CN112525372B - 基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量装置及方法，采用全保偏光纤干涉仪作为传感测量光路，使干涉仪测量臂同时对应变、温度敏感，而参考臂只对温度敏感；将光源输出光同时注入保偏光纤干涉仪快慢轴中传输，并通过干涉仪一传感臂错轴焊接实现双臂异轴干涉，在同一干涉仪中构建对温度和应变具有不同响应的两套传感系统，由于两臂同时对温度敏感，使得干涉仪温度响应为两臂温度响应的差值，通过改变两臂传感光纤长度来调节两套传感系统温度响应系数，构建理想响应矩阵，实现温度和应变响应的彻底分离，完成两者同时精确测量。本发明解决了交叉敏感问题且测量结果精确稳定、灵敏度高，适合于工程应用。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量装置及方法。
背景技术
在大型基础工程设施的生产建设以及维护过程中，利用应变检测方法检测工程结构的健康安全至关重要。而应变检测在地质活动监测、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。光纤应变传感器相对于传统应变检测仪来说，具有体小质轻、灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰、可在恶劣环境下工作等优点，因此得到广泛应用。但由于光纤材料的温度敏感特性，光纤传感器对温度变化非常敏感，因此此类传感器在对非温度参量进行传感时存在温度交叉敏感问题，这阻碍了光纤应变传感器的测量精度提升与工程应用推广。
目前解决温度交叉敏感问题的主流方法是利用两个对待测参量和温度具有不同响应的传感器同时对待测参量与温度进行传感，或是在单一传感器内实现同时对待测参量和温度敏感的两种响应传感参量，由此构建包含待测参量与温度响应系数矩阵(2×2响应矩阵)的矩阵方程，在已知响应系数矩阵和传感器响应情况下，通过矩阵求解获得未知的待测参量与温度参量。包含2×2响应系数矩阵的响应方程如下所示：
式中
和/>
分别是传感器1和传感器2对待测参量和温度的共同响应；ε为待测参量的变化量、ΔT为温度变化量；α1和α2分别是两传感器独立的待测参量响应系数；β1和β2分别是两传感器独立的温度响应系数。矩阵方程求解时，响应矩阵中的响应系数差异越大，求解结果就越准确稳定，待测参量与温度的响应分离的越彻底，而最理想的矩阵则是时其中某一元素符号与其他三个不同。利用该方法衍生的相关技术有以下几种：
参考测量系统法，在测量系统中设置只对温度敏感的参考传感器获取温度信息，然后从测量信息中消除温度影响获得应变信息。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)，利用两段相同光纤光栅分别只对温度以及同时对温度、应变敏感；但该方法需两套传感系统完全相同，实际应用中很难保证两者完全一致。2000年重庆大学饶云江提出一种集成式光纤应变与温度传感器装置(CN00244460.7)，将只对温度敏感的宽带光纤温度传感器集成在同时对温度和应变敏感的光纤FP传感器内从而实现温度及应变同时测量；但是该集成式光纤应变与温度传感器结构复杂，且很难确保集成的两种传感器的测量精度及测量范围一致。
双传感器同时测量法，即利用两套对应变和温度具有不同响应的传感系统同时对应变与温度进行传感，构建严格按照公式(6)的响应方程解决温度应变交叉敏感问题。如2012年印度SundarrajanAsokan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同时测量(US20120176597)，利用两个参数不同且对温度和应变同时敏感的光纤光栅实现温度和应变同时测量。2015年中国计量学院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)，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；但特种光纤成本较高，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。
为解决光纤干涉仪温度交叉敏感问题，2017年哈尔滨工程大学杨军等人提出一种高精度应变与温度同时测量的保偏光纤干涉仪(CN201711309566.2)与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(CN201711310550.3)，利用光可在保偏光纤双轴同时独立传输的特性，搭建全保偏光纤干涉仪，在同一干涉仪中实现两套传感系统。这两套传感系统分别对温度和应变有不同的响应，由此得到2×2本征响应矩阵实现温度、应变同事测量。然而保偏光纤的双轴参数十分接近，因此本征响应矩阵近似病态矩阵(即矩阵中系数非常接近导致其微小变化都会使计算结果产生较大的偏差)，导致温度、应变两者的分离结果含有很大的串扰项，很难实现彻底的分离。专利CN201711310550.3虽通过矩阵变换得到理想矩阵，但无法改变本征响应矩阵的非理想性。
