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CN112525373B - 一种基于双波长保偏光纤干涉仪的应变温度同时测量装置 - Google Patents

一种基于双波长保偏光纤干涉仪的应变温度同时测量装置 Download PDF

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CN112525373B CN202011246845.0A CN202011246845A CN112525373B CN 112525373 B CN112525373 B CN 112525373B CN 202011246845 A CN202011246845 A CN 202011246845A CN 112525373 B CN112525373 B CN 112525373B
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Abstract

本发明提供了一种基于双波长保偏光纤干涉仪的应变温度同时测量装置，该装置包括双波长激光光源、全保偏光纤干涉仪、偏振分束差分探测装置、采集控制与解调记录装置四部分。本发明采用全保偏光纤干涉仪，结合两种波长的光源作为双波长激光光源，使两种波长的光信号分别在保偏光纤干涉仪的快、慢轴中传输，在一个光纤光路中形成两套干涉传感系统；由于保偏光纤快、慢轴参数不同，使两套传感系统分别对温度和应变产生不同的响应，可以实现两者的同时测量；同时双波长的引入扩大了双轴传感信号的响应差异，使温度与应变的响应实现更彻底的分离。该方案能够解决温度、应变交叉敏感问题，且测量结果串扰低、精度高，适合于工程应用。

Description

一种基于双波长保偏光纤干涉仪的应变温度同时测量装置
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种基于双波长保偏光纤干涉仪的应变温度同时测量装置。
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：
Figure GDA0004134639940000011
式中
Figure GDA0004134639940000012
和
Figure GDA0004134639940000013
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。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。现有的技术中，中国发明专利CN201382778公开了一种“光纤光栅应变、温度同时测量传感器”，公开日为2010年01月13日，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。中国发明专利CN2446504公开了一种“集成式光纤应变与温度传感器装置”，公开日为2001年09月05日，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(1)的响应方程解决温度应变交叉敏感问题。如2012年印度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。中国发明专利CN204718708U公开了“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”，公开日为2015年10月21日，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)以及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)，利用保偏光纤中光可在快轴和慢轴同时相互独立传输的特性，使用保偏光纤及器件搭建全保偏光纤干涉仪，由于快、慢轴参数不同，使得快、慢轴信号对相同的温度及应变分别具有不同的响应系数，由此构建二元一次响应方程组，并获得2×2响应矩阵实现温度、应变分离。然而由于保偏光纤的快、慢轴参数十分接近，因此保偏光纤干涉仪快、慢轴的2×2本征响应矩阵近似病态矩阵(即矩阵中系数的微小变化都会导致计算结果产生较大的偏差)，因此温度、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。
发明内容
本发明为了有效解决温度与应变交叉敏感问题，实现温度与应变的响应实现更彻底的分离，使温度、应变同时测量结果的更稳定以及具有更低的串扰，提供了一种基于双波长保偏光纤干涉仪的应变温度同时测量装置。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种基于双波长保偏光纤干涉仪的应变温度同时测量装置，包括双波长激光光源、全保偏光纤干涉仪、偏振分束差分探测装置、采集控制与解调记录装置，其中：
