CN109724648B - 基于正交偏振双波长激光多纵模自混合效应同步测量温度和应变的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及基于正交偏振双波长激光多纵模自混合效应同步测量温度和应变的装置和方法。测量装置包括出射两个不同波长的正交偏振光的激光光源、传感单元、振动目标、偏振选择光开关、分光元件和信号处理单元。测量方法为：激光光源发射两个不同波长正交偏振的激光，振动目标发生振动，出射激光经过偏振选择光开关不同时刻切换两个输出正交的偏振态激光到振动目标上，反馈回激光光源谐振腔内形成自混合信号，分别在偏振态1激光和偏振态2激光下获得不同补偿距离，利用信号处理单元同时得出传感光纤所处环境温度值和应变值，该测量方法能实现温度和应变的同时测量。

Description

基于正交偏振双波长激光多纵模自混合效应同步测量温度和 应变的装置和方法

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及基于正交偏振双波长激光多纵模自混合效应同步测量温度和应变的装置和方法。

背景技术

目前，光学测量方法因其非接触测量、测量灵敏度高、测量精度高等优点已被成熟应用于温度测量和应变测量的测量场合。而在智能材料与结构在线分析检测中，多参数的同时在线测量是目前结构健康状态检测的发展趋势，其中静态应变和温度的同时测量在热应变的误差校正中尤为重要。

在温度测量技术领域，目前的测温方法主要分为接触式和非接触式两大类。接触式的测温方法主要有热敏电阻测温法、光纤光栅测温法等；非接触式的测温方法主要有红外测温方法、传统干涉光学测温法等。基于热敏电阻体积小，机械性能好等优点，热敏电阻测温法主要适用于测量点温、表面温度及快速变化的温度的场合，但其存在复现性较差和互换性较差的缺点。光纤光栅测温法适用于需要测量精度要求较高的表面温度的场合，但是受自身材料特性影响，其测温范围较小，并且需要结合昂贵的光谱仪或者复杂的解调技术，应用成本较高。红外测温法被应用于测量真实温度时，受被测对象辐射率的影响较大，测量精度较低，不满足高精度测温需求。而传统干涉光学温度测量方法则一般采用马赫-曾德尔方案，信号光和参考光处在不同光路，受环境影响较大，结构相对复杂且调试困难。

在应变测量技术领域，传统的应变测量方法主要是利用电阻应变计(电阻应变片)来实现测量。该方法一般只能测量构件表面应变，难于显示其内部应变，并且存在测量仪器体积大、测量灵敏度低、动态范围小，不易被埋置在复合材料中等缺点。利用光学测量应变的方法主要包括光弹性测量法、全息干涉法、云纹法、光纤光栅法、传统光学干涉法等，其中光弹性测量法、全息干涉法、云纹法等方法存在受力模型复杂、测量材料有限、处理过程繁琐，处理数据量过大等问题；光纤光栅法则均需接入光谱仪观察不同应变下光栅反射波长的具体位置，测量成本较高且易受环境影响。而传统光学干涉法(如迈克尔逊、马赫-曾德尔等干涉法等)则需通过采集传感臂和参考臂间的干涉信号来获得应变大小，由于信号光和参考光处在不同光路，受环境影响较大，结构复杂且调试困难；法布里-帕罗型应变传感器则是利用空气腔中光的干涉效应对应变进行传感，但空气腔易受环境干扰且光程有一定限制，不适合高灵敏度应变测量。

对温度和应变参数的同时测量目前主要采用的光学测量方案为温度、应变双传感器测量方案及单一传感器的温度应变双参数测量方案。双传感器测量方案显然存在系统体积庞大，成本较高以及温度应变交叉敏感的问题。而目前单一传感器进行温度应变双参数测量主流方案主要包括基于光纤布拉格光栅的双包场FBG方案、FBG基频域二次谐波方案、不同包层尺寸的FBG方案、FBG和长周期光栅方案以及单一光纤上双波长偏振干涉测量方案等。但上述方案均基于传感信号波长随温度和应变的同时变化，后进行分离并测量，需结合昂贵光谱仪或波长计以及复杂的波长解调方案才能实现温度应变双参数的同时测量。

发明内容

本发明目的是为了解决上述问题，本发明基于激光多纵模自混合效应，提供有效克服现有方法存在问题的基于正交偏振双波长激光多纵模自混合效应同步测量温度和应变的装置和方法。