发明内容
本发明为有效解决温度与应变交叉敏感问题，实现温度和应变响应的彻底分离，完成两者同时精确测量，提供了一种基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量装置及方法。
本发明的首要目的是为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量装置，包括窄线宽激光光源101、起偏器111、全保偏光纤干涉仪130、偏振分束差分探测装置140、采集控制与解调记录装置150四部分组成，其中：
1)窄线宽激光光源101通过起偏器111与第一保偏耦合器131输入端连接，连接处保偏光纤的对轴角度121为0°～45°；全保偏光纤干涉仪130通过偏振分束差分探测装置140与采集控制与解调记录装置150相连接；
2)全保偏光纤干涉仪130中，第一保偏耦合器131的一输出光纤通过测量臂光纤132与第二保偏耦合器135的一输入光纤连接，第一保偏耦合器131的另一输出光纤通过相位调制器132与参考臂光纤133连接；参考臂光纤133输出端与第二保偏耦合器135另一输入光纤连接，连接处保偏光纤的对轴角度136为0°～90°；
优选地，第一差分探测器143、145，与第一偏振分束器141、第二偏振分束器142的快轴信号输出端连接；第二差分探测器144、146，与第一偏振分束器141、第二偏振分束器142的慢轴信号输出端连接；第一偏振分束器141、第二偏振分束器142的输入端分别与第二保偏耦合器135的两输出端连接；
优选地，工作波长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；第一保偏耦合器131，最优分光比为50:50且快慢轴同时工作；第二保偏耦合器135为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；
优选地，波长工作范围能够覆盖窄线宽激光光源101的发射光谱，第一偏振分束器141、第二偏振分束器142的输入光纤均为保偏光纤。
本发明是对基于保偏光纤干涉仪进行温度、应变同时测量技术的改进，目前普通温度、应变同时测量的保偏光纤干涉仪中，由于保偏光纤的快、慢轴参数十分接近，导致保偏光纤干涉仪快、慢干涉传感系统对相同待测参量的响应非常相似，使得保偏光纤干涉仪的2×2本征响应矩阵近似病态矩阵，在这种情况下响应矩阵中的各响应系数发生微小变化，都会导致通过响应矩阵计算出的温度、应变测试结果产生较大的偏差，最终使得保偏光纤干涉仪的温度、应变两者分离结果与实际值产生较大差距，降低了传感器测试结果的精确性和稳定性。本发明提供了一种基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量装置及方法，解决了保偏光纤干涉仪面临的上述问题，实现温度和应变参量的精确同时测量与更彻底分离。实现本发明的上述目的所采取的技术方案是在全保偏光纤干涉仪的基础上，将干涉仪一传感臂错轴(90°)焊接实现双臂异轴干涉，在同一干涉仪中构建对温度和应变具有不同响应的两套传感系统；通过设置干涉仪测量臂同时对应变、温度敏感，参考臂只对温度敏感，使干涉仪温度响应为两臂温度响应的差值，通过改变两臂传感光纤长度来调节两套传感系统温度响应系数，构建理想本征响应矩阵，实现温度和应变响应的彻底分离，完成两者同时精确测量。
以附图1中保偏MZ光纤干涉仪为例进行理论推导。设附图1中保偏MZ光纤干涉仪各相关参数为：光源中心波长为λ；保偏光纤双折射率分别为nf，ns；测量臂m光纤长度为Lm；参考臂c光纤长度为Lc；测量臂同时对温度、应变敏感，参考臂只对温度敏感。
该干涉仪产生的相位为：
干涉仪采用稳频光源时，其产生的相位变化：
折射率的变化：
Δn＝Δnε+ΔnT＝βn3ε+nCΔT (9)
其中Δnε为应变产生的折射率变化；ΔnT为温度产生的折射率变化；C为热光系数；
ν为石英泊松比，p11和p12为弹光系数；ε为应变，ΔT为温度变化。
光纤长度为ΔL：(其中α为光纤的热膨胀系数)
ΔL＝εL+αLΔT (10)
干涉仪的相位变化：
保偏光纤干涉仪的双臂异轴干涉输出相位(其中保偏光纤双轴热光系数分别为Cf，Cs)：
保偏光纤双臂异轴干涉传感光路的两套传感系统的的温度响应系数
和应变响应系数/>
分别为：
由式(9)可知，应变响应系数为正数，温度响应系数可以通过改变两臂传感光纤长度来改变符号，为构建理想矩阵(即矩阵中某一元素符号与其他三个不同)，则需要改变两臂传感光纤长度使两套干涉仪的温度响应系数满足式(14)：
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
(1)在全保偏光纤干涉仪中，将一传感臂错轴(90°)焊接实现双臂异轴干涉，在同一干涉仪中构建对温度和应变具有不同响应的两套传感系统，通过改变两臂传感光纤长度来调节两套传感系统温度响应系数，构建理想本征响应矩阵，实现温度和应变响应的彻底分离，完成两者同时精确测量。
