基于偏振外差光纤激光传感器的压力方向性检测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于偏振外差光纤激光传感器的压力方向性检测方法，以980nm激光器作为泵浦光源，外界矢量信号作用于DBR光纤激光传感器后，发出两组正交偏振模式的激光信号，两组正交偏振模式的激光信号，通过光隔离器，实现激光信号单向传输；由窄线宽激光器输出的参考激光信号中心波长与两组正交偏振模式激光信号的波长接近，经过能量调整的两组正交偏振的激光信号和由窄线宽激光器输出的参考激光信号共3组信号通过3dB耦合器后进入同一光路中；经过偏振片调节后，三组信号之间两两拍频产生三组区分明显并且可以反映压力信号方向性光学信号，本发明专利技术可以确定外界矢量信号的作用角度。

【技术实现步骤摘要】
所属
本专利技术属于光纤传感领域,尤其涉及一种以偏振外差光纤激光传感器为核心传感元件的压力方向性检测方法。
技术介绍
在实际测量应用领域,弯曲应力,声波以及磁场等物理参量在测量过程中的准确性具有极其重要的实用性价值,尤其涉及大型桥梁,隧道安全监控,水下环境以及高压作业方面。基于光纤传感测量的基本原理,实际应用中往往将弯曲应力,声波信号以及磁场信号等参量的测量,转换成作用在光纤结构上应力变化的测量。此外,在传感应用中,为了全面地反应待测量的具体变化情况,传感器不仅需要感知作用力的大小,同时也需要感知作用力的方向。为了精确而真实地还原待测量的作用环境,往往将待测量等效视为压力方向性信号。同时在多种压力方向性测量方案比较中,光纤传感器因其结构紧凑,解调简易,抗电磁干扰的良好性能,与电学传感器相比具有明显优势。然而,在基于光纤传感器的压力方向性测量方案中,传统的测量方式大都利用传感器阵列来实现多维度受力分析,从而确定力的方向性,不可避免地加大设备体积,降低复用能力；或是通过一些复杂的算法以及程序进行受力分析,可移植性差。DBR(分布布拉格反射式)光纤激光传感器是光纤传感器的一种,它利用偏振双频激光的差频信号来感知应力的变化,具有极高的灵敏度。在文章“Highly sensitive bending sensor based on Er3+-doped DBR fiber laser”中通过公示推导引出在弯曲作用环境下,拍频信号与系统参数的对应关系,说明DBR光纤激光传感器可以用于弯曲应力的测量；文章“Fiber Grating Laser Current Sensor Based on Magnetic Force”中提出DBR光纤激光传感器具有良好的抗高压和电磁干扰特性,尤其适用于磁场信号测量；文章“Polarimetric heterodyning fiber laser sensor for directional acoustic signal measurement”中指出DBR光纤激光传感器可以通过频域内边带信号个数来测量水声信号的作用角度,具有良好的方向性识别能力。但是,以上提及的关于DBR光纤激光传感器的测量原理大体上都是基于拍频解调技术,仅可以探测到DBR光纤激光传感器内部的两组拍频信号的相对变化关系,无法确定在方向性压力信号作用的测量过程中DBR光纤激光传感器内部产生的两组正交偏振模式各自的变化情况。同时上述针对方向性测量的方案,只是做出相关的线性拟合或是以输出边带数进行大体判断,准确度有限。
技术实现思路