本发明提供的基于正交偏振双波长激光多纵模自混合效应同步测量温度和应变的装置，具体技术方案如下：

基于正交偏振双波长激光多纵模自混合效应同步测量温度和应变的装置，包括激光光源、传感单元、振动目标、偏振选择光开关、分光元件和信号处理单元，

所述激光光源发射的激光为两个不同波长的正交偏振光，

所述激光光源、传感单元、振动目标依次设置，所述偏振选择光开关和所述分光元件依次设置在所述激光光源与所述传感单元之间的光路上，

所述传感单元包括传感光纤，所述传感光纤置于待测温度和应变的环境内，所述激光光源发射的激光，经过分光元件进入所述传感光纤，

所述振动目标底部固定于滑块上，所述滑块设置于滑轨上并且可沿滑轨水平移动，所述振动目标接收激光光源出射的激光并通过所述振动目标的振动面附着有的反射结构反馈回激光光源谐振腔内，形成自混合信号，

所述偏振选择光开关接收所述激光光源出射的激光，且将所述激光切换两个输出正交的偏振态1激光和偏振态2激光，所述偏振态1激光波长为λ₁，所述偏振态2激光波长为λ₂，

所述分光元件为耦合器，用于将所述自混合信号分束至探测器上，所述探测器转化接收到光信号转为电信号，

所述信号处理单元接收所述电信号进行分析处理，同时获得所述传感光纤所处环境的温度和应变的变化值。

在某些实施方式中，所述激光光源为正交偏振双波长激光器，所述正交偏振双波长激光器选自正交偏振Zeeman双频激光器、正交偏振Nd:YAP双波长激光器、正交偏振He-Ne双频激光器中的任意一种；

或者所述激光光源由两个不同的波长多纵模激光器、一组起偏器和保偏耦合器组成。

在某些实施方式中，所述振动目标为信号发生器驱动的扬声器或者压电陶瓷。

在某些实施方式中，所述偏振选择光开关为液晶消色差偏振选择光开关、磁光型波长选择光开关或棱镜型波长选择光开关。

在某些实施方式中，所述传感光纤为传感光纤为单模光纤、多模光纤、双折射光纤或光子晶体光纤。

在某些实施方式中，还包括衰减器和准直器，所述衰减器位于所述分光元件和所述传感单元之间，所述准直器位于传感单元和振动目标之间，所述传感光纤的一端与所述准直器连接。

在某些实施方式中，所述信号处理单元为计算机或者示波器。

本发明还提供了的依据上述的基于正交偏振双波长激光多纵模自混合效应同步测量温度和应变的装置同时测量温度和应变的方法，包括如下步骤：

(1)所述激光光源出射激光，所述激光光源发射的激光为两个不同波长的正交偏振光，所述振动目标设置为振动状态，调节所述偏振选择光开关，使波长为λ₁的偏振态1激光通过，观察信号处理单元上的多纵模自混合信号，移动所述滑块，使所述信号处理单元波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍，记录下滑块移动的第一补偿距离δL_c1；

(2)调节所述偏振选择光开关，使波长为λ₂的偏振态2激光通过，观察信号处理单元上的多纵模自混合信号，移动所述滑块，使所述信号处理单元波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍，记录下滑块移动的第二补偿距离δL_c2；

(3)根据步骤(1)所获得的第一补偿距离δL_c1和步骤(2)中所获得的第二补偿距离δL_c2联立方程组计算得出传感光纤所处环境的温度变化值(ΔT)和应变的变化值(Δε):

式中，Λ_1,T，Λ_1,ε为偏振态1激光所对应的传感单元温度灵敏度系数和传感单元应变灵敏度系数，Λ_2,T，Λ_2,ε为偏振态2激光对应的传感单元温度灵敏度系数和传感单元应变灵敏度系数，k_0j为真空中j模式的波数，j指激光中第j个纵模模式。

本发明提供的基于正交偏振双波长激光多纵模自混合效应同步测量温度和应变的装置和方法是基于多纵模激光自混合反馈信号随温度和应变变化所导致的输出信号波形变化，并通过调节外腔腔长跟踪自混合信号波形同步实时测量待测位置的应变和温度变化。本发明具有以下优势：