1)双波长激光光源与全保偏光纤干涉仪连接；全保偏光纤干涉仪通过偏振分束差分探测装置与采集控制与解调记录装置相连接；
2)双波长激光光源包括第一波长激光光源、第二波长激光光源和偏振合束器，第一波长激光光源与第二波长激光光源的输出光纤分别连接偏振合束器两输入光纤，偏振合束器的尾纤与全保偏光纤干涉仪的一输入光纤连接；第一波长激光光源(101)、第二波长激光光源(102)的波长不同，使用波长不同的第一波长激光光源(101)、第二波长激光光源(102)并将其输出光纤分别与偏振合束器(103)的两输入光纤连接，使得两种不同波长传输光通过偏振合束器(103)分别注入到全保偏光纤干涉仪(110)的快轴和慢轴中，由此实现两种不同波长传输光分别在全保偏光纤干涉仪(110)的快轴干涉系统和慢轴干涉系统发生干涉；
3)全保偏光纤干涉仪包括保偏耦合器、测量臂光纤、参考臂光纤、温度不敏感实芯柱和环境屏蔽壳，保偏耦合器的两输出光纤分别与测量臂光纤、参考臂光纤连接；参考臂光纤缠绕在温度不敏感实芯柱上，并置于环境屏蔽壳体内；
4)偏振分束差分探测装置包括第一差分探测器、第一偏振分束器、第二偏振分束器和第二差分探测器，第一差分探测器与第一偏振分束器快轴信号输出端和第二偏振分束器快轴信号输出端均连接，第二差分探测器与第一偏振分束器慢轴信号输出端和第二偏振分束器慢轴信号输出端均连接；第一偏振分束器和第二偏振分束器分别与全保偏光纤干涉仪的两输出端相连。
保偏光纤耦合器为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，波长工作范围能够覆盖双波长激光光源的发射光谱，尾纤均为保偏光纤。
第一偏振分束器、第二偏振分束器和偏振合束器的波长工作范围能够覆盖双波长激光光源的发射光谱，偏振合束器的输出光纤、第一偏振分束器输入光纤和第二偏振分束器的输入光纤均为保偏光纤。
测量臂光纤和参考臂光纤的波长工作范围能够覆盖双波长激光光源的发射光谱，测量臂光纤、参考臂光纤均为保偏光纤。
第一差分探测器和第二差分探测器的波长工作范围能够覆盖双波长激光光源的发射光谱。
温度不敏感实芯柱由具有低热膨胀系数的材料构成；所述的环境屏蔽壳由多层隔音隔热材料组成。
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双波长保偏光纤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保偏光纤传感光路的基础上，引入双波长激光光源，在保偏光纤干涉仪的快、慢工作轴中传输两种不同波长的光信号，由于保偏光纤快、慢轴参数本身的差异以及双轴传输波长的差异，扩大了快、慢轴干涉传感系统对温度、应变响应差异，由此使的2×2本征响应矩阵系数的差异扩大，实现矩阵求解的准确性和稳定性，使温度、应变分离结果的更稳定以及具有更低的串扰。
为了实现在保偏光纤两个传输轴——快轴和慢轴上的同时传输两种不同波长的光信号，使用两种不同波长的激光光源并将其输出光纤分别与偏振合束器的两输入光纤连接，使得两种不同波长传输光通过偏振合束器分别注入到保偏光纤的快轴和慢轴中，在通过双波长/双轴同时工作的保偏耦合器进入保偏光纤干涉仪的快轴和慢轴中。由此实现两种不同波长传输光分别在保偏光纤干涉仪的快轴干涉系统和慢轴干涉系统发生干涉。
设保偏MZ光纤干涉仪各相关参数为：双光源中心波长为λ1，λ2；保偏光纤双折射率分别为n1，n2；测量臂的待测光纤长度为L。
长度为L的光纤产生的相位为：
Figure GDA0004134639940000041
对于该干涉仪，采用稳频光源时，其产生的相位变化：
Figure GDA0004134639940000042
折射率的变化：
Δn＝Δnε+ΔnT＝βn3ε+nCΔT (4)
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；
Figure GDA0004134639940000051
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 (5)
干涉仪的相位变化：
Figure GDA0004134639940000052
双波长保偏光纤干涉仪双轴输出相位(其中保偏光纤双轴热光系数分别为C1，C2)：
Figure GDA0004134639940000053
Figure GDA0004134639940000054
化简为：
Figure GDA0004134639940000055
为了实现两轴响应系数的差异，选用具有高双折射的保偏光纤，并将快轴匹配长波长。设慢轴干涉系统、快轴干涉系统的应变响应系数分别为
Figure GDA0004134639940000056
慢轴干涉系统、快轴干涉系统的温度响应系数分别为
Figure GDA0004134639940000057
则：
Figure GDA0004134639940000058
