基于双模光子晶体光纤的横向应力传感系统及实现方法技术方案

一种基于双模光子晶体光纤的横向应力传感系统及实现方法，包括激光器光源，普通单模光纤，零双折射双模光子晶体光纤，高双折射双模光子晶体光纤，偏振控制器，受力单元，远场光斑检测器，信号处理与显示单元。激光器光源输出光经偏振控制器后，采用横向错位方式耦合进入零双折射或高双折射双模光子晶体光纤，双模光子晶体光纤安放在受力单元内，便于感受施加的外部横向应力，远场光斑检测器检测双模干涉形成的空间光场，并将检测到的信息送给信号处理和显示单元，得到横向应力的检测结果。此光纤传感系统可实现实时分布式横向应力检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种准确而灵敏的光纤传感系统以测量横向应力或应变，特别是基于零双折射双模光子晶体光纤或高双折射双模光子晶体光纤的基于双模光子晶体光纤的横向应力(应变)传感系统及实现方法。
技术介绍
建筑物的安全与质量监测，主要是检测在外力作用下的应力和形变。一般的检测方法是在建筑材料内安装大量分布式应变片或者其它应变感受纤维，由于纤维材料与建筑材料构成的复合结构能够适当提高建筑材料的强度，因此，使用复合纤维材料进行建筑物的载荷与形变检测是比较常用的方法。在建筑材料或者建筑物内埋置光导纤维，形成智能复合结构(也叫灵巧复合结构)，当建筑材料或者建筑物发生形变的时候，埋置在其中的光纤会感受到相应的应力和应变，其光学特性(主要是传输特性)能立即发生变化，因此对光纤中传输的光信号进行检测，就能实时监测建筑物内的形变和载荷变化情况，从而实现对建筑物的安全监测。这种方法不仅可以用于建筑物的检测，而且在机械、生物医学、航空航天等领域也有广泛应用前景。利用光纤进行应力传感与检测，不仅具有光纤固有的优越性，如抗电磁干扰，机械强度高等，还可以实现分布式检测，而且灵敏度非常高。光纤应力传感与检测技术已经经历了将近20年的发展，目前已有多种基于普通石英光纤的应力传感器。光纤应力传感器按照被检测应力的方向可分为纵向应力传感器和横向应力传感器，按照基本工作原理可以分为两大类，一是光纤型应力传感器，二是光栅型应力传感器。光纤型应力传感器就是光纤在外力作用下发生形变，改变其模式的传输特性，对传输光进行检测即可得到形变或者外力的变化情况。光栅型应力传感器是利用光纤光栅(包括光纤布拉格光栅FBG和长周期光栅LPG)的周期(纵向)或对称性(横向)随外力改变，从而改变光栅的透射谱或反射谱，实现对外力变化的检测。光纤型应力传感器对纵向应力的检测一般都基于双模光纤或者少模光纤(few-mode fiber)中多个模式之间的干涉作用。当光纤拉伸时，不同模式之间的相位关系发生变化，因而输出端光场(强度)发生相应变化，根据强度变化的周期性，可以得到相位变化，从而得到光纤的形变或者应力。当普通圆光纤受到横向应力时，一般检测背向反射光的两个偏振分量的光程差和相干性，可以确定应力施加在光纤长度上的位置，但是很难确定应力大小。由于光纤光栅的光谱特性对光纤结构和光栅周期的敏感性很高，所以，自从二十世纪九十年代初光栅问世以来，基于普通阶跃折射率石英光纤的布拉格光栅和长周期光栅的传感器(包括应力传感器和温度传感器)得到了广泛的研究与应用。当光纤受到纵向拉力而伸长时，在芯区写入的光栅周期会相应增大，对于布拉格光栅，其峰值反射波长向长波长移动；对于长周期光栅，其透射谱向长波长方向移动。当光纤受到横向压力的时候，不妨假定压力沿x方向施加于光纤侧面，那么光纤x方向尺寸将缩小，而y方向尺寸将扩大。对于圆光纤，将产生固有双折射；对于双折射光纤，其双折射特性将发生变化。在这种具有双折射的光纤中写入的布拉格光栅或者长周期光栅的反射谱或透射谱发生分裂，出现两个反射峰或者两组透射谱，它们分别与两组偏振方向正交的模式对应。当加在光纤上的横向应力发生变化时，光纤的双折射特性随即改变，一般情况下，横向应力的变化与光栅谱的波长移动量成正比，因此，检测布拉格光栅的两个反射峰值波长的移动，或者检测长周期光栅两组透射谱的移动，就能及时检测到横向应力的变化。“光纤光栅横向应变传感器系统”中国专利CN1155798C中，介绍了基于普通光纤里的布拉格光栅的横向应变传感器系统，而且可以同时测量不同地点的温度或受力。