1、结构简单，只需观察输出信号的强度变化波形并通过外腔进行跟踪补偿，就能实时获取温度和应变信息；

2、温度和应变的传感单元在同一位置，是一种较好的本征测量方案，减少了测量系统受其它敏感因素的干扰。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的基于正交偏振双波长激光多纵模自混合效应同步测量温度和应变的装置的平面结构示意图；

图2是本发明实施例2提供的基于正交偏振双波长激光多纵模自混合效应同步测量温度和应变的装置的平面结构示意图；

图3是本发明实施例2温度和应变的相位图；

图4是本发明实施例2的仿真模拟结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，基于正交偏振双波长多纵模激光器自混合效应同步测量温度和应变的装置，包括正交偏振双波长激光器1、传感单元2、振动目标3、偏振选择光开关4、分光元件5、衰减器6和信号处理单元7。传感单元2包括传感光纤，传感光纤置于待测温度和应变的环境内，正交偏振双波长激光器1的尾纤与传感光纤的一端连接，正交偏振双波长激光器1为待测激光光源，出射激光经过传感光纤，从传感光纤的一端射至所述振动目标3上。振动目标3接收正交偏振双波长激光器1出射的激光并通过振动目标3上的反射结构31反馈回正交偏振双波长激光器1谐振腔内，形成自混合信号。振动目标3底部固定于滑块32上，滑块32设置于滑轨33上并且可沿滑轨33水平移动，滑轨33与出射激光处于同一直线上。正交偏振双波长激光器1与传感单元2之间的光路上依次设置偏振选择光开关4和分光元件5。偏振选择光开关4接收所述正交偏振双波长激光器1出射的激光，且将所述激光切换两个输出正交的偏振态1激光和偏振态2激光，所述偏振态1激光波长为λ₁，所述偏振态2激光波长为λ₂。分光元件5为耦合器，用于将所述自混合信号分束至探测器8上，所述探测器8转化接收到光信号转为电信号，信号处理单元7接收所述电信号进行分析处理，同时获得传感光纤所处环境的温度和应变的变化值。

在上述装置中，正交偏振双波长激光器1为正交偏振Zeeman双频激光器、正交偏振Nd:YAP双波长激光器或正交偏振He-Ne双频激光器；振动目标3为信号发生器驱动的扬声器或者压电陶瓷；偏振选择光开关4为液晶消色差偏振选择光开关、磁光型波长选择光开关或棱镜型波长选择光开关；传感光纤为传感光纤为单模光纤、多模光纤、双折射光纤或光子晶体光纤。上述装置中还包括衰减器6和准直器9，衰减器6位于分光元件5和传感单元2之间，准直器9位于传感单元和振动目标之间，所述传感光纤的另一端与所述准直器9连接，准直器9保证激光平行出射至目标物体表面；信号处理单元7为计算机或者示波器。

利用上述装置同时测量温度和应变的方法为：正交偏振双波长激光器1作为待测激光光源，振动目标3发生振动，出射激光经过偏振选择光开关4，t₁时刻，调控偏振选择光开输出偏振态1激光(波长λ₁)，t₂时刻，调节偏振选择光开关切换输出偏振态2激光(波长λ₂)到振动目标上，出射激光经振动目标的振动面附着有的反射结构31反射后，反馈回正交偏振双波长激光器1谐振腔内形成自混合信号，分别在偏振态1激光和偏振态2激光下使滑块32沿滑轨33移动，获得补偿距离，补偿距离使各个偏振态下的波形保持相同相位或者相位延迟为2π的整数倍，以改变振动目标距离正交偏振双波长激光器的距离，获得波形不分立的多纵模自混合信号，同时利用衰减器5调节反馈光的强度，利用探测器8采集在偏振态1激光和偏振态2激光下不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用信号处理单元7对接收的激光自混合信号的电信号进行分析，以及偏振态1和偏振态2下不同的补偿距离得出同时得出传感光纤所处环境的温度和应变的变化值，具体步骤如下：

对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据相关干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，多纵模激光器自混合信号强度为：

式(1)中op_tj为j模式的外腔总光程，β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I₀为初始总光强，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，ω₀为激光的角频率，c为真空中的光速，n_g为激光器谐振腔介质群折射率，L₀为激光器谐振腔腔长,c.c.表示前面公式的复共轭计算中，同种材料中激光不同纵模对应的折射率改变可忽略不计；

当传感单元光程或相位发生变化时，有：

op_tj＝op₀+δop_s+δop_c＝op₀+δ(n_sL_s)+δ(n_cL_c) (2)

