分器件，为使光路更为稳定，所有光路连接均采用焊接方式。

连接方式：

(1)窄带宽激光光源101通过起偏器111与保偏环形器141输入端a连接，连接处保偏光纤的对轴角度121为0°～45°；非平衡保偏光纤干涉仪130通过偏振分束差分探测装置140与信号采集解调记录装置150相连接；

(2)非平衡保偏光纤干涉仪130由2×2保偏光纤耦合器131、相位调制器134、第1保偏光纤132、第2保偏光纤135以及第1保偏光纤反射镜133、第2保偏光纤反射镜136组成；保偏光纤耦合器131第一输出端c3通过第1保偏光纤132连接第1保偏光纤反射镜133，组成干涉仪固定长度传感臂l₁；保偏光纤耦合器131第二输出端c4通过相位调制器134依次与第2保偏光纤135与第2保偏光纤反射镜136，组成干涉仪固定长度传感臂l₂，非平衡保偏光纤干涉仪(130)臂长差Δl＝|l₁-l₂|＞0.1m，所有的保偏光纤连接处的对轴角度均为0°～0°；

(3)偏振分束差分探测装置140由保偏环形器141，第1、第2偏振分束器142、145，第1、第2差分探测器143与146、144与147组成；保偏光纤耦合器131第一输入端c1通过保偏环形器141连接第1偏振分束器142，保偏光纤耦合器131第二输入端c2与第2偏振分束器145连接，所有保偏光纤连接处的对轴角度均为0°～0°；第1差分探测器与第1、第2偏振分束器142、145快轴信号输出端连接，第2差分探测器与第1、第2偏振分束器142、145慢轴信号输出端连接；

(4)信号采集解调记录装置150有数据采集卡151以及信号解调记录软件152组成，其中数据采集卡151直接与信号解调记录软件152连接；另外，第1、第2差分探测器143与146、144与147以及相位调制器134均与数据采集卡151连接；

该发明装置选用的光纤器件的详细性能参数如下所述。

(1)窄线宽激光光源的工作波长为1550±20nm，中心波长1550nm，出纤功率大于2mW，光谱线宽小于1pm；

(2)保偏光纤起偏器的为三端口环行器，工作波长为1550nm，插入损耗1dB，回波损耗大于55dB，尾纤为熊猫型保偏光纤；

(2)保偏环形器的工作波长为1550nm，消光比为30dB，插入损耗小于1dB，输入端为单模光纤，输出为熊猫型保偏光纤；

(3)2×2保偏光纤耦合器的工作波长为1550nm，分光比为50:50且快慢轴同时工作，尾纤为熊猫型保偏光纤；

(4)相位调制器为压电陶瓷环，其直径为30mm，缠绕光纤长度为1000mm，绕制光纤为熊猫型保偏光纤，调制幅度大于2π；

(5)第1、第2保偏光纤为熊猫型保偏光纤，消光比优于20dB，其长度分别为97000mm、98000mm；

(6)第1、第2保偏光纤反射镜的工作波长为1550±5nm，快慢轴同时工作，反射光与入射光偏振态相同，插入损耗为0.6dB，尾纤为保偏光纤且长度为1000mm；

(7)第1、第2偏振分束器为1×2偏振分束器，工作波长为1550nm，消光比大于20dB，插入损耗小于0.5dB，输入端尾纤为保偏光纤；

(8)第1、第2、第3、第4光电探测器的光敏材料均为InGaAs，光探测范围为1100～1700nm，响应度大于0.9A/W，如采用New Focus公司的Nirvana^TM系列2017型平衡探测器。