光纤的纵向应变灵敏度一般为0.8×10-6με-1，温度灵敏度为6×10-6℃-1；利用布拉格光栅进行横向应力传感与检测，实验室灵敏度可以达到0.344nm/(N.mm-1)；利用长周期光栅进行横向应力传感与检测的实验室灵敏度则已经达到了50nm/(N.mm-1)。光纤应力传感器的灵敏度由光纤的主要材料石英(SiO2)决定。SiO2的杨氏模量非常大，一般都超过70GPa(具体数值与石英光纤中的掺杂有关，非掺杂包层约72GPa，3％掺Ge约为70.8GPa)，在外力作用下，其形变一般都很小，因此对光纤应力传感器的工艺要求比较高。为了改变光纤横向应力传感器的灵敏度对石英材料杨氏模量的单一依赖性，人们试图改变光纤结构，从而改变光纤在外力作用下的形变量，以此来改进光纤横向应力传感与检测的精度与灵敏度。利用多芯光纤中的布拉格光栅进行横向应力检测，虽然是最近才开展的研究工作，但是也已经展现出其诱人的优势，利用4芯光纤的横向应力传感器灵敏度已经达到0.24nm/(N.mm-1)。利用旁孔光纤及其中的布拉格光栅进行横向应力检测则得到了更多的关注，人们不仅从理论和实验上证实了这种光纤对横向应力的灵敏度可以达到2.0nm/(N.mm-1)以上，而且也研究了其动态测量范围，可以在0～38.08MPa范围内实现0.03MPa分辨率的高精度压力测量。本专利技术基于双模光子晶体光纤的横向应力(应变)传感系统，利用新型的光子晶体光纤(PCFPhotonic Crystal Fiber)对横向应力(应变)进行传感与检测。在光子晶体光纤包层区域，沿纵向排列着大量空气孔。根据导光机理，可将其分为两类，即折射率导光和光子带隙(PBGPhotonic Band Gap)导光。典型的折射率导光型光子晶体光纤的芯区是实心石英，包层是多孔结构。包层中的空气孔降低了包层的有效折射率，从而满足全反射(TIRTotal InternalReflection)条件，光束缚在芯区传输。光子带隙导光光纤的包层区域是周期性结构，它产生的光子带隙可将光束缚在光纤芯区传输。光子带隙导光光纤包层周期性结构是一个二维光子晶体，折射率只在横截面内周期性变化。沿着光纤纵向，折射率是均匀的，光沿纵向传输时不会受到限制。但是横向周期性结构的布拉格反射会产生横向谐振，形成频域(波长)带隙。如果引入一个线缺陷破坏二维光子晶体的周期性，就会在包层结构的光子带隙内产生一个缺陷模式，并能束缚在芯区内沿光纤传输。这种新型导光机理可在光纤的低折射率区域(如空气芯)实现导光，这类光纤不可能基于全反射导光，它的许多新特性可广泛应用于光纤传感和光纤通信中。迄今为止，人们已经利用纯石英、非石英玻璃(如硫化物玻璃、Schott玻璃)和聚合物等各种材料制备光子晶体光纤。折射率导光的光子晶体光纤的芯区可掺杂锗(Ge)、硼(B)和铒、镱、钕(Er3+，Yb3+，Nd3+)等稀土元素离子，从而改变折射率分布或者制作光纤放大器和激光器等有源器件。光子晶体光纤还有许多其它新的特性，如无尽单模，大模场面积单模光纤，高非线性光纤，高双折射光纤，色散可控光纤，等等。折射率导光光子晶体光纤中，如果沿不同方向的空气孔尺寸不同，或者孔形状是椭圆而不是圆形，或者空气孔位置不对称，可以获得高双折射。这些高双折射光子晶体光纤的双折射可比传统的熊猫光纤高一个量级。Ning Guan报导了一种高双折射光子晶体光纤，在480nm到1620nm范围内保偏，而且偏振串扰优于-25dB，在1300nm到1620nm范围内串扰大约只有-45dB，即使光纤弯曲半径只有10mm时偏振串扰也不会恶化。Crystal Fibre A/本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双模光子晶体光纤的横向应力应变传感系统，主要包括激光器光源，普通单模光纤，零双折射双模光子晶体光纤或高双折射双模光子晶体光纤，偏振控制器，受力单元，远场光斑检测器，信号处理与显示单元，其特征在于：激光器光源输出光经偏振控制器后，采用横向错位方式耦合进入零双折射或高双折射双模光子晶体光纤，双模光子晶体光纤安放在受力单元内，便于感受施加的外部横向应力，远场光斑检测器检测双模干涉形成的空间光场，并将检测到的信息送给信号处理和显示单元，得到横向应力的检测结果。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王智，王拥军，吴重庆，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]