式(2)中op₀为激光器外腔初始光程，δop_s为温度应变引起的传感单元光程变化，δop_c为补偿光程，n_c为外腔空气折射率，n_s为传感单元折射率，L_s为激光在传感单元中传输的实际路径的总几何长度，L_c为为补偿长度，式(3)中φ_0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφ_sj为温度变化及应变引起的传感单元相位变化，δφ_cj为补偿相位变化，测量温度变化及应变时，δφ_sj＝-δφ_cj。

各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍时，不同纵模模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，即：

op_tj＝2mn_gL₀ (4)

式(4)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波形分立，从式(2)可知，当传感光纤所处环境温度应变改变时，光在传感光纤传输时的光程或相位会发生改变，导致各个模式的op_tj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变外界反馈物位置来补偿光程或相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波形，再通过测量外界反馈物位置得到补偿相位变化，进而获得环境温度应变变化引起的传感单元光程变化变化δop_s，光波通过长度为L的传感单元后，出射光波的相位延迟可以表示为

φ＝2πnL/λ₀＝βL (5)

式中，β为光波在传感单元中的传播常数，λ₀是光波在传感介质中的传播波长，n为传感介质折射率，那么光波在外界因素的作用下，相位延迟的变化可以写成如下形式

Δφ＝βΔL+LΔβ (6)

式中，第一项表示由长度变化引起的相位延迟改变，第二项表示折射率变化引起的相位延迟改变，应变、温度效应均会引起传感单元长度、折射率的变化，从而造成光波的相位延迟发生改变，由(5)和(6)可以推出环境温度及应变变化引起传感单元相位延迟变化为

δΦ_s＝Λ_i,TΔT+Λ_i,εΔε (7)

当补偿外腔测量处为真空或空气时，折射率为1，即

δΦ_s＝Λ_i,TΔT+Λ_i,εΔε＝δΦ_c＝-k_0jδL_c (8)

Λ_i,T称为温度灵敏度系数，Λ_i,ε为传感单元应变灵敏度系数，以双波长正交偏振光为例：i＝1时，Λ_1,T，Λ_1,ε为偏振态1激光所对应的传感单元温度灵敏度系数和传感单元应变灵敏度系数，δΦ_s1为偏振态1激光传感区温度应变变化时引起的相位变化，i＝2时，Λ_2,T，Λ_2,ε为偏振态2激光对应的传感单元温度灵敏度系数和传感单元应变灵敏度系数，δΦ_s2为偏振态2激光传感区温度应变变化时引起的相位变化，矩阵形式为：

其中Λ为灵敏度矩阵，测量过程中通过分时测量不同偏振模式(波长)光源下相同温度和应变下的外腔补偿长度，便可由式(8)和(9)获得传感处的应变和温度的变化值，即

其中，δL_c1为在偏振态1激光通过偏振选择光开关，滑块移动相对初始位置的补偿距离，δL_c2为在偏振态2激光通过偏振选择光开关，滑块移动相对初始位置的补偿距离，

因此，利用分时测量(t₁时刻和t₂时刻)的方式，通过测量t₁时刻下的偏振态1激光下的补偿距离δL_c2和测量t₂时刻偏振态2激光下的补偿距离δL_c2，获得传感光纤所处环境的温度和应变的变化值。

实施例2

如图2所示，基于正交偏振双波长激光多纵模自混合效应同步测量温度和应变的装置，包括两个不同波长的多纵模激光器11、12，起偏器101、102，保偏耦合器10、传感单元2、振动目标3、偏振选择光开关4、分光元件5、衰减器6和信号处理单元7。传感单元2包括传感光纤，传感光纤置于待测温度和应变的环境内，两个不同波长的多纵模激光器11、12的尾纤各连接一个起偏器101、102，不同波长产生不同偏振态的激光，通过保偏耦合器与传感光纤的一端连接，两个不同波长的多纵模激光器11、12为待测激光光源，出射激光经过传感光纤，从传感光纤的一端射至所述振动目标3上。振动目标3接收正交偏振双波长激光光源1出射的激光并通过振动目标3上的反射结构31反馈回两个不同波长的多纵模激光器11、12谐振腔内，形成自混合信号。振动目标3底部固定于滑块32上，滑块32设置于滑轨33上并且可沿滑轨33水平移动，滑轨33与出射激光处于同一直线上。两个不同波长的多纵模激光器11、12与传感单元2之间的光路上依次设置起偏器101、102、保偏耦合器10、偏振选择光开关4和分光元件5衰减器6。偏振选择光开关4接收两个不同波长的多纵模激光器11、12出射的激光，且将激光切换两个输出正交的偏振态1激光和偏振态2激光，偏振态1激光波长为λ₁，偏振态2激光波长为λ₂。分光元件5为耦合器，用于将所述自混合信号分束至探测器8上，所述探测器8转化接收到光信号为电信号，信号处理单元7接收所述电信号进行分析处理，同时获得传感光纤所处环境的温度和应变的变化值。

