基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量装置及方法，采用全保偏光纤干涉仪作为传感测量光路，使干涉仪测量臂同时对应变、温度敏感，而参考臂只对温度敏感；将光源输出光同时注入保偏光纤干涉仪快慢轴中传输，并通过干涉仪一传感臂错轴焊接实现双臂异轴干涉，在同一干涉仪中构建对温度和应变具有不同响应的两套传感系统，由于两臂同时对温度敏感，使得干涉仪温度响应为两臂温度响应的差值，通过改变两臂传感光纤长度来调节两套传感系统温度响应系数，构建理想响应矩阵，实现温度和应变响应的彻底分离，完成两者同时精确测量。本发明专利技术解决了交叉敏感问题且测量结果精确稳定、灵敏度高，适合于工程应用。

【技术实现步骤摘要】
基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量装置及方法
本专利技术涉及光纤传感
，更具体地，涉及一种基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量装置及方法。
技术介绍
在大型基础工程设施的生产建设以及维护过程中，利用应变检测方法检测工程结构的健康安全至关重要。而应变检测在地质活动监测、油井勘探以及海洋环境检测等人类活动中具有十分重要的应用。光纤应变传感器相对于传统应变检测仪来说，具有体小质轻、灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰、可在恶劣环境下工作等优点，因此得到广泛应用。但由于光纤材料的温度敏感特性，光纤传感器对温度变化非常敏感，因此此类传感器在对非温度参量进行传感时存在温度交叉敏感问题，这阻碍了光纤应变传感器的测量精度提升与工程应用推广。目前解决温度交叉敏感问题的主流方法是利用两个对待测参量和温度具有不同响应的传感器同时对待测参量与温度进行传感，或是在单一传感器内实现同时对待测参量和温度敏感的两种响应传感参量，由此构建包含待测参量与温度响应系数矩阵(2×2响应矩阵)的矩阵方程，在已知响应系数矩阵和传感器响应情况下，通过矩阵求解获得未知的待测参量与温度参量。包含2×2响应系数矩阵的响应方程如下所示：式中和分别是传感器1和传感器2对待测参量和温度的共同响应；ε为待测参量的变化量、ΔT为温度变化量；α1和α2分别是两传感器独立的待测参量响应系数；β1和β2分别是两传感器独立的温度响应系数。矩阵方程求解时，响应矩阵中的响应系数差异越大，求解结果就越准确稳定，待测参量与温度的响应分离的越彻底，而最理想的矩阵则是时其中某一元素符号与其他三个不同。利用该方法衍生的相关技术有以下几种：参考测量系统法，在测量系统中设置只对温度敏感的参考传感器获取温度信息，然后从测量信息中消除温度影响获得应变信息。如2009年东南大学的李爱群等人提出一种光纤光栅应变温度同时测量传感器(CN200920040685.7)，利用两段相同光纤光栅分别只对温度以及同时对温度、应变敏感；但该方法需两套传感系统完全相同，实际应用中很难保证两者完全一致。2000年重庆大学饶云江提出一种集成式光纤应变与温度传感器装置(CN00244460.7)，将只对温度敏感的宽带光纤温度传感器集成在同时对温度和应变敏感的光纤FP传感器内从而实现温度及应变同时测量；但是该集成式光纤应变与温度传感器结构复杂，且很难确保集成的两种传感器的测量精度及测量范围一致。双传感器同时测量法，即利用两套对应变和温度具有不同响应的传感系统同时对应变与温度进行传感，构建严格按照公式(6)的响应方程解决温度应变交叉敏感问题。如2012年印度SundarrajanAsokan等人提出使用光纤布拉格光栅交叉线传感器对应变和温度同时测量(US20120176597)，利用两个参数不同且对温度和应变同时敏感的光纤光栅实现温度和应变同时测量。2015年中国计量学院卞继城等人提出一种基于球形和细芯光纤的温度和应变同时测量的传感器(CN201520488312.1)，利用特种光纤使得包层模式和纤芯模式形成马赫泽德干涉仪来实现温度和应变同时测量的功能；但特种光纤成本较高，且受限于光纤拉制技术，部分特种光纤质量不稳定导致传感器的性能不一致。为解决光纤干涉仪温度交叉敏感问题，2017年哈尔滨工程大学杨军等人提出一种高精度应变与温度同时测量的保偏光纤干涉仪(CN201711309566.2)与非平衡保偏光纤双干涉仪温度应变同时测量的方法及装置(CN201711310550.3)，利用光可在保偏光纤双轴同时独立传输的特性，搭建全保偏光纤干涉仪，在同一干涉仪中实现两套传感系统。这两套传感系统分别对温度和应变有不同的响应，由此得到2×2本征响应矩阵实现温度、应变同事测量。然而保偏光纤的双轴参数十分接近，因此本征响应矩阵近似病态矩阵(即矩阵中系数非常接近导致其微小变化都会使计算结果产生较大的偏差)，导致温度、应变两者的分离结果含有很大的串扰项，很难实现彻底的分离。专利CN201711310550.3虽通过矩阵变换得到理想矩阵，但无法改变本征响应矩阵的非理想性。
技术实现思路
本专利技术为有效解决温度与应变交叉敏感问题，实现温度和应变响应的彻底分离，完成两者同时精确测量，提供了一种基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量装置及方法。本专利技术的首要目的是为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：一种基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量装置，包括窄线宽激光光源101、起偏器111、全保偏光纤干涉仪130、偏振分束差分探测装置140、采集控制与解调记录装置150四部分组成，其中：1)窄带宽激光光源101通过起偏器111与第一保偏耦合器131输入端连接，连接处保偏光纤的对轴角度121为0°～45°；全保偏光纤干涉仪130通过偏振分束差分探测装置140与采集控制与解调记录装置150相连接；2)全保偏光纤干涉仪130中，第一保偏耦合器131的一输出光纤通过测量臂光纤132与第二保偏耦合器135的一输入光纤连接，第一保偏耦合器131的另一输出光纤通过相位调制器132与参考臂光纤133连接；参考臂光纤133输出端与第二保偏耦合器135另一输入光纤连接，连接处保偏光纤的对轴角度136为0°～90°；优选地，第一差分探测器143、145，与第一偏振分束器141、第二偏振分束器142的快轴信号输出端连接；第二差分探测器144、146，与第一偏振分束器141、第二偏振分束器142的慢轴信号输出端连接；第一偏振分束器141、第二偏振分束器142的输入端分别与第二保偏耦合器135的两输出端连接；优选地，工作波长范围能够覆盖窄线宽激光光源101的发射光谱，尾纤均为保偏光纤；第一保偏耦合器131，最优分光比为50:50且快慢轴同时工作；第二保偏耦合器135为2×2保偏光纤耦合器，最优分光比为50:50且快慢轴同时工作；优选地，波长工作范围能够覆盖窄线宽激光光源101的发射光谱，第一偏振分束器141、第二偏振分束器142的输入光纤均为保偏光纤。本专利技术是对基于保偏光纤干涉仪进行温度、应变同时测量技术的改进，目前普通温度、应变同时测量的保偏光纤干涉仪中，由于保偏光纤的快、慢轴参数十分接近，导致保偏光纤干涉仪快、慢干涉传感系统对相同待测参量的响应非常相似，使得保偏光纤干涉仪的2×2本征响应矩阵近似病态矩阵，在这种情况下响应矩阵中的各响应系数发生微小变化，都会导致通过响应矩阵计算出的温度、应变测试结果产生较大的偏差，最终使得保偏光纤干涉仪的温度、应变两者分离结果与实际值产生较大差距，降低了传感器测试结果的精确性和稳定性。本专利技术提供了一种基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量装置及方法，解决了保偏光纤干涉仪面临的上述问题，实现温度和应变参量的精确同时测量与更彻底分离。实现本专利技术的上述目的所采取的技术方案是在全保偏光纤干涉仪的基础上，将干涉仪一传感臂错轴(90°)焊接实现双臂异轴干涉，在同一干涉仪中构建对温度和应变具有不同响应的两套传感系统；通过设置干涉仪测量臂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量装置，其特征在于，包括窄线宽激光光源(101)、起偏器(111)、全保偏光纤干涉仪(130)、偏振分束差分探测装置(140)、采集控制与解调记录装置(150)，其中：/n1)窄带宽激光光源(101)通过起偏器(111)与第一保偏耦合器(131)输入端连接，连接处保偏光纤的对轴角度(121)为0°～45°；全保偏光纤干涉仪(130)通过偏振分束差分探测装置(140)与采集控制与解调记录装置(150)连接；/n2)全保偏光纤干涉仪(130)中，第一保偏耦合器(131)的一输出光纤通过测量臂光纤(132)与第二保偏耦合器(135)的一输入光纤连接，第一保偏耦合器(131)的另一输出光纤通过相位调制器(134)与参考臂光纤(133)连接；参考臂光纤(133)输出端与第二保偏耦合器(135)另一输入光纤连接，连接处保偏光纤的对轴角度(136)为0°～90°。/n

