一组相邻的波峰波谷波长实现双折射光纤环镜应变在线测量方法技术

本发明专利技术提供一种一组相邻的波峰波谷波长实现双折射光纤环镜应变在线测量方法，通过任意一组相邻的波峰波谷波长λ'

【技术实现步骤摘要】
一组相邻的波峰波谷波长实现双折射光纤环镜应变在线测量方法
本专利技术涉及一种通过一组相邻的波峰波谷波长即可实现双折射光纤环镜应变在线测量方法。
技术介绍
双折射光纤环镜(Birefringencefiberloopmirror，Bi-FLM)传感器具有低成本，易于制造，极化独立，不受电磁干扰等优点，已成功应用于应变、振动、扭矩等各类传感器。目前，该传感器多通过波长解调的方法实现离线测量，即根据Bi-FLM干涉光谱波长的相对变化量来推算传感量的大小。由于干涉光谱是周期性信号，需要人为判断外界传感量的变化是导致干涉光谱左移还是右移，需要人为判断是较小外界传感量产生较小相角变化导致的干涉光谱平移，还是较大外界传感量产生较大相角的周而复始的干涉光谱，不利于实施传感器的在线测量。且在测试过程中外界干扰容易改变干涉光谱的初始相角，导致干涉光谱平移，从而改变波长的相对变化量，基于波长解调的方法无法区分是干扰还是外界传感量的变化导致的波长相对变化，致使测量精度下降。也有学者基于强度解调原理实现Bi-FLM传感器在线测量，即将Bi-FLM传感器的光信号强度通过光电转换器转换为电信号，通过监测电信号的变化反推光信号的变化，从而反推外界传感量的变化。由于强度解调受光源稳定性影响较大，因此该方法精度较低。申请人在之前的专利申请(CN201810656015)中公开了通过任意4个相邻波谷波长及双折射光纤初始条件计算应变大小的方法，该方法无需人为判断，有助于促进传感器与计算机有效对接，实现在线测量。且与初始相角无关，因此可以剔除外界干扰，提高测量精度。但该方法需要4个相邻波谷的波长，包含3个周期的干涉波形，需要的信息量较多。双折射光纤长度越短，则Bi-FLM干涉光谱周期越大，在一定的光源波长范围内，光纤长度较短的Bi-FLM可能没有足够的波谷点(4个)，导致无法计算。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种双折射光纤环镜应变传感器在线测量方法，通过任意一组相邻的波峰波谷波长及其双折射光纤初始长度、初始双折射率和初始双折射应变系数即可计算得到双折射光纤所受应变大小。本专利技术的技术方案为：一组相邻的波峰波谷波长实现双折射光纤环镜应变在线测量方法，其步骤包括：1)将光纤耦合器、双折射光纤、光隔离器以及光谱仪构建成双折射光纤环境轴向应变传感器测量系统，其中，双折射光纤的两端分别与光纤耦合器的两个输出臂相连接，入射光经光隔离器与光纤耦合器的输入臂相连接，光谱仪的输入端与光纤耦合器的干涉光谱输出端口相连接；2)将双折射光纤粘贴在被测物体上，记下双折射光纤初始长度L0、双折射光纤初始双折射率B0和双折射应变系数k；3)待被测物体承受轴向应变后，此时双折射光纤所受应变即为被测物体所受应变，通过光谱仪测量双折射光纤环镜干涉光谱；4)通过计算机编程找到任意一组相邻的波峰波谷波长λ'n、λn；5)将光纤初始长度L0、光纤初始双折射率B0和双折射应变系数k代入公式(24)计算得到双折射光纤受轴向应变后的绝对长度L'；6)将L'、L0代入算出双折射光纤所受应变大小，即为被测物体的轴向应变值。本专利技术理论分析如下：Bi-FLM传感器初始干涉光谱表达式为：式中，λ为干涉光谱波长，T(λ)为干涉光谱强度，相角θ＝2πL0B0/λ，L0为光纤初始长度，B0为光纤初始双折射率。当双折射光纤受轴向应变后，相角变化量Δθ为：式中，εz＝ΔL/L0＝(L'-L0)/L0为双折射光纤轴向应变，单位为ε，其中L'为双折射光纤受应变后的长度。k是双折射应变系数，单位为1/ε，即光纤受1ε后双折射率变化大小。由(2)式可得通过L'表示的Δθ表达式为：由(1)、(2)式可得通过εz表示的受轴向应变后的Bi-FLM干涉光谱表达式为：(4)式是通过双折射光纤所受应变εz描述干涉光谱T'(λ)，用于与本文下面推导的计算应变的理论表达式对比，以校验本文推导的表达式正确性。