在上述装置中，激光光源1正交偏振双波长激光光源由两个不同的波长多纵模激光器11、12、一组起偏器101、102和保偏耦合器10组成；振动目标3为信号发生器驱动的扬声器或者压电陶瓷；偏振选择光开关4为液晶消色差偏振选择光开关、磁光型波长选择光开关或棱镜型波长选择光开关；传感光纤为传感光纤为单模光纤、多模光纤、双折射光纤或光子晶体光纤。上述装置中还包括衰减器6和准直器9，衰减器6位于分光元件5和传感单元2之间，准直器9位于传感单元和振动目标之间，所述传感光纤的另一端与所述准直器9连接，准直器9保证激光平行出射至目标物体表面；信号处理单元7为计算机或者示波器。

利用上述装置同时测量温度和应变的方法为：两个不同波长的多纵模激光器11、12作为待测激光光源，振动目标3发生振动，同时出射激光经过偏振选择光开关4，t₁时刻，调控偏振选择光开输出偏振态1激光(波长λ₁)，t₂时刻，调节偏振选择光开关切换输出偏振态2激光(波长λ₂)到振动目标上，出射激光经振动目标的振动面附着有的反射结构31反射后，两个不同波长的多纵模激光器11、12谐振腔内形成自混合信号，分别在偏振态1激光和偏振态2激光下使滑块32沿滑轨33移动，获得补偿距离，所述补偿距离使各个偏振态下的波形保持相同相位或者相位延迟为2π的整数倍，以改变振动目标距离正交偏振双波长激光光源的距离，获得波形不分立的多纵模自混合信号，同时利用衰减器5调节反馈光的强度，利用探测器8采集在偏振态1激光和偏振态2激光下不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用信号处理单元7对接收的激光自混合信号的电信号进行分析，以及偏振态1和偏振态2下不同的补偿距离得出同时得出传感光纤所处环境的温度和应变的变化值，具体步骤如下：

对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据相关干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，多纵模激光器自混合信号强度为：

式(1)中op_tj为j模式的外腔总光程，β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I₀为初始总光强，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，ω₀为激光的角频率，c为真空中的光速，n_g为激光器谐振腔介质群折射率，L₀为激光器谐振腔腔长,c.c.表示前面公式的复共轭计算中，同种材料中激光不同纵模对应的折射率改变可忽略不计；

当传感单元光程或相位发生变化时，有：

op_tj＝op₀+δop_s+δop_c＝op₀+δ(n_sL_s)+δ(n_cL_c) (2)

式(2)中op₀为激光器外腔初始光程，δop_s为温度应变引起的传感单元光程变化，δop_c为补偿光程，n_c为外腔空气折射率，n_s为传感单元折射率，L_s为激光在传感单元中传输的实际路径的总几何长度，L_c为为补偿长度，式(3)中φ_0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφ_sj为温度变化及应变引起的传感单元相位变化，δφ_cj为补偿相位变化，测量温度变化及应变时，δφ_sj＝-δφ_cj。

各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍时，不同纵模模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，即：

op_tj＝2mn_gL₀ (4)

式(4)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波形分立，从式(2)可知，当传感光纤所处环境温度应变改变时，光在传感光纤传输时的光程或相位会发生改变，导致各个模式的op_tj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变外界反馈物位置来补偿光程或相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波形，再通过测量外界反馈物位置得到补偿相位变化，进而获得环境温度应变变化引起的传感单元光程变化变化δop_s，光波通过长度为L的传感单元后，出射光波的相位延迟可以表示为

φ＝2πnL/λ₀＝βL (5)

式中，β为光波在传感单元中的传播常数，λ₀是光波在传感介质中的传播波长，n为传感介质折射率，那么光波在外界因素的作用下，相位延迟的变化可以写成如下形式

Δφ＝βΔL+LΔβ (6)

