一種光纖應變-應力同時測量裝置製造方法

2023-06-13 08:35:11

一種光纖應變-應力同時測量裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種光纖應變-應力同時測量裝置。包括寬帶光源、第一光纖耦合器、應變測量傳感模塊、第二光纖耦合器、偏振控制器、應力測量傳感模塊、光譜分析儀和信號處理器；寬帶光源連接第一光纖耦合器的第一輸入端；第一光纖耦合器的第一輸出端通過應變測量傳感模塊連接第二光纖耦合器的第一輸入端，第一光纖耦合器的第二輸出端連接第二光纖耦合器的第二輸入端；第二光纖耦合器的第一輸出端依次通過偏振控制器和應力測量傳感模塊連接第二光纖耦合器的第二輸出端；第一光纖耦合器的第二輸入端依次連接光譜分析儀和信號處理器。該裝置能實現應變和應力變化的同時測量，且靈敏度高。
【專利說明】一種光纖應變—應力同時測量裝置

【技術領域】
[0001]本發明屬於光纖應變-應力測量【技術領域】，更具體地，涉及一種光纖應變-應力同時測量裝置。

【背景技術】
[0002]準確的光纖應變-應力測量在光纖通信和光纖傳感系統中是十分重要的。最常用的光纖應變或者應力測量手段是使用光纖布拉格光柵①讓虹81'叫8其工作原理是光柵上軸向施加的應變或者側向施加的應力會導致光柵內部柵區的周期和折射率發生相應變化，進而使得光柵的耦合波長發生一定的漂移，解調光柵耦合波長的漂移量即可得到相應的應變或者應力變化量信息。光纖光柵應變傳感器穩定可靠，使用方便，但由於結構因素，其靈敏度大大受限，難以滿足高精度測量的需求。
[0003]為了滿足例如結構健康監測、產品質量監督、地震災害預警等諸多應用領域對高精度測量的需求，國內外研宄人員對光纖應變-應力測量進行了大量的研宄。在光纖應變測量方面，提出了基於光纖空氣泡？結構的光纖應變傳感器，實現了知!!!/^ ^較低溫度效應的應變測量；製作了基於光子晶體光纖的在線馬赫澤德幹涉儀結構，應變測量靈敏度可達2.6。在光纖應力測量方面，利用雙孔微結構光纖製作成光柵，其側向應力測量的靈敏度較普通單模光纖高8個數量級；提出了基於光柵結構進行特殊雙膜片式封裝實現水下應力測量，靈敏度可達711111/191然而，這些應變或者應力測量結構無法同時測量應變和應力，且靈敏度均有待進一步提尚。