由此可见，慢轴干涉系统、快轴干涉系统的应变响应系数和温度响应系数都是与干涉仪自身参数相关的常数，可以通过设计单一变量响应实验测得，而对于保偏MI光纤干涉仪，其慢轴干涉系统、快轴干涉系统的应变响应系数和温度响应系数是相同测量臂光纤长度的2倍。而通过已知的响应系数和慢、快轴干涉系统的响应值，便可计算出待测环境的应变参量以及温度变化，计算公式入下：
Figure GDA0004134639940000061
通过以上分析可知，利用双波长保偏光纤干涉仪实现应变温度同时测量步骤为：
1)首先，需标定双波长保偏光纤干涉仪的双轴干涉系统的应变响应系数：即恒温环境下，使用高精度位移台对双波长保偏光纤干涉仪的测量臂施加不同的拉伸应力，并记录位移台的位移数据以及慢轴干涉系统、快轴干涉系统的相位变化数据，利用线性拟合方法计算慢轴干涉系统、快轴干涉系统的应变响应系数
Figure GDA0004134639940000062
测量几组后取平均值并作为已知常量用做以后计算；
2)其次，需标定双波长保偏光纤干涉仪的双轴干涉系统的温度响应系数：即使双波长保偏光纤干涉仪的测量臂处于松弛的无应力状态下，利用温箱改变测量臂所处的环境温度，记录温度变化数据以及慢轴干涉系统、快轴干涉系统的相位变化数据，利用线性拟合方法计算慢轴干涉系统、快轴干涉系统的温度响应系数
Figure GDA0004134639940000063
测量几组后取平均值并作为已知常量用做以后计算；
3)再次，验证双波长保偏光纤干涉仪响应矩阵的正确性：实验室内，通过温箱和高精度位移台对双波长保偏光纤干涉仪同时施加温度、应变信息，记录温度、应变数据与双波长保偏光纤干涉仪的双轴响应数据。将温度、应变数据带入式(12)中，通过计算即可得到理论的双轴响应数据，并与实测数据对比验证理论计算的正确性。
Figure GDA0004134639940000064
4)第四，测试环境中获取双波长保偏光纤干涉仪的双轴干涉系统的实际响应数据：将双波长保偏光纤干涉仪放到测试环境中，并将干涉仪的测量臂光纤固定依附在待测物体表面，参考臂处于环境屏蔽壳体内不受外界环境影响。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测量臂光纤上，最终使得干涉信号解调出的相位发生变化。记录慢、快轴干涉系统的相位数据，得到
Figure GDA0004134639940000065
5)最后，理论计算实测环境中双波长保偏光纤干涉仪所测的温度和应变：将实验室中测得的常量
Figure GDA0004134639940000066
和
Figure GDA0004134639940000067
以及测试环境中得到的Δφx、Δφy；带入式(10)中，通过计算即可得到待测环境的应变参量以及温度变化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)在全保偏双轴光纤干涉仪中引入双波长激光光源，使保偏光纤干涉仪的慢、快工作轴中传输两种不同波长的光信号，扩大了全保偏双轴光纤干涉仪温度、应变本征响应矩阵系数的差异，实现矩阵求解的准确性和稳定性，使温度、应变分离结果更稳定以及具有更低的串扰。
(2)系统采用光源调制方案，对两只不同波长的激光光源分别进行调制，避免了在使用调制器对光路调制时调制参数无法同时满足快、慢轴两套干涉传感系统的调制要求问题，使得慢、快轴干涉传感系统解调出的相位结果更加精确。
(3)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慢、快轴干涉信号进行分离，并将获取的慢轴与慢轴信号差分、快轴与快轴信号差分，抑制了相应波长光源的RIN噪声，在降低系统噪声的同时提升了测量分辨率。
(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。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是基于Michelson型双波长保偏光纤干涉仪的应变温度同时测量装置；
图2是基于Mach-Zehnder型双波长保偏光纤干涉仪的应变温度同时测量装置；
图3是基于双波长保偏光纤干涉仪的应变温度同时测量的步骤流程图；
附图标记说明：100、双波长激光光源；110、全保偏光纤干涉仪；120、偏振分束差分探测装置；130、采集控制与解调记录装置；101、第一波长激光光源；102、第二波长激光光源；103、偏振合束器；111、保偏耦合器；112、测量臂光纤；113、参考臂光纤；114、温度不敏感实芯柱；115、环境屏蔽壳；123、125：第一差分探测器；121、第一偏振分束器；122、第二偏振分束器；124、126：第二差分探测器。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
如图1所示，一种基于Michelson型双波长保偏光纤干涉仪的应变温度同时测量装置。
由双波长激光光源100、全保偏光纤干涉仪110、偏振分束差分探测装置120、采集控制与解调记录装置130四部分组成，其中：