式中，第一项表示由长度变化引起的相位延迟改变，第二项表示折射率变化引起的相位延迟改变，应变、温度效应均会引起传感单元长度、折射率的变化，从而造成光波的相位延迟发生改变，由(5)和(6)可以推出环境温度及应变变化引起传感单元相位延迟变化为

δΦ_s＝Λ_i,TΔT+Λ_i,εΔε (7)

当补偿外腔测量处为真空或空气时，折射率为1，即

δΦ_s＝Λ_i,TΔT+Λ_i,εΔε＝δΦ_c＝-k_0jδL_c (8)

Λ_i,T称为温度灵敏度系数，Λ_i,ε为传感单元应变灵敏度系数，以双波长正交偏振光为例：i＝1时，Λ_1,T，Λ_1,ε为偏振态1激光所对应的传感单元温度灵敏度系数和传感单元应变灵敏度系数，δΦ_s1为偏振态1激光传感区温度应变变化时引起的相位变化，i＝2时，Λ_2,T，Λ_2,ε为偏振态2激光对应的传感单元温度灵敏度系数和传感单元应变灵敏度系数，δΦ_s2为偏振态2激光传感区温度应变变化时引起的相位变化，矩阵形式为：

其中Λ为灵敏度矩阵，测量过程中通过分时测量不同偏振模式(波长)光源下相同温度和应变下的外腔补偿长度，便可由式(8)和(9)获得传感处的应变和温度的变化值，即

其中，δL_c1为在偏振态1激光通过偏振选择光开关，滑块移动相对初始位置的补偿距离，δL_c2为在偏振态2激光通过偏振选择光开关，滑块移动相对初始位置的补偿距离，

因此，利用分时测量(t₁时刻和t₂时刻)的方式，通过测量t₁时刻下的偏振态1激光下的补偿距离δL_c2和测量t₂时刻偏振态2激光下的补偿距离δL_c2，获得传感光纤所处环境的温度和应变的变化值。

图3给出了190mm长的bow-tie型光纤作为传感单元，在温度从5℃到100℃之间变化对两个波长正交偏振激光(波长分别为633nm，670nm)自混合干涉相位影响，及应变从25μm到500μm之间变化对上述两个波长正交偏振激光自混合干涉相位影响。Λ_1,T＝1.156rad/m℃，Λ_1,ε＝0.0677rad/μm为偏振态1激光(λ₁＝633nm)所对应的温度灵敏度系数和应变灵敏度系数；Λ_2,T＝1.229rad/m℃，Λ_2,ε＝0.0611rad/μm为偏振态2激光(λ₂＝670nm)所对应的温度灵敏度系数和应变灵敏度系数。从图3可以看出温度和应变对两个波长正交偏振激光的影响是各不相同，符合上述理论分析要求，可以实现上述技术方案。

基于上述技术方案建立实验装置，实验装置采用两个不同波长的多纵模激光器为光源，利用仿真软件进行模拟仿真，为简单起见，我们这里仅考虑幅度相同的双模正交偏振双波长多纵模激光自混合信号的强度叠加波形。模拟中采用双波长分别为633nm，670nm，初始外腔距离为325mm，外腔光纤总长度为20m，传感单元光纤为长度为190mm，仿真模拟图如图3所示。从图4可以看出，当温差和应变均为0时，此时激光器外腔初始光程为29325mm,为n_gL₀的整数倍，m＝29325,此时激光自混合信号波形不发生分立。当传感单元温度增加5℃且应变大小为25μm时，导致传感单元相位发生微小变动，重叠后的激光自混合信号波形发生分立，此时我们微调补偿外腔长度为0.44mm(对670nm波长激光)，0.50mm(对633nm波长激光)此时激光器外腔相位再次成为φ_g的整数倍，m＝29325，叠加后的激光自混合信号波形分立消失。将补偿外腔长度为0.44mm(对670nm波长激光)，0.50mm(对633nm波长激光)代入公式(10)和(11)，计算得出ΔT＝5℃,Δε＝25μm。

综上所述，利用分时测量的方式，通过测量补偿距离，最终获得相应传感单元温度和应变的变化，实现对激光器传感单元应变和温度的同时测量。

上述仅本发明较佳可行实施例，并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的技术人员，在本发明的实质范围内，所作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于正交偏振双波长激光多纵模自混合效应同步测量温度和应变的装置，其特征在于，包括激光光源、传感单元、振动目标、偏振选择光开关、分光元件和信号处理单元，