本专利技术旨在提出一种基于偏振外差DBR光纤激光传感器的压力方向性检测方法。为了实现上述目的,本专利技术采用的技术方案是：一种基于偏振外差光纤激光传感器的压力方向性检测方法，以980nm激光器作为泵浦光源，由波分复用器的980nm端口进入980nm/1550nm波分复用器，再由波分复用器的右侧端口进入DBR光纤激光传感器，包括下列的步骤：(1)外界矢量信号作用于DBR光纤激光传感器，外界矢量信号作用角度的测量可以视为具有方向性信息的压力信号角度测量，施加压力载荷；(2)具有方向性信息的压力信号作用于DBR光纤激光传感器后，DBR光纤激光传感器内部发出两组正交偏振模式的激光信号，两组正交偏振模式的激光信号从DBR光纤激光传感器的输入端口通过波分复用器的公共端口进入波分复用器，经过波分复用器输出的光信号通过光隔离器，实现激光信号单向传输；(3)由窄线宽激光器输出的参考激光信号中心波长与两组正交偏振模式激光信号的波长接近，两组正交偏振的激光信号分别通过第一偏振控制器第二偏振控制器进行能量调整，经过能量调整的两组正交偏振的激光信号和由窄线宽激光器输出的参考激光信号共3组信号通过3dB耦合器后进入同一光路中；(4)经过偏振片调节后，三组信号之间两两拍频产生三组区分明显并且可以反映压力信号方向性光学信号，通过光电转换器件完成光学信号到电学信号的转变后，利用频谱分析仪直接读取三组射频拍频信号δ(Δνxz)，δ(Δνyz)和δ(Δνxy)：δ(Δvxz)=Δvxz′-Δvxz=δ(Δvxy)Δnxn0λ0---(1)]]>δ(Δvyz)=Δvyz′-Δvyz=δ(Δvxy)Δnyn0λ0---(2)]]>公式(1)和公式(2)中，n0为平均折射率,λ0为平均波长,公式(1)和公式(2)的比值为Δnx和Δny的比值，与公式(3)和(4)的比值相同，其中P11，P12为DBR光纤激光传感器的弹光系数,e'x,e'y为轴向的应变分量；利用公式(3)和公式(4)中求出θ；Δnxn0=-n02[(P11cos2θ+P12sin2θ)ex′+(P11sin2θ+P12cos2θ)ey′]---(3)]]>Δnxn0=-n02[(P11sin2θ+P12cos2θ)ex′+(P11cos2θ+P12sin2θ)ey′]---(4)]]>此外，νP为泊松比，Ef为杨氏模量，r为DBR光纤激光传感器纤芯半径，l为力作用于DBR光纤激光传感器的长度，Leff为DBR光纤激光传感器的有效长度，待测角度θ已经求出，再利用公式(5)求解，δ(Δvxy)=lLeff2cn20(P11-P12)(1+vp)cos(2θ)λ0πrEfF---(5)]]>可以求解出F；此种测量方法，先求解角度，后求解作用力，最后实现矢量信息的测量。区别于现存压力方向性测量方法,本专利技术采用的传感单元为DBR光纤激光传感器,内部由一对FBG光栅和一段谐振腔构成。由于这一对FBG光栅在外界矢量信号作用情况下,受到不同方向作用角度影响从而导致DBR光纤激光传感器结构内部两组偏振模式激光信号分离并且产生各自对应的双折射参数,同时引入窄线宽激光器输出的具有适合频率和波长的参考激光信号作为固定参考基准,在受到外界矢量信息扰动的情况下两组正交偏振模式激光信号和参考激光信号产生相对变化,后续在光电转换器件中检测三组光学信号两两拍频产生的三组射频拍频信号,确定外界矢量信号作用角度。具有如下优点：(1)DBR光纤激光传感器制作工艺成熟简单,灵敏度高而且稳定性好。(2)区别于传统方向性测量装置体积庞大等缺点,仅用单本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于偏振外差光纤激光传感器的压力方向性检测方法，以980nm激光器作为泵浦光源，由波分复用器的980nm端口进入980nm/1550nm波分复用器，再由波分复用器的右侧端口进入DBR光纤激光传感器，包括下列的步骤：(1)外界矢量信号作用于DBR光纤激光传感器，外界矢量信号作用角度的测量可以视为具有方向性信息的压力信号角度测量，施加压力载荷；(2)具有方向性信息的压力信号作用于DBR光纤激光传感器后，DBR光纤激光传感器内部发出两组正交偏振模式的激光信号，两组正交偏振模式的激光信号从DBR光纤激光传感器的输入端口通过波分复用器的公共端口进入波分复用器，经过波分复用器输出的光信号通过光隔离器，实现激光信号单向传输；(3)由窄线宽激光器输出的参考激光信号中心波长与两组正交偏振模式激光信号的波长接近，两组正交偏振的激光信号分别通过第一偏振控制器第二偏振控制器进行能量调整，经过能量调整的两组正交偏振的激光信号和由窄线宽激光器输出的参考激光信号共3组信号通过3dB耦合器后进入同一光路中；(4)经过偏振片调节后，三组信号之间两两拍频产生三组区分明显并且可以反映压力信号方向性光学信号，通过光电转换器件完成光学信号到电学信号的转变后，利用频谱分析仪直接读取三组射频拍频信号δ(Δνxz)，δ(Δνyz)和δ(Δνxy)：δ(Δvxz)=Δvxz′-Δvxz=δ(Δvxy)=Δnxn0λ0---(1)]]>δ(Δvyz)=Δvyz′-Δvyz=δ(Δvxy)=Δnyn0λ0---(2)]]>公式(1)和公式(2)中，n0为平均折射率,λ0为平均波长,公式(1)和公式(2)的比值为Δnx和Δny的比值，与公式(3)和(4)的比值相同，其中P11，P12为DBR光纤激光传感器的弹光系数,e'x,e'y为轴向的应变分量；利用公式(3)和公式(4)中求出θ；Δnxn0=-n02[(P11cos2θ+P12sin2θ)ex′+(P11sin2θ+P12cos2θ)ey′]---(3)]]>Δnyn0=-n02[(P11sin2θ+P12cos2θ)ex′+(P11cos2θ+P12sin2θ)ey′]---(4)]]>此外，νP为泊松比，Ef为杨氏模量，r为DBR光纤激光传感器纤芯半径，l为力作用于DBR光纤激光传感器的长度，Leff为DBR光纤激光传感器的有效长度，待测角度θ已经求出，再利用公式(5)求解，δ(Δvxy)=lLeff2cn20(P11-P12)(1+vp)cos(2θ)λ0πrEfF---(5)]]>求解出F；此种测量方法，先求解角度，后求解作用力，最后实现矢量信息的测量。...

【技术特征摘要】
1.一种基于偏振外差光纤激光传感器的压力方向性检测方法，以980nm激光器作为泵浦光源，由波分复
用器的980nm端口进入980nm/1550nm波分复用器，再由波分复用器的右侧端口进入DBR光纤激光传感
器，包括下列的步骤：
(1)外界矢量信号作用于DBR光纤激光传感器，外界矢量信号作用角度的测量可以视为具有方向性信
息的压力信号角度测量，施加压力载荷；
(2)具有方向性信息的压力信号作用于DBR光纤激光传感器后，DBR光纤激光传感器内部发出两组正
交偏振模式的激光信号，两组正交偏振模式的激光信号从DBR光纤激光传感器的输入端口通过波分复用
器的公共端口进入波分复用器，经过波分复用器输出的光信号通过光隔离器，实现激光信号单向传输；
(3)由窄线宽激光器输出的参考激光信号中心波长与两组正交偏振模式激光信号的波长接近，两组正
交偏振的激光信号分别通过第一偏振控制器第二偏振控制器进行能量调整，经过能量调整的两组正交偏振
的激光信号和由窄线宽激光器输出的参考激光信号共3组信号通过3dB耦合器后进入同一光路中；
(4)经过偏振片调节后，三组信号之间两两拍频产生三组区分明显并且可以反映压力信号方向性光学
信号，通过光电转换器件完成光学信号到电学信号的转变后，利用频谱分析仪直接读取三组射频拍频信号
δ(Δνxz)，δ(Δνyz)和δ(Δνxy)：
δ(Δvxz)=Δvxz′-Δvxz=δ(Δvxy)=Δnxn0&la...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕辰刚，高靖宜，王晗，郭玺，任畅，李本萍，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12