1)双波长激光光源100中，第一波长激光光源101与第二波长激光光源102的输出光纤分别连接偏振合束器103两输入光纤，偏振合束器103的尾纤通过保偏环形器127与保偏耦合器111的一输入端光纤连接；
2)全保偏Michelson型光纤干涉仪110中，保偏耦合器111的两输出光纤分别与测量臂光纤112、参考臂光纤113连接；测量臂光纤112、参考臂光纤113末端分别连接第一保偏光纤反射镜117、第二保偏光纤反射镜118；参考臂光纤113缠绕在温度不敏感实芯柱114上，并置于环境屏蔽壳115体内；
3)偏振分束差分探测装置120中，第一差分探测器123、125与第一偏振分束器121、第二偏振分束器122快轴信号输出端连接，第二差分探测器124、126与第一偏振分束器121、第二偏振分束器122慢轴信号输出端连接；第一偏振分束器121通过保偏环形器127与保偏耦合器111的一输入端光纤连接，第二偏振分束器122与保偏耦合器111的另一输入端光纤连接；
4)采集控制与解调记录装置130中，解调记录装置132与采集控制器131通过数据线连接，采集控制器131分别于第一差分探测器123、125、第二差分探测器124、126、第一波长激光光源101以及第二波长激光光源102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所述。
1)第一波长激光光源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；第二波长激光光源102，其工作波长为1310±20nm，中心波长1310nm，出纤功率大于4mW，光谱线宽小于1pm；
2)偏振合束器103为2×1偏振合束器，工作波长同时覆盖1310nm波段和1550nm波段，消光比大于20dB，插入损耗小于0.5dB，输入输出尾纤为保偏光纤；
3)保偏环形器127的工作波长同时覆盖1310nm波段和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，输入输出尾纤皆为熊猫型保偏光纤；
4)保偏耦合器111为2×2保偏光纤耦合器，工作波长同时覆盖1310nm波段和1550nm波段，快慢轴同时工作且分光比为50:50，消光比大于20dB，输入输出尾纤为熊猫型保偏光纤；
5)第一保偏光纤反射镜117、第二保偏光纤反射镜118，其工作波同时覆盖1310nm波段和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；
6)第一偏振分束器121、第二偏振分束器122为1×2偏振分束器，工作波长同时覆盖1310nm波段和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；
7)第一差分探测器123、125、第二差分探测器124、126，其光敏材料均为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NirvanaTM系列2017型平衡探测器；
8)温度不敏感实芯柱114由具有低热膨胀系数的因瓦合金构成；环境屏蔽壳115由多层隔音隔热材料组成。
测量装置的工作过程如下：
首先，在实验室中测量出慢轴干涉仪的温度系数和应变系数
Figure GDA0004134639940000091
快轴干涉仪的温度系数和应变系数
Figure GDA0004134639940000092
作为式(1)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，将该装置放到测试环境中，并将干涉仪的测量臂光纤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测量臂光纤上，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。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
Figure GDA0004134639940000093
Figure GDA0004134639940000094
以及在测试环境中测量得到慢轴干涉仪以及快轴干涉仪的相位变化，依据式(2)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。
实施例2
如图2所示，一种基于Mach-Zehnder型双波长保偏光纤干涉仪的应变温度同时测量装置。
由双波长激光光源100、全保偏光纤干涉仪110、偏振分束差分探测装置120、采集控制与解调记录装置130四部分组成，其中：
1)双波长激光光源100中，第一波长激光光源101与第二波长激光光源102的输出光纤分别连接偏振合束器103两输入光纤，偏振合束器103的尾纤与第一保偏耦合器111的输入端光纤连接；
2)全保偏Michelson型光纤干涉仪110中，第一保偏耦合器111的两输出光纤分别与测量臂光纤112、参考臂光纤113连接；测量臂光纤112、参考臂光纤113末端分别连接第二保偏耦合器116；参考臂光纤113缠绕在温度不敏感实芯柱114上，并置于环境屏蔽壳115体内；