测量装置的工作过程如下：

首先，在实验室中测量出快慢轴干涉仪各自的温度系数和应变系数并计算中出式(3)中正交系数矩阵四个参量以及的取值，并作为已知常量用作以后计算；

其次，将该装置放到测试环境中，并将干涉仪的传感光纤即干涉仪两臂固定依附在待测物体表面。当待测物体发生应变或者温度发生变化时，待测物体的应变以及环境温度变化通过接触或者媒介传递作用到干涉仪的传感光纤上，使得传感光纤的长度及折射率发生变化，进而影响到传感光纤中传输光的光程，最终使得干涉信号解调出的相位发生变化。但干涉光信号输出干涉仪后被光电探测器探测到并转化为电信号，转化后的电信号通过电路放大并被数据采集卡采集，最终传输到信号解调系统并解调出相位的变化，然后将相位信息记录并保存。

最后，结合之前测量得到并作为已知量的正交系数矩阵四个参量以及在测试环境中测量得到快轴干涉仪以及慢轴干涉仪的相位变化，依据式(4)通过计算就可以得到待测物理参量应变以及温度变化的值，最终实现应变以及温度的同时测量。

Claims (1)

1.一种基于非平衡保偏光纤双干涉仪温度应变同时测量装置的测量方法，所述非平衡保偏光纤双干涉仪温度应变同时测量装置包括窄线宽激光光源(101)、起偏器(111)、非平衡保偏光纤双干涉仪(130)、偏振分束差分探测装置(140)和信号采集解调记录装置(150)，

窄带宽激光光源(101)通过起偏器(111)与保偏环形器(141)输入端(a)连接，连接处保偏光纤的对轴角度(121)为0°～45°；非平衡保偏光纤干涉仪(130)通过偏振分束差分探测装置(140)与信号采集解调记录装置(150)相连接；

非平衡保偏光纤双干涉仪(130)由2×2保偏光纤耦合器(131)，相位调制器(134)，第1、第2保偏光纤(132、135)以及第1、第2保偏光纤反射镜(133、136)组成；保偏光纤耦合器(131)第一输出端(c3)通过第1保偏光纤(132)连接第1保偏光纤反射镜(133)，组成第一干涉仪固定长度传感臂(l₁)；保偏光纤耦合器(131)第二输出端(c4)通过相位调制器(134)依次连接第2保偏光纤(135)与第2保偏光纤反射镜(136)，组成第二干涉仪固定长度传感臂(l₂)，非平衡保偏光纤干涉仪(130)臂长差Δl＝|l₁-l₂|＞0.1m，所有的保偏光纤连接处的对轴角度均为0°～0°；

偏振分束差分探测装置(140)由保偏环形器(141)，第1、第2偏振分束器(142、145)，第1、第2差分探测器(143与146、144与147)组成；保偏光纤耦合器(131)第一输入端(c1)通过保偏环形器(141)连接第1偏振分束器(142)，保偏光纤耦合器(131)第二输入端(c2)与第2偏振分束器(145)连接，所有保偏光纤连接处的对轴角度均为0°～0°；第1差分探测器(143与146)与第1、第2偏振分束器(142、145)快轴信号输出端连接，第2差分探测器(144与147)与第1、第2偏振分束器(142、145)慢轴信号输出端连接；

其特征是测量方法为：

1)在实验室中，使该测量装置传感臂处于恒温环境，用位移台施加拉伸应力，记录位移数据以及相位变化数据，计算慢轴x轴干涉仪以及快轴y轴干涉仪的应变系数并作为已知常量用做以后计算；

2)在实验室中，使该测量装置传感臂处于松弛状态，改变环境温度并记录相位变化数据，计算慢轴x轴干涉仪以及快轴y轴干涉仪的应变系数并作为已知常量用做以后计算；

3)将该测量装置放到测试环境中，并将干涉仪的传感臂光纤固定依附在待测物体表面，待测物体的应变ε以及环境温度变化ΔT通过接触或者媒介传递作用到传感光纤上，最终使得干涉信号解调出的相位发生变化，记录快慢轴干涉仪相位数据，得到Δφ_x、Δφ_y；

4)将实验室中测得的常量和以及测试环境中得到的Δφ_x、Δφ_y；带入式中，通过计算得到待测环境的应变参量以及温度变化。