【發明內容】

[0004]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種光纖應變-應力同時測量裝置，能實現應變和應力變化的同時測量，且靈敏度高。
[0005]為實現上述目的，本發明提供了一種光纖應變-應力同時測量裝置，其特徵在於，包括寬帶光源、第一光纖耦合器、應變測量傳感模塊、第二光纖耦合器、偏振控制器、應力測量傳感模塊、光譜分析儀和信號處理器；其中，所述第一光纖耦合器和所述第二光纖耦合器均為2X2光纖耦合器；所述寬帶光源連接所述第一光纖耦合器的第一輸入端；所述第一光纖耦合器的第一輸出端通過所述應變測量傳感模塊連接所述第二光纖耦合器的第一輸入端，所述第一光纖耦合器的第二輸出端連接所述第二光纖耦合器的第二輸入端；所述第二光纖耦合器的第一輸出端依次通過所述偏振控制器和所述應力測量傳感模塊連接所述第二光纖耦合器的第二輸出端；所述第一光纖耦合器的第二輸入端依次連接所述光譜分析儀和所述信號處理器；所述第一光纖耦合器和所述第二光纖耦合器之間構成馬赫-澤德幹涉結構，所述第二光纖耦合器、所述偏振控制器和所述應力測量傳感模塊形成的閉環構成薩格耐克幹涉結構；所述光譜分析儀用於獲取光譜圖形和數據信息，所述信號處理器用於對光譜圖形和數據信息進行處理，得到應變和應力變化信息。
[0006]優選地，所述應變測量傳感模塊包括第一夾具、光纖和第二夾具；所述第一夾具和所述第二夾具固定夾持在所述光纖上，所述光纖在所述第一夾具和所述第二夾具之間的部分繃緊並承受應力，所述第一夾具的位置固定，所述第二夾具能移動。
[0007]優選地，所述應力測量傳感模塊包括第一金屬板、保偏光子晶體光纖和第二金屬板；所述保偏光子晶體光纖的中部以蜿蜒曲折的形式被平整地夾持在所述第一金屬板和所述第二金屬板之間。
[0008]優選地，所述第一金屬板和所述第二金屬板的邊長為4?9(3111，厚度為0.5?2(3111，被夾持在所述第一金屬板和所述第二金屬板之間的所述保偏光子晶體光纖的長度為0.5 ?0.9111。
[0009]優選地，所述第一光纖耦合器和所述第二光纖耦合器之間構成的馬赫-澤德幹涉結構的兩臂光程差為3?5(3111。
[0010]總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下有益效果:
[0011]1、將傳統的雙通道馬赫-澤德幹涉結構和薩格耐克幹涉結構以級聯的方式有機結合，且兩種幹涉結構能夠互不幹擾地工作，形成的新型幹涉結構同時兼具兩種傳統幹涉結構的特性，能在一次測量過程中實現應變和應力的同時測量。
[0012]2、新型幹涉結構由兩種幹涉結構級聯而成，分離的光束又會分成多束光束，這就形成了一種多路徑的幹涉儀，因此，應變和應力引起幹涉儀的光譜漂移靈敏度明顯高於單個傳統的幹涉儀結構。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發明實施例的光纖應變-應力同時測量裝置結構示意圖；
[0014]圖2是應變測量傳感模塊的結構示意圖；
[0015]圖3是應力測量傳感模塊的結構示意圖。
[0016]在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中:1-寬帶光源，2~第一光纖親合器，3-應變測量傳感模塊，4-第二光纖親合器，5-偏振控制器，6-應力測量傳感模塊，7-光譜分析儀，8-信號處理器，9-第一夾具，10-第二夾具，11-第一金屬板，12-保偏光子晶體光纖，13-第二金屬板。

