基于多纵模自混合效应的应变传感测量装置及方法制造方法及图纸

本分案申请涉及光学测量技术领域，具体为一种基于多纵模自混合效应的应变传感测量装置及方法，测量装置包括多纵模激光器、传感单元、振动目标、滑动装置、分光元件、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元，测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光器出射激光经传感单元后入射到振动目标上，然后再反馈回多纵模激光器谐振腔内形成自混合信号，上述过程中传感单元发生改变引起自混合信号波形改变，通过调节滑动装置使振动目标发生微移，形成在不同激光器外腔长度下的自混合信号，利用光电探测器采集不同外腔长度下的自混合信号，再利用信号预处理单元和信号处理单元进行处理，即可得出传感单元的变化，本案测量成本低、光路简单、测量精度高。

Strain sensing device and method based on self mixing effect of multi longitudinal modes

【技术实现步骤摘要】
基于多纵模自混合效应的应变传感测量装置及方法本申请为申请号201810327444.4、申请日2018年4月12日、专利技术名称“基于多纵模自混合效应的传感测量装置及方法”的分案申请。
本专利技术涉及光学测量
，尤其涉及一种基于多纵模自混合效应的应变传感测量装置及方法。
技术介绍
利用光学进行精密测量，一直是计量测量
中的主要方法，目前，光学测量方法因其非接触测量、测量灵敏度高、测量精度高等优点已被成熟应用于温度测量、电压测量、磁场测量、应变测量、液体浓度测量等测量场合。在应变测量
，传统的应变测量方法主要是利用电阻应变计(电阻应变片)来实现测量。该方法一般只能测量构件表面应变，难于显示其内部应变，并且存在测量仪器体积大、测量灵敏度低、动态范围小，不易被埋置在复合材料中等缺点。利用光学测量应变的方法主要包括光弹性测量法、全息干涉法、云纹法、光纤光栅法、传统光学干涉法等，其中光弹性测量法、全息干涉法、云纹法等方法存在受力模型复杂、测量材料有限、处理过程繁琐，处理数据量过大等问题；光纤光栅法则均需接入光谱仪观察不同应变下光栅反射波长的具体位置，测量成本较高且易受环境影响。而传统光学干涉法(如迈克尔逊、马赫-曾德尔等干涉法等)则需通过采集传感臂和参考臂间的干涉信号来获得应变大小，由于信号光和参考光处在不同光路，受环境影响较大，结构复杂且调试困难；法布里-帕罗型应变传感器则是利用空气腔中光的干涉效应对应变进行传感，但空气腔易受环境干扰且光程有一定限制，不适合高灵敏度应变测量。
技术实现思路
针对现有技术中利用光学传感技术测量应变时存在的问题，本专利技术提供基于多纵模自混合效应的传感测量装置，能够实现应变的传感测量。为实现测量应变的技术目的，本专利技术的技术方案是：一种基于多纵模自混合效应的应变传感测量装置，包括含尾纤的多纵模激光器、传感单元、振动目标、滑动装置、分光元件、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元；所述振动目标能够发生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构；所述传感单元包括第一平台、第二平台和传感光纤；所述第一平台和第二平台沿应变变化方向顺序设置，所述第一平台固定不动，所述第二平台能够相对第一平台沿应变变化方向移动，所述传感光纤的中段均匀粘贴在第一平台和第二平台上；所述多纵模激光器用于出射激光，所述多纵模激光器的尾纤与传感光纤的一端相连，所述传感光纤另一端出射的激光入射到振动目标的振动面上，经反射结构反射后沿原路反馈回多纵模激光器谐振腔内，形成激光自混合信号；所述振动目标底部固定于滑动装置上，通过调节滑动装置能够使振动目标沿出射激光方向发生移动；所述分光元件为耦合器，用于将激光自混合信号分束到光电探测器上；所述光电探测器用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元；所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理包括整形、放大、滤波；所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得第二平台移动引起的传感光纤的应变变化。基于上述测量装置的应变测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光器出射激光到振动目标上，出射激光经反射结构反射后，反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，上述过程中第二平台相对第一平台发生移动，导致传感光纤发生应变变化，进而导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿出射激光所在光路方向发生微移，以改变振动目标距离多纵模激光器的距离，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出第二平台移动引起的传感光纤的应变变化，具体测量分析方法如下：对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据相关干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I0为初始光强，ΔIj为j模式激光光强变化的幅值，φtj为j模式激光在外腔往返一周的相位，φtj(t)为j模式激光在外腔往返一周的实时相位，k0j为真空中j模式的波数，opt(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共轭,计算中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：式(2)中φ0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφsj为应变引起的传感单元相位变化，δφcj为补偿相位变化，测应变时，δφsj＝-δφcj，op0为激光器外腔初始光程，δops为应变引起的传感单元光程变化，δopc为补偿光程，nc为外腔空气折射率，其值为1，ns为传感光纤的折射率，Ls为激光在传感光纤中传输的实际路径的总几何长度，Lc为补偿长度；式(3)中ω0为激光的角频率，c为真空中的光速，ng为激光器谐振腔介质群折射率，L0为激光器谐振腔腔长；将式(3)代入式(1)得：如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍：φtj＝k0jopt＝2mk0jngL0＝mφgj式(5)即：opt＝2mngL0式(6)式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φgj为激光在激光器谐振腔内往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波形分立，从式(5)可知，当传感光纤所受应变改变时，光在传感光纤传输时的相位会发生改变，导致各个模式的φtj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变外界反馈物位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波形，再通过测量外界反馈物位置得到补偿相位变化δφcj，进而获得传感光纤应变引起的传感单元相位变化δφsj，这里，由传感单元应变引起的传感单元相位变化与应变的关系如下式所示：式(7)中，ε为应变，Ls0为激光在传感光纤中传输的实际路径的总初始几何长度，ns0为传感光纤中的初始折射率，ns为传感光纤中的折射率，为传感光纤的应变系数，ν为激光输出频率，a为传感光纤半径，为由于传感光纤半径变化导致的折射率变化，单模光纤中此值忽略不计，因此，应变引起的相位变化可表示为下式：δφsj＝k0jns0ξLs0ε式(8)利用补偿相位并结合传感光纤材料初始折射率ns0、激光在传感光纤中传输实际路径的总初始几何长度Ls0、传感光纤应变系数ξ进行计算，可得施加在传感光纤上的应变变化。从以上描述可以看出，本专利技术具备以下优点：1.测量装置的传感单元为无源光学传感器,本身无需供电；2.测试装置体积较本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多纵模自混合效应的应变传感测量装置，其特征在于：包括含尾纤的多纵模激光器、传感单元、振动目标、滑动装置、分光元件、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元；/n所述振动目标能够发生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构；/n所述传感单元包括第一平台、第二平台和传感光纤；所述第一平台和第二平台沿应变变化方向顺序设置，所述第一平台固定不动，所述第二平台能够相对第一平台沿应变变化方向移动，所述传感光纤的中段均匀粘贴在第一平台和第二平台上；/n所述多纵模激光器用于出射激光，所述多纵模激光器的尾纤与传感光纤的一端相连，所述传感光纤另一端出射的激光入射到振动目标的振动面上，经反射结构反射后沿原路反馈回多纵模激光器谐振腔内，形成激光自混合信号；/n所述振动目标底部固定于滑动装置上，通过调节滑动装置能够使振动目标沿出射激光方向发生移动；/n所述分光元件为耦合器，用于将激光自混合信号分束到光电探测器上；/n所述光电探测器用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元；/n所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理包括整形、放大、滤波；/n所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得第二平台移动引起的传感光纤的应变变化。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于多纵模自混合效应的应变传感测量装置，其特征在于：包括含尾纤的多纵模激光器、传感单元、振动目标、滑动装置、分光元件、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元；
所述振动目标能够发生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构；
所述传感单元包括第一平台、第二平台和传感光纤；所述第一平台和第二平台沿应变变化方向顺序设置，所述第一平台固定不动，所述第二平台能够相对第一平台沿应变变化方向移动，所述传感光纤的中段均匀粘贴在第一平台和第二平台上；
所述多纵模激光器用于出射激光，所述多纵模激光器的尾纤与传感光纤的一端相连，所述传感光纤另一端出射的激光入射到振动目标的振动面上，经反射结构反射后沿原路反馈回多纵模激光器谐振腔内，形成激光自混合信号；
所述振动目标底部固定于滑动装置上，通过调节滑动装置能够使振动目标沿出射激光方向发生移动；
所述分光元件为耦合器，用于将激光自混合信号分束到光电探测器上；
所述光电探测器用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元；
所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理包括整形、放大、滤波；
所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得第二平台移动引起的传感光纤的应变变化。


2.基于权利要求1所述的基于多纵模自混合效应的应变传感测量装置的应变测量方法，其特征在于：振动目标发生振动，多纵模激光器出射激光到振动目标上，出射激光经反射结构反射后，反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，上述过程中第二平台相对第一平台发生移动，导致传感光纤发生应变变化，进而导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿出射激光所在光路方向发生微移，以改变振动目标距离多纵模激光器的距离，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出第二平台移动引起的传感光纤的应变变化，具体测量分析方法如下：
对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据相关干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：



式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I0为初始光强，ΔIj为j模式激光光强变化的幅值，φtj为j模式激光在外腔...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕亮，周俊峰，毕铁柱，陈由泽，王晨辰，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34