所述激光光源发射的激光为两个不同波长的正交偏振光，

所述激光光源、传感单元、振动目标依次设置，所述偏振选择光开关和所述分光元件依次设置在所述激光光源与所述传感单元之间的光路上，

所述传感单元包括传感光纤，所述传感光纤置于待测温度和应变的环境内，所述激光光源发射的激光，经过分光元件进入所述传感光纤，

所述振动目标底部固定于滑块上，所述滑块设置于滑轨上并且可沿滑轨水平移动，所述振动目标接收激光光源出射的激光并通过所述振动目标的振动面附着有的反射结构反馈回激光光源谐振腔内，形成自混合信号，

所述偏振选择光开关接收所述激光光源出射的激光，且将所述激光切换两个输出正交的偏振态1激光和偏振态2激光，所述偏振态1激光波长为λ₁，所述偏振态2激光波长为λ₂，

所述分光元件为耦合器，用于将所述自混合信号分束至探测器上，所述探测器转化接收到光信号转为电信号，

所述信号处理单元接收所述电信号进行分析处理，同时获得所述传感光纤所处环境的温度和应变的变化值。

2.根据权利要求1所述的基于正交偏振双波长激光多纵模自混合效应同步测量温度和应变的装置，其特征在于，所述激光光源为正交偏振双波长激光器，所述正交偏振双波长激光器选自正交偏振Zeeman双频激光器、正交偏振Nd:YAP双波长激光器、正交偏振He-Ne双频激光器中的任意一种；

或者所述激光光源由两个不同的波长多纵模激光器、一组起偏器和保偏耦合器组成。

3.根据权利要求1所述的基于正交偏振双波长激光多纵模自混合效应同步测量温度和应变的装置，其特征在于，所述振动目标为信号发生器驱动的扬声器或者压电陶瓷。

4.根据权利要求1所述的基于正交偏振双波长激光多纵模自混合效应同步测量温度和应变的装置，其特征在于，所述偏振选择光开关为液晶消色差偏振选择光开关、磁光型波长选择光开关或棱镜型波长选择光开关。

5.根据权利要求1所述的基于正交偏振双波长激光多纵模自混合效应同步测量温度和应变的装置，其特征在于，所述传感光纤为单模光纤、多模光纤、双折射光纤或光子晶体光纤。

6.根据权利要求1所述的基于正交偏振双波长激光多纵模自混合效应同步测量温度和应变的装置，其特征在于，还包括衰减器和准直器，所述衰减器位于所述分光元件和所述传感单元之间，所述准直器位于传感单元和振动目标之间，所述传感光纤的一端与所述准直器连接。

7.根据权利要求1所述的基于正交偏振双波长激光多纵模自混合效应同步测量温度和应变的装置，其特征在于，所述信号处理单元为计算机或者示波器。

8.依据权利要求1-7中任意一项中所述的基于正交偏振双波长激光多纵模自混合效应同步测量温度和应变的装置同时测量温度和应变的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)所述激光光源出射激光，所述激光光源发射的激光为两个不同波长的正交偏振光，所述振动目标设置为振动状态，调节所述偏振选择光开关，使波长为λ₁的偏振态1激光通过，观察信号处理单元上的多纵模自混合信号，移动所述滑块，使所述信号处理单元波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍，记录下滑块移动的第一补偿距离δL_c1；

(2)调节所述偏振选择光开关，使波长为λ₂的偏振态2激光通过，观察信号处理单元上的多纵模自混合信号，移动所述滑块，使所述信号处理单元波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍，记录下滑块移动的第二补偿距离δL_c2；

(3)根据步骤(1)所获得的第一补偿距离δL_c1和步骤(2)中所获得的第二补偿距离δL_c2联立方程组计算得出传感光纤所处环境的温度变化值(ΔT)和应变的变化值(Δε):

式中，Λ_1,T，Λ_1,ε为偏振态1激光所对应的传感单元温度灵敏度系数和传感单元应变灵敏度系数，Λ_2,T，Λ_2,ε为偏振态2激光对应的传感单元温度灵敏度系数和传感单元应变灵敏度系数，k_0j为真空中j模式的波数，j指激光中第j个纵模模式。

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