基于正交雙偏振光纖激光器的溫度-應力雙參量測量裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于正交雙偏振光纖激光器的溫度-應力雙參量測量裝置，用于檢測應力和溫度兩種信號，包括輸出激光信號中心波長在1550nm波段附近的DBR光纖激光傳感器，波分復用器，980nm激光器，窄線寬激光器，3dB耦合器，光電轉換器，兩個偏振控制器，頻譜分析儀，其中，由980nm激光器產生的激光通過波分復用器后進入DBR光纖激光傳感器，溫度-應力雙參量信號作用在DBR光纖激光傳感器，由DBR光纖激光傳感器進行能量轉換產生的帶有待測溫度-應力雙參量調制信息的光信號，返回波分復用器，再經過光隔離器隔離輸出。窄線寬激光器輸出的能量可調的窄線寬激光信號經過第二偏振控制器能量調整后，與經由第一偏振控制器調整后輸出的攜帶待測溫度-應力雙參量信號調制信息的兩組正交偏振模式光學信號進入3dB耦合器中。本發明可同時檢測出溫度和應力兩個信號。
【專利說明】
基于正交雙偏振光纖激光器的溫度-應力雙參量測量裝置所屬

【技術領域】
[0001]本發明屬于光纖傳感領域，尤其涉及一種基于正交雙偏振光纖激光器可同時檢測溫度信號和應力信號的傳感裝置。

【背景技術】
[0002]在光纖傳感技術實際應用領域，溫度和應力是傳感檢測中十分重要的兩個物理參量。尤其在大型橋梁，隧道，大壩等安全監控及過程控制領域，都必須對溫度和應力這兩個基本物理參量進行監測。然而，由于光纖本身大都對溫度和應力同時敏感，使得人們往往無法對兩者的具體作用影響明確地加以分離，在一定程度上嚴重制約了光纖傳感技術在溫度-應力雙參量區分測量應用領域的發展。
[0003]專利CN102607621A公開了一種同時檢測溫度和應力的分布式光纖布里淵傳感裝置和方法，采用兩根不同類型的傳感光纖組成復合傳感光纖結合自發布里淵散射對應兩種被測量的頻移變化而實現雙參量測量。專利CN103344277A公開了一種可同時檢測雙參量的法布里-珀羅傳感器及其檢測裝置，所述法布里-珀羅傳感器由三段光纖依次熔接而成，在光子晶體光纖兩端與單模光纖熔接處制作成了兩個不同長度的法珀腔，兩組傳感器使法珀傳感器具有同時檢測雙參量的特點。專利CN102261967A公開了一種基于同軸光纖的溫度和應力傳感器，其中的一號傳感單元和二號傳感單元內部具有不同波長的諧振光譜對溫度和應力兩組參量具有不同的靈敏度，從而實現雙參量光纖傳感。以上提及的光纖傳感技術雖然可以實現溫度-應變雙參量區分測量，但是在制作過程中不可避免的要使用一些復雜的光纖傳感頭處理技術，例如化學腐蝕，機械打磨，傳感頭涂覆等工藝。同時在解調過程中往往需要至少一套的設備來實現解調輸出，以及涉及對輸出的不同類型信號(如波長，拍頻等)數據進行分析，極大地降低了解調精度，并且提高了系統的成本和復雜度。