3)偏振分束差分探测装置120中，第一差分探测器123、125与第一偏振分束器121、第二偏振分束器122快轴信号输出端连接，第二差分探测器124、126与第一偏振分束器121、第二偏振分束器122慢轴信号输出端连接；第一偏振分束器121、第二偏振分束器122分别与第二保偏耦合器116的两输出端光纤连接；
4)采集控制与解调记录装置130中，解调记录装置132与采集控制器131通过数据线连接，采集控制器131分别于第一差分探测器123、125、第二差分探测器124、126、第一波长激光光源101以及第二波长激光光源102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所述。
1)第一波长激光光源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；第二波长激光光源102，其工作波长为1310±20nm，中心波长1310nm，出纤功率大于4mW，光谱线宽小于1pm；
2)偏振合束器103为2×1偏振合束器，工作波长同时覆盖1310nm波段和1550nm波段，消光比大于20dB，插入损耗小于0.5dB，输入输出尾纤为保偏光纤；
3)第一保偏耦合器111为1×2保偏光纤耦合器，工作波长同时覆盖1310nm波段和1550nm波段，快慢轴同时工作且分光比为50:50，消光比大于20dB，输入输出尾纤为熊猫型保偏光纤；
4)第二保偏耦合器116为2×2保偏光纤耦合器，工作波长同时覆盖1310nm波段和1550nm波段，快慢轴同时工作且分光比为50:50，消光比大于20dB，输入输出尾纤为熊猫型保偏光纤；
5)第一偏振分束器121、第二偏振分束器122为1×2偏振分束器，工作波长同时覆盖1310nm波段和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；
6)第一差分探测器123、125、第二差分探测器124、126，其光敏材料均为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NirvanaTM系列2017型平衡探测器；
7)温度不敏感实芯柱114由具有低热膨胀系数的因瓦合金构成；环境屏蔽壳115由多层隔音隔热材料组成。
测量装置的工作过程如下：
首先，在实验室中测量出慢轴干涉仪的温度系数和应变系数
Figure GDA0004134639940000111
快轴干涉仪的温度系数和应变系数
Figure GDA0004134639940000112
作为式(1)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，将该装置放到测试环境中，并将干涉仪的测量臂光纤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测量臂光纤上，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。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
Figure GDA0004134639940000113
Figure GDA0004134639940000114
以及在测试环境中测量得到慢轴干涉仪以及快轴干涉仪的相位变化，依据式(2)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。
实施例3
如图3所示，利用双波长保偏光纤干涉仪实现应变温度同时测量步骤为：
S1：需标定双波长保偏光纤干涉仪的双轴干涉系统的应变响应系数：即恒温环境下，使用高精度位移台对双波长保偏光纤干涉仪的测量臂施加不同的拉伸应力，并记录位移台的位移数据以及慢轴干涉系统、快轴干涉系统的相位变化数据，利用线性拟合方法计算慢轴干涉系统、快轴干涉系统的应变响应系数
Figure GDA0004134639940000115
测量几组后取平均值并作为已知常量用做以后计算；
S2：需标定双波长保偏光纤干涉仪的双轴干涉系统的温度响应系数：即使双波长保偏光纤干涉仪的测量臂处于松弛的无应力状态下，利用温箱改变测量臂所处的环境温度，记录温度变化数据以及慢轴干涉系统、快轴干涉系统的相位变化数据，利用线性拟合方法计算慢轴干涉系统、快轴干涉系统的温度响应系数
Figure GDA0004134639940000121
Figure GDA0004134639940000122
测量几组后取平均值并作为已知常量用做以后计算；
S3：验证双波长保偏光纤干涉仪响应矩阵的正确性：实验室内，通过温箱和高精度位移台对双波长保偏光纤干涉仪同时施加温度、应变信息，记录温度、应变数据与双波长保偏光纤干涉仪的双轴响应数据。将温度、应变数据带入式(12)中，通过计算即可得到理论的双轴响应数据，并与实测数据对比验证理论计算的正确性。