(2)系统采用差分探测装置，利用偏振分束器将干涉仪两输出端的两套干涉信号进行分离，并将获取的两套干涉信号分别进行差分，抑制了两套干涉信号中的光源RIN噪声，在降低系统噪声的同时提升了测量分辨率。
(3)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。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。
附图说明
图1为基于保偏MZ光纤干涉仪双臂异轴干涉的应变温度同时测量装置图；
图2为基于保偏MI光纤干涉仪双臂异轴干涉的应变温度同时测量装置图；
图3为基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量方法图；
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
一种基于保偏MI光纤干涉仪双臂异轴干涉的应变温度同时测量装置，如附图2所示。
窄线宽激光光源101、全保偏光纤干涉仪130、偏振分束差分探测装置140、采集控制与解调记录装置150四部分组成，其中：
1)窄线宽激光光源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°；保偏环形器141输入端b与保偏耦合器131输入端连接；全保偏光纤干涉仪130通过偏振分束差分探测装置140与采集控制与解调记录装置150相连接；
2)全保偏Michelson型光纤干涉仪130中，保偏耦合器131的一输出光纤与测量臂光纤132连接；保偏耦合器131的另一输出光纤通过相位调制器134与参考臂光纤133连接，保偏耦合器131与相位调制器134连接处的对轴角度为0°～90°；测量臂光纤132、参考臂光纤133末端分别连接第一、第二保偏光纤反射镜137、138；
3)偏振分束差分探测装置140中，第一差分探测器143、145与第一偏振分束器141、第二偏振分束器142快轴信号输出端连接，第二差分探测器144、146与第一偏振分束器141、第二偏振分束器142慢轴信号输出端连接；第一偏振分束器141通过保偏环形器147与保偏耦合器131的一输入端光纤连接，第二偏振分束器142与保偏耦合器131的另一输入端光纤连接；
4)采集控制与解调记录装置150中，解调记录装置152与采集控制器151通过数据线连接，采集控制器151分别与第一差分探测器143和145、第二差分探测器144和146、相位调制器134通过信号线连接。
该发明装置选用的光纤器件的详细性能参数如下：
1)窄线宽激光光源101，其工作波长为1550±20nm，中心波长1550nm，出纤功率大于4mW，光谱线宽小于1pm，输出光纤为保偏光纤；
2)保偏环形器147的工作波长覆盖1550nm波段，快慢轴同时工作，单轴工作时消光比>20dB，插入损耗小于1dB，输入输出尾纤皆为保偏光纤；
3)保偏耦合器131为2×2保偏光纤耦合器，工作波长覆盖1550nm波段，快慢轴同时工作且分光比为50:50，消光比大于20dB，输入输出尾纤为保偏光纤；
4)相位调制134为环形压电陶瓷，镍电极，外直径为24.5mm，内径为22.5mm，高度为10mm；
5)测量臂光纤132、参考臂光纤133皆为保偏光纤，工作波长覆盖1550nm波段，两者长度满足公式(1)；
6)第一、第二保偏光纤反射镜137、138，其工作波覆1550nm波段，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；
7)第一、第二偏振分束器141、142，工作波长覆盖1550nm波段，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)第一差分探测器143与145、第二差分探测器144与146，其光敏材料均为InGaAs，光探测范围覆盖1550nm波段，响应度大于0.9A/W，如采用New Focus公司的NirvanaTM系列2017型平衡探测器。
测量装置的工作过程如下：
首先，在实验室中测量出保偏光纤双臂异轴干涉传感光路的温度响应系数
和应变响应系数/>
并作为式(4)中正交系数矩阵四个参量取值，并作为已知常量用作以后计算；
其次，将保偏光纤双臂异轴干涉传感光路置放到测试环境中，并将测量臂与参考臂光纤固定依附在待测物体，对测量臂施加一定预应力，而参考臂保持松弛状态。当待测物体发生应变或者温度发生变化时，待测物体的应变作用到测量臂光纤上，而环境温度变化同时测量臂光纤与参考臂光纤上，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。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干涉仪相位变化，依据式(5)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。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (4)