【技术特征摘要】
1.一种保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量装置，其特征在于，包括窄线宽激光光源(101)、起偏器(111)、全保偏光纤干涉仪(130)、偏振分束差分探测装置(140)、采集控制与解调记录装置(150)，其中：
1)窄带宽激光光源(101)通过起偏器(111)与第一保偏耦合器(131)输入端连接，连接处保偏光纤的对轴角度(121)为0°～45°；全保偏光纤干涉仪(130)通过偏振分束差分探测装置(140)与采集控制与解调记录装置(150)连接；
2)全保偏光纤干涉仪(130)中，第一保偏耦合器(131)的一输出光纤通过测量臂光纤(132)与第二保偏耦合器(135)的一输入光纤连接，第一保偏耦合器(131)的另一输出光纤通过相位调制器(134)与参考臂光纤(133)连接；参考臂光纤(133)输出端与第二保偏耦合器(135)另一输入光纤连接，连接处保偏光纤的对轴角度(136)为0°～90°。


2.根据权利要求1所述的一种保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量装置，其特征在于，第一差分探测器(143、145)与第一偏振分束器(141)、第二偏振分束器(142)快轴信号输出端连接，第二差分探测器(144、146)与第一偏振分束器(141)、第二偏振分束器(142)慢轴信号输出端连接；第一偏振分束器(141)、第二偏振分束器(142)的输入端分别与第二保偏耦合器(135)的两输出端连接。


3.根据权利要求1所述的一种保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量装置，其特征在于，工作波长范围能够覆盖窄线宽激光光源(101)的发射光谱，尾纤均为保偏光纤；第一保偏耦合器(131)，最优分光比为50:50且快慢轴同时工作；第二保偏耦合器(135)为2×2保偏光纤耦合器，最优分光比为50:50且快慢轴同时工作。


4.根据权利要求3所述的一种保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量装置，其特征在于，波长工作范围能够覆盖窄线宽激光光源(101)的发射光谱，第一偏振分束器(141)、第二偏振分束器(142)的输入光纤均为保偏光纤。


5.基于保偏光纤双臂异轴干涉仪的应变温度同时测量方法，其特征在于，
1)步骤(201)：搭建保偏光纤双臂异轴干涉传感光路，调节...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨军，田帅飞，喻张俊，祝海波，张毅博，苑勇贵，徐鹏柏，王云才，秦玉文，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44