【發明內容】

[0004]本發明旨在克服現有技術的上述不足，提供一種制備工藝簡單，測量穩定性和精度高，結構簡易的溫度-應力雙參量測量裝置。本發明選用無需復雜工藝處理發展較為成熟的單根傳感光纖在溫度和應力雙參量同時變化的情況下，根據外界參量變化對光纖結構造成影響，從而導致光學信號在光纖內部的傳輸特性變化，僅利用一套傳感和解調設備對溫度參量和應力參量進行區分測量，可以有效地克服上述基于光纖傳感原理的溫度和應力雙參量測量方案的不足，具有制備工藝簡單，測量穩定性和精度高，結構簡易等特點。本發明的技術方案如下:
[0005]一種基于正交雙偏振光纖激光器的溫度-應力雙參量測量裝置，用于檢測應力和溫度兩種信號，包括輸出激光信號中心波長在1550nm波段附近的DBR光纖激光傳感器，波分復用器，980nm激光器，中心波長為1550nm的窄線寬激光器，3dB稱合器，光電轉換器，兩個偏振控制器，頻譜分析儀，其中，
[0006]由980nm激光器產生的激光通過波分復用器后進入DBR光纖激光傳感器，所述的DBR光纖激光傳感器包括一對相同的FBG子光柵以及位于其間的諧振器，溫度-應力雙參量信號作用在DBR光纖激光傳感器，使其內部結構發生不定改變，從而改變其內部雙折射特性，由DBR光纖激光傳感器進行能量轉換產生的帶有待測溫度-應力雙參量調制信息的光信號，返回波分復用器，再經過光隔離器隔離輸出。窄線寬激光器輸出的能量可調的窄線寬激光信號經過第二偏振控制器能量調整后，與經由第一偏振控制器調整后輸出的攜帶待測溫度-應力雙參量信號調制信息的兩組正交偏振模式光學信號進入3dB耦合器中，此時經由窄線寬激光器輸出的中心波長為1550nm的窄線寬激光信號與攜帶被測信息的兩組正交偏振模式光學信號，通過調節偏振片方向進行能量分配且互相拍頻，從偏振片輸出的光路中包含3組新的能夠反映溫度-應力信息的光學拍頻信號，此信號經過光電轉換器被轉換成電信號后，在頻譜分析儀上輸出射頻領域易于識別的電信號，從而實現對溫度-應力雙參量的區分測量。
[0007]本發明使用基于正交雙偏振外差的DBR光纖激光傳感器作為傳感單元，無需其他化學工藝或是機械處理。所述傳感單元具有單縱模雙偏振(雙波長)激光輸出特性，可以輸出穩定頻率的拍頻信號，并且對溫度和應力均具有敏感性，但是對應力的敏感程度遠大于對溫度的敏感程度。除傳感單元外，整個系統還包括信號處理單元和信號解調單元。本發明的有益效果是:
[0008]與現有的可同時測量溫度-應力雙參量的光纖傳感器相比，本發明具有如下顯而易見的實質性優點:(I)光纖傳感器制作工藝成熟簡單，靈敏度高而且穩定性好。(2)僅用一根光纖和一套解調設備可以實現雙參量的同時區分測量。(3)溫度-應力雙參量實現同時測量，不需要采用復雜的技術來補償溫度變化對雙折射的影響，具備微型化和輕量化等特點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1.光纖傳感器結構示意圖。
[0010]圖2.基于正交雙偏振光纖激光器的溫度-應力雙參量測量方案原理圖
[0011]圖3.溫度-應力雙參量測量輸出頻譜圖