由(1)式、(3)式可得通过L'表示的受轴向应变后的干涉光谱表达式为：欲使(5)式对应干涉光谱T'(λ)的值最小，则：式中，n为整数，λn为整数n对应的波谷波长，其它依此类推。由(6)式解出：欲使(5)式对应干涉光谱T'(λ)的值最大，则：式中，n为整数，λ'n为整数n对应的波峰波长，其它依此类推。由(8)式解出：由(7)式可得：由(9)式可得：由(10)式＝(11)式可得：由(12)代入(10)式可得：根据(7)式、(9)式可得：当(14)、(15)式n值相同时，波谷与波峰相邻。由(14)式可知，当双折射光纤所受应变εz为正时，因为波长必须为正数，故n为正，此时λn>λ'n。即εz>0时使n为正，满足λn>λ'n，应用(13)式。当双折射光纤所受应变εz为负应变且足够使n为负数时，此时λ'n>λn。由(14)式可知，因为波长必须为正数，要使n为负数，则：B0+(B0+k)εz＜0(16)由(16)式可得：假设双折射光纤长度L0＝0.1m，双折射率B0＝2.6×10-4，双折射应变系数k＝7.3×0.001/ε，经计算需满足εz<-0.0343915343915344ε，即εz<34391.5343915344με时，才能使n为负数，该应变是个极大的负应变，一般情况下难于产生如此大的负应变，故一般情况下n为正，此时λn>λ'n。下面就n为正时展开讨论，即当满足λn>λ'n时可应用(13)式。由(13)式可知，双折射光纤受轴向应变后的绝对长度L'可以由任意一组相邻的波峰波长λ'n、波谷波长λn，光纤初始长度L0、光纤初始双折射率B0和双折射应变系数k求出，再将L'代入εz＝ΔL/L0＝(L'-L0)/L0计算双折射光纤所受应变大小。该方法可以由任意一组相邻的波峰波长、波谷波长及光纤初始条件求出双折射光纤所受应变大小。由(13)式可知，双折射光纤受轴向应变后的绝对长度L'与波峰波长λ'n、波谷波长λn有关，即该方法与波谷波长、波峰波长的绝对位置有关，绝对位置与初始相角有关，故该方法无法区分是干扰还是外界传感量的变化导致的波长变化，不能提高测量精度。但该方法与选定的监测点无关，无需进行传感器的校准；该方法无需人为判断干涉光谱左移还是右移，无需人为判断是否是周而复始的干涉光谱，有助于实现在线测量；该方法只需包含1个周期的干涉波形，需要的信息量更少，可以实现双折射光纤长度更短的Bi-FLM传感器的在线测量。欲使(5)式对应干涉光谱T'(λ)的值最大，也可令：由(18)式可得：由(19)式可得：由(10)式＝(20)式可得：由(21)代本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种一组相邻的波峰波谷波长实现双折射光纤环镜应变在线测量方法，其步骤包括：/n1)将光纤耦合器、双折射光纤、光隔离器以及光谱仪构建成双折射光纤环境轴向应变传感器测量系统，其中，双折射光纤的两端分别与光纤耦合器的两个输出臂相连接，入射光经光隔离器与光纤耦合器的输入臂相连接，光谱仪的输入端与光纤耦合器的干涉光谱输出端口相连接；/n2)将双折射光纤粘贴在被测物体上，记下双折射光纤初始长度L

【技术特征摘要】
1.一种一组相邻的波峰波谷波长实现双折射光纤环镜应变在线测量方法，其步骤包括：
1)将光纤耦合器、双折射光纤、光隔离器以及光谱仪构建成双折射光纤环境轴向应变传感器测量系统，其中，双折射光纤的两端分别与光纤耦合器的两个输出臂相连接，入射光经光隔离器与光纤耦合器的输入臂相连接，光谱仪的输入端与光纤耦合器的干涉光谱输出端口相连接；
2)将双折射光纤粘贴在被测物体上，记下双折射光纤初始长度L0、双折射光纤初始双折射率B0和双折射应变系...

【专利技术属性】
技术研发人员：江莺，仇杨华，宋任刚，倪晓宇，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32