【具體實施方式】
[0017]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
[0018]如圖1所示，本發明實施例的光纖應變-應力同時測量裝置包括寬帶光源1、第一光纖耦合器2、應變測量傳感模塊3、第二光纖耦合器4、偏振控制器5、應力測量傳感模塊6、光譜分析儀7和信號處理器8，其中，第一光纖耦合器2和第二光纖耦合器4均為2 X 2光纖親合器。寬帶光源1連接第一光纖親合器2的第一輸入端；第一光纖親合器2的第一輸出端通過應變測量傳感模塊3連接第二光纖耦合器4的第一輸入端，第一光纖耦合器2的第二輸出端連接第二光纖耦合器4的第二輸入端；第二光纖耦合器4的第一輸出端依次通過偏振控制器5和應力測量傳感模塊6連接第二光纖耦合器4的第二輸出端；第一光纖耦合器2的第二輸入端依次連接光譜分析儀7和信號處理器8。
[0019]具體地，第一光纖耦合器2和第二光纖耦合器4均為單模光纖器件，分光比均為50:50。第一光纖親合器2、應變測量傳感模塊3、第二光纖親合器4、偏振控制器5和應力測量傳感模塊6之間通過熔接方式連接，第一光纖耦合器2與寬帶光源1和光譜分析儀7之間利用光纖接頭通過法蘭盤對接。
[0020]如圖2所示，應變測量傳感模塊3包括第一夾具9、光纖和第二夾具10。第一夾具9和第二夾具10固定夾持在光纖上，光纖在第一夾具9和第二夾具10之間的部分繃緊並承受應力，第一夾具9的位置固定，第二夾具10能移動。如圖3所示，應力測量傳感模塊6包括第一金屬板11、保偏光子晶體光纖12和第二金屬板13。保偏光子晶體光纖12的中部以蜿蜒曲折的形式被平整地夾持在第一金屬板11和第二金屬板13之間。
[0021]下面結合圖1?3對上述光纖應變-應力同時測量裝置的工作原理進行詳細說明。
[0022]寬帶光源1發出的光經由第一光纖I禹合器2後分成兩束光，一束光經過應變測量傳感模塊3後達到第二耦合器4，另一束光直接到達第二光纖耦合器4，第一光纖耦合器2和第二光纖耦合器4之間構成馬赫-澤德幹涉結構；到達第二光纖耦合器4的兩束光從第二光纖I禹合器4的輸出端出射，第二光纖|禹合器4、偏振控制器5和應力測量傳感模塊6形成的閉環構成薩格耐克幹涉結構，其中，偏振控制器5用於調整薩格耐克幹涉結構內的偏振狀態，使幹涉處於最佳狀態；從第二光纖I禹合器4輸出的光束在薩格耐克幹涉環中分別以順時針和逆時針兩個方向傳播，之後再次到達第二光纖耦合器4，然後再逆向通過第一光纖耦合器2和第二光纖耦合器4之間構成的馬赫-澤德幹涉結構，最後，光束經由第一光纖耦合器2的第二輸入端輸出到達光譜分析儀7，得到光譜圖形和數據信息。
[0023]第二夾具10的移動會造成光纖在第一夾具9和第二夾具10之間的部分發生應變變化，使光纖長度改變，進而使第一光纖耦合器2和第二光纖耦合器4之間構成的馬赫-澤德幹涉結構的兩臂光程差發生改變，最終體現在由光譜分析儀7得到的光譜圖形和數據信息上。在第一金屬板11上施加應力會使保偏光子晶體光纖12橫截面上相互垂直的快軸和慢軸兩個方向上的折射率發生變化，進而使保偏光子晶體光纖12中正交兩個模式通過薩格耐克幹涉結構的光程差發生改變，最終體現在由光譜分析儀7得到的光譜圖形和數據信息上。信號處理器8對光譜圖形和數據信息進行處理，得到相應的應變和應力變化信息。
[0024]優選地，馬赫-澤德幹涉結構的兩臂光程差為3?5(3111 ；第一金屬板11和第二金屬板13的邊長為4?9(3111，厚度為0.5?2(3111，被夾持在第一金屬板11和第二金屬板13之間的保偏光子晶體光纖12的長度為0.5?0.9111。
[0025]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種光纖應變-應力同時測量裝置，其特徵在於，包括寬帶光源、第一光纖耦合器、應變測量傳感模塊、第二光纖耦合器、偏振控制器、應力測量傳感模塊、光譜分析儀和信號處理器；其中，所述第一光纖耦合器和所述第二光纖耦合器均為2X2光纖耦合器； 所述寬帶光源連接所述第一光纖耦合器的第一輸入端；所述第一光纖耦合器的第一輸出端通過所述應變測量傳感模塊連接所述第二光纖耦合器的第一輸入端，所述第一光纖耦合器的第二輸出端連接所述第二光纖耦合器的第二輸入端；所述第二光纖耦合器的第一輸出端依次通過所述偏振控制器和所述應力測量傳感模塊連接所述第二光纖耦合器的第二輸出端；所述第一光纖耦合器的第二輸入端依次連接所述光譜分析儀和所述信號處理器； 所述第一光纖耦合器和所述第二光纖耦合器之間構成馬赫-澤德幹涉結構，所述第二光纖耦合器、所述偏振控制器和所述應力測量傳感模塊形成的閉環構成薩格耐克幹涉結構；所述光譜分析儀用於獲取光譜圖形和數據信息，所述信號處理器用於對光譜圖形和數據信息進行處理，得到應變和應力變化信息。
2.如權利要求1所述的光纖應變-應力同時測量裝置，其特徵在於，所述應變測量傳感模塊包括第一夾具、光纖和第二夾具；所述第一夾具和所述第二夾具固定夾持在所述光纖上，所述光纖在所述第一夾具和所述第二夾具之間的部分繃緊並承受應力，所述第一夾具的位置固定，所述第二夾具能移動。
3.如權利要求1或2所述的光纖應變-應力同時測量裝置，其特徵在於，所述應力測量傳感模塊包括第一金屬板、保偏光子晶體光纖和第二金屬板；所述保偏光子晶體光纖的中部以蜿蜒曲折的形式被平整地夾持在所述第一金屬板和所述第二金屬板之間。
4.如權利要求3所述的光纖應變-應力同時測量裝置，其特徵在於，所述第一金屬板和所述第二金屬板的邊長為4?9cm，厚度為0.5?2cm，被夾持在所述第一金屬板和所述第二金屬板之間的所述保偏光子晶體光纖的長度為0.5?0.9m。
5.如權利要求1至4中任一項所述的光纖應變-應力同時測量裝置，其特徵在於，所述第一光纖耦合器和所述第二光纖耦合器之間構成的馬赫-澤德幹涉結構的兩臂光程差為.3 ?5cm0
【文檔編號】G01D21/02GK104482959SQ201410655133
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月18日 優先權日:2014年11月18日
【發明者】魯平, 王順, 劉德明 申請人:華中科技大學