Figure GDA0004134639940000123
S4：测试环境中获取双波长保偏光纤干涉仪的双轴干涉系统的实际响应数据：将双波长保偏光纤干涉仪放到测试环境中，并将干涉仪的测量臂光纤固定依附在待测物体表面，参考臂处于环境屏蔽壳体内不受外界环境影响。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测量臂光纤上，最终使得干涉信号解调出的相位发生变化。记录慢、快轴干涉系统的相位数据，得到
Figure GDA0004134639940000124
S5：理论计算实测环境中双波长保偏光纤干涉仪所测的温度和应变：将实验室中测得的常量
Figure GDA0004134639940000125
和
Figure GDA0004134639940000126
以及测试环境中得到的Δφx、Δφy；带入下面式中
Figure GDA0004134639940000127
Figure GDA0004134639940000128
通过计算即可得到待测环境的应变参量以及温度变化。
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 (5)

1.一种基于双波长保偏光纤干涉仪的应变温度同时测量装置，其特征在于，包括双波长激光光源(100)、全保偏光纤干涉仪(110)、偏振分束差分探测装置(120)、采集控制与解调记录装置(130)，其中：
1)双波长激光光源(100)与全保偏光纤干涉仪(110)连接；全保偏光纤干涉仪(110)通过偏振分束差分探测装置(120)与采集控制与解调记录装置(130)相连接；
2)双波长激光光源(100)包括第一波长激光光源(101)、第二波长激光光源(102)和偏振合束器(103)，第一波长激光光源(101)与第二波长激光光源(102)的输出光纤分别连接偏振合束器(103)两输入光纤，偏振合束器(103)的尾纤与全保偏光纤干涉仪(110)的一输入光纤连接；第一波长激光光源(101)、第二波长激光光源(102)的波长不同，使用波长不同的第一波长激光光源(101)、第二波长激光光源(102)并将其输出光纤分别与偏振合束器(103)的两输入光纤连接，使得两种不同波长传输光通过偏振合束器(103)分别注入到全保偏光纤干涉仪(110)的快轴和慢轴中，由此实现两种不同波长传输光分别在全保偏光纤干涉仪(110)的快轴干涉系统和慢轴干涉系统发生干涉；
3)全保偏光纤干涉仪(110)包括保偏耦合器(111)、测量臂光纤(112)、参考臂光纤(113)、温度不敏感实芯柱(114)和环境屏蔽壳(115)，保偏耦合器(111)的两输出光纤分别与测量臂光纤(112)、参考臂光纤(113)连接；保偏光纤耦合器(111)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，波长工作范围能够覆盖双波长激光光源(100)的发射光谱，尾纤均为保偏光纤；参考臂光纤(113)缠绕在温度不敏感实芯柱(114)上，并置于环境屏蔽壳(115)体内；
4)偏振分束差分探测装置(120)包括第一差分探测器(123、125)、第一偏振分束器(121)、第二偏振分束器(122)和第二差分探测器(124、126)，第一差分探测器(123、125)与第一偏振分束器(121)快轴信号输出端和第二偏振分束器(122)快轴信号输出端均连接，第二差分探测器(124、126)与第一偏振分束器(121)慢轴信号输出端和第二偏振分束器(122)慢轴信号输出端均连接；第一偏振分束器(121)和第二偏振分束器(122)分别与全保偏光纤干涉仪(110)的两输出端相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于双波长保偏光纤干涉仪的应变温度同时测量装置，其特征在于，第一偏振分束器(121)、第二偏振分束器(122)和偏振合束器(103)的波长工作范围能够覆盖双波长激光光源(100)的发射光谱，偏振合束器(103)的输出光纤、第一偏振分束器(121)输入光纤和第二偏振分束器(122)的输入光纤均为保偏光纤。
3.根据权利要求1所述的一种基于双波长保偏光纤干涉仪的应变温度同时测量装置，其特征在于，测量臂光纤(112)和参考臂光纤(113)的波长工作范围能够覆盖双波长激光光源(100)的发射光谱，测量臂光纤(112)、参考臂光纤(113)均为保偏光纤。
4.根据权利要求1所述的一种基于双波长保偏光纤干涉仪的应变温度同时测量装置，其特征在于，第一差分探测器(123、125)和第二差分探测器(124、126)的波长工作范围能够覆盖双波长激光光源(100)的发射光谱。
5.根据权利要求1所述的一种基于双波长保偏光纤干涉仪的应变温度同时测量装置，其特征在于，温度不敏感实芯柱(114)由具有低热膨胀系数的材料构成；所述的环境屏蔽壳(115)由多层隔音隔热材料组成。
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