【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖實例對本發明做進一步說明。
[0013]本發明包括光纖傳感單元，信號處理單元和信號解調單元三個部分。所述光纖傳感單兀為單縱模雙偏振DBR光纖激光傳感器；所述信號處理單兀包含980nm激光器，980/1550 nm波分復用器，光隔離器，偏振控制器，窄線寬激光器，3dB耦合器，偏振片以及光電轉換器；所述信號解調單元為頻譜分析儀。其中的傳感單元為DBR(分布布拉格反射式)光纖激光器，內部由一對FBG光柵和一段諧振腔構成，見圖1。由于這一對FBG子光柵具有相同的溫度敏感性和不同的應力敏感性，因此在單獨的溫度變化測量中兩組光柵受到外界溫度變化作用下具有相同的溫度敏感性，兩組諧振峰各自變化，波長偏移方向相同且幅度相等，但是兩組諧振峰的間距變化并不明顯。當外界應力變化作用于光纖傳感器，由于應力作用角度和作用于諧振腔不同位置的特性，使光纖結構不再對稱，因而光纖激光器的兩個正交方向受到不相等的壓力，對兩組諧振峰造成易于區分的影響。所述裝置由光纖傳感單元，信號處理單元和信號解調單元依次連接。當溫度和應力雙參量同時作用時，溫度對兩個子光柵影響程度接近，而應力對光纖結構造成不對稱的影響，因而導致在應力作用下兩組諧振峰的波長偏移幅度和方向不一致，從而實現對溫度-應力雙參量的區分測量。
[0014]參見圖2，本發明的工作原理大致如下:980nm激光器作為泵浦光源，由波分復用器的980nm端口進入波分復用器，再由波分復用器的公共端口進入DBR光纖激光傳感器。在溫度-應力雙參量同時作用下，引起DBR光纖激光傳感器內部一對光纖光柵結構的改變，進而改變其內部傳輸光光學性質(偏振態)的變化，DBR光纖激光器發出具有兩組正交偏振態并且帶有外界雙參量信號的光信號，這兩組光信號從DBR光纖激光器的輸入端口通過波分復用器的公共端口進入波分復用器，經過波分復用器輸出的光信號通過光隔離器，實現激光信號單向傳輸。窄線寬激光器輸出的激光信號，與DBR光纖激光傳感器受到雙參量作用后輸出的兩組正交偏振信號分別通過偏振控制器I (第一偏振單元)和偏振控制器2 (第二偏振單元)進行能量調整，避免能量相差過大。三組光信號通過3dB耦合器后進入同一光路中，通過調節偏振片將兩組正交偏振信號調節到同一方向，避免能量相差過大。當外界溫度和應力同時變化時，具有雙參量待測信息的兩組正交偏振信號和窄線寬激光器引入的光頻信號，三組信號之間兩兩拍頻產生三組新的可以反映溫度-應力信息的比較明顯光學信號，通過光電轉換器件完成光信號到電信號的轉換后，在頻譜分析儀上輸出射頻領域易于識別的電信號。
[0015]光譜分析儀顯示方面，反射光譜會在溫度-應力(溫度Tl，應力Pl)的同時作用下進行展寬分裂出兩組諧振峰，并且包含兩組正交偏振模式的波長變化(偏移)信息，并在頻譜分析儀進行相應地顯示。由于所選用的DBR光纖激光傳感器具有兩組偏振模式，X模式和Y模式。溫度Tl對兩組模式造成相同的波長偏移，應力Pl作用不同方向和位置造成的區別引起原本對稱的光纖結構內部應力分布不對稱，轉換為對光纖激光器兩組正交方向不等的壓力，因而應力Pl對兩組模式造成不同的波長偏移，使得光纖激光器的折射率發生改變從而導致兩組偏振模式可以用于實現溫度-應力區分測量。其中一組偏振模式(X模式)對溫度具有相同敏感特性而對應已知作用角度Θ，具有不同于另一組偏振模式(Y模式)的應力敏感特性，可以通過光電探測器件轉換出的拍頻信號來還原兩組偏振模式的雙波長偏移特性，進而進行參量的檢測。當溫度-應力同時作用后，光纖光柵的反射光譜在發生偏移的同時整體形狀也會發生相應的變化，通過檢測其中兩組頻率變化來實現對溫度和應力變化信息的同步測量，參見式(I)。
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Afx= mr+mp-cm θ
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[0016]?
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【權利要求】
1.一種基于正交雙偏振光纖激光器的溫度-應力雙參量測量裝置，用于檢測應力和溫度兩種信號，包括輸出激光信號中心波長在1550nm波段附近的DBR光纖激光傳感器，波分復用器，980nm激光器，中心波長為1550nm的窄線寬激光器，3dB耦合器，兩個偏振控制器，光電轉換器，頻譜分析儀，其中， 由980nm激光器產生的激光通過波分復用器后進入DBR光纖激光傳感器，所述的DBR光纖激光傳感器包括一對相同的FBG子光柵以及位于其間的諧振器，溫度-應力雙參量信號作用在DBR光纖激光傳感器，使其內部結構發生不定改變，從而改變其內部雙折射特性，由DBR光纖激光傳感器進行能量轉換產生的帶有待測溫度-應力雙參量調制信息的光信號，返回波分復用器，再經過光隔離器隔離輸出。窄線寬激光器輸出的能量可調的窄線寬激光信號經過第二偏振控制器能量調整后，與經由第一偏振控制器調整后輸出的攜帶待測溫度-應力雙參量信號調制信息的兩組正交偏振模式光學信號進入3dB耦合器中，此時經由窄線寬激光器輸出的中心波長為1550nm的窄線寬激光信號與攜帶被測信息的兩組正交偏振模式光學信號，通過調節偏振片方向進行能量分配且互相拍頻，從偏振片輸出的光路中包含3組新的能夠反映溫度-應力信息的光學拍頻信號，此信號經過光電轉換器被轉換成電信號后，在頻譜分析儀上輸出射頻領域易于識別的電信號，從而實現對溫度-應力雙參量的區分測量。
【文檔編號】G01L1/24GK104180921SQ201410366573
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】呂辰剛, 高靖宜, 王晗, 郭璽, 任暢, 李本萍 申請人:天津大學