1.基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量方法，其特征在于，基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量装置实现，所述测量装置包括窄线宽激光光源(101)、起偏器(111)、全保偏光纤干涉仪(130)、偏振分束差分探测装置(140)、采集控制与解调记录装置(150)，其中：
1)窄线宽激光光源(101)通过起偏器(111)与第一保偏耦合器(131)输入端连接，连接处保偏光纤的对轴角度(121)为0°～45°；全保偏光纤干涉仪(130)通过偏振分束差分探测装置(140)与采集控制与解调记录装置(150)连接；
2)全保偏光纤干涉仪(130)中，第一保偏耦合器(131)的一输出光纤通过测量臂光纤(132)与第二保偏耦合器(135)的一输入光纤连接，第一保偏耦合器(131)的另一输出光纤通过相位调制器(134)与参考臂光纤(133)连接；参考臂光纤(133)输出端与第二保偏耦合器(135)另一输入光纤连接，连接处保偏光纤的对轴角度(136)为0°～90°；
所述测量方法包括以下步骤：
1)步骤(201)：搭建保偏光纤双臂异轴干涉传感光路，调节控制干涉传感光路的测量臂光纤(132)长度为Lm以及参考臂光纤(133)长度为Lc；，并使之满足式(1)：
式中：nf，ns分别为保偏光纤双折射率，Cf，Cs分别为保偏光纤双轴热光系数，α为光纤的热膨胀系数；
2)步骤(202)：标定并调节保偏光纤双臂异轴干涉传感光路两套传感系统的温度响应系数
使干涉仪两臂缠绕在一起处于松弛的无应力状态下，利用温箱改变环境温度，并记录温度数据以及两套传感系统的相位数据，利用线性拟合方法计算两套传感系统的温度响应系数/>
并于通过式(2)对温度响应系数/>
进行理论计算进行对比；式(2)：
如果实测数据与理论计算不符，则通过调节测量臂光纤(132)长度Lm以及参考臂光纤(133)长度Lc来调控温度响应系数，直到温度响应系数
满足式(3)；
3)步骤(203)：标定保偏光纤双臂异轴干涉传感光路两套传感系统的应变响应系数
恒温环境下，利用高精度位移台对测量臂施加不同的拉伸应力，而参考臂保持松弛状态，并记录位移数据以及两套传感系统的相位数据，利用线性拟合方法计算两套传感系统的应变响应系数，测量几组后取平均值并作为已知常量用做以后计算；
4)步骤(204)：验证保偏光纤双臂异轴干涉传感光路响应矩阵的正确性：实验室内，通过温箱和位移台对干涉仪测量臂同时施加温度与应变、参考臂施加温度，记录温度、应变数据与干涉仪响应数据；将温度、应变数据带入式(4)，计算得到理论干涉仪响应数据，并与实测数据对比验证理论计算的正确性；式(4)：
5)步骤(205)：测试环境中获取保偏光纤双臂异轴干涉传感光路的实际响应数据：将保偏光纤干涉仪放到测试环境中，并将测量臂与参考臂光纤固定依附在待测物体，对测量臂施加一定预应力，而参考臂保持松弛状态；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干涉仪上，最终使得干涉信号解调出的相位发生变化，记录干涉仪的相位数据ΔφMfCs、ΔφMsCf；
6)步骤(206)：理论计算实测环境中保偏光纤双臂异轴干涉传感光路所测的温度和应变：将实验室中测得的常量
和/>
以及测试环境中得到的ΔφMfCs、ΔφMfCs；带入式(5)中，通过计算即可得到待测环境的应变参量以及温度变化；式(5)：
2.根据权利要求1所述的基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量方法，其特征在于，第一差分探测器(143、145)与第一偏振分束器(141)、第二偏振分束器(142)快轴信号输出端连接，第二差分探测器(144、146)与第一偏振分束器(141)、第二偏振分束器(142)慢轴信号输出端连接；第一偏振分束器(141)、第二偏振分束器(142)的输入端分别与第二保偏耦合器(135)的两输出端连接。
3.根据权利要求1所述的基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量方法，其特征在于，工作波长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；第一保偏耦合器(131)，最优分光比为50:50且快慢轴同时工作；第二保偏耦合器(135)为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。
4.根据权利要求3所述的基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量方法，其特征在于，波长工作范围能够覆盖窄线宽激光光源(101)的发射光谱，第一偏振分束器(141)、第二偏振分束器(142)的输入光纤均为保偏光纤。
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