[發(fā)明專利]一種光纖應(yīng)變-應(yīng)力同時(shí)測量裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410655133.2
• 申請(qǐng)日: 2014-11-18
• 公開（公告）號(hào): CN104482959A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魯平;王順;劉德明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01D21/02
• 分類號(hào): G01D21/02
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 廖盈春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光纖應(yīng)變-應(yīng)力測量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種光纖應(yīng)變-應(yīng)力同時(shí)測量裝置。

背景技術(shù)

準(zhǔn)確的光纖應(yīng)變-應(yīng)力測量在光纖通信和光纖傳感系統(tǒng)中是十分重要的。最常用的光纖應(yīng)變或者應(yīng)力測量手段是使用光纖布拉格光柵(Fiber?Bragg?Grating,FBG)，其工作原理是光柵上軸向施加的應(yīng)變或者側(cè)向施加的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致光柵內(nèi)部柵區(qū)的周期和折射率發(fā)生相應(yīng)變化，進(jìn)而使得光柵的耦合波長發(fā)生一定的漂移，解調(diào)光柵耦合波長的漂移量即可得到相應(yīng)的應(yīng)變或者應(yīng)力變化量信息。光纖光柵應(yīng)變傳感器穩(wěn)定可靠，使用方便，但由于結(jié)構(gòu)因素，其靈敏度大大受限，難以滿足高精度測量的需求。

為了滿足例如結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督、地震災(zāi)害預(yù)警等諸多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω呔葴y量的需求，國內(nèi)外研究人員對(duì)光纖應(yīng)變-應(yīng)力測量進(jìn)行了大量的研究。在光纖應(yīng)變測量方面，提出了基于光纖空氣泡F-P結(jié)構(gòu)的光纖應(yīng)變傳感器，實(shí)現(xiàn)了4pm/με較低溫度效應(yīng)的應(yīng)變測量；制作了基于光子晶體光纖的在線馬赫澤德干涉儀結(jié)構(gòu)，應(yīng)變測量靈敏度可達(dá)2.1pm/με。在光纖應(yīng)力測量方面，利用雙孔微結(jié)構(gòu)光纖制作成光柵，其側(cè)向應(yīng)力測量的靈敏度較普通單模光纖高8個(gè)數(shù)量級(jí)；提出了基于光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊雙膜片式封裝實(shí)現(xiàn)水下應(yīng)力測量，靈敏度可達(dá)7nm/MPa。然而，這些應(yīng)變或者應(yīng)力測量結(jié)構(gòu)無法同時(shí)測量應(yīng)變和應(yīng)力，且靈敏度均有待進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種光纖應(yīng)變-應(yīng)力同時(shí)測量裝置，能實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和應(yīng)力變化的同時(shí)測量，且靈敏度高。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種光纖應(yīng)變-應(yīng)力同時(shí)測量裝置，其特征在于，包括寬帶光源、第一光纖耦合器、應(yīng)變測量傳感模塊、第二光纖耦合器、偏振控制器、應(yīng)力測量傳感模塊、光譜分析儀和信號(hào)處理器；其中，所述第一光纖耦合器和所述第二光纖耦合器均為2×2光纖耦合器；所述寬帶光源連接所述第一光纖耦合器的第一輸入端；所述第一光纖耦合器的第一輸出端通過所述應(yīng)變測量傳感模塊連接所述第二光纖耦合器的第一輸入端，所述第一光纖耦合器的第二輸出端連接所述第二光纖耦合器的第二輸入端；所述第二光纖耦合器的第一輸出端依次通過所述偏振控制器和所述應(yīng)力測量傳感模塊連接所述第二光纖耦合器的第二輸出端；所述第一光纖耦合器的第二輸入端依次連接所述光譜分析儀和所述信號(hào)處理器；所述第一光纖耦合器和所述第二光纖耦合器之間構(gòu)成馬赫-澤德干涉結(jié)構(gòu)，所述第二光纖耦合器、所述偏振控制器和所述應(yīng)力測量傳感模塊形成的閉環(huán)構(gòu)成薩格耐克干涉結(jié)構(gòu)；所述光譜分析儀用于獲取光譜圖形和數(shù)據(jù)信息，所述信號(hào)處理器用于對(duì)光譜圖形和數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，得到應(yīng)變和應(yīng)力變化信息。

優(yōu)選地，所述應(yīng)變測量傳感模塊包括第一夾具、光纖和第二夾具；所述第一夾具和所述第二夾具固定夾持在所述光纖上，所述光纖在所述第一夾具和所述第二夾具之間的部分繃緊并承受應(yīng)力，所述第一夾具的位置固定，所述第二夾具能移動(dòng)。

優(yōu)選地，所述應(yīng)力測量傳感模塊包括第一金屬板、保偏光子晶體光纖和第二金屬板；所述保偏光子晶體光纖的中部以蜿蜒曲折的形式被平整地夾持在所述第一金屬板和所述第二金屬板之間。

優(yōu)選地，所述第一金屬板和所述第二金屬板的邊長為4～9cm，厚度為0.5～2cm，被夾持在所述第一金屬板和所述第二金屬板之間的所述保偏光子晶體光纖的長度為0.5～0.9m。

優(yōu)選地，所述第一光纖耦合器和所述第二光纖耦合器之間構(gòu)成的馬赫-澤德干涉結(jié)構(gòu)的兩臂光程差為3～5cm。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

1、將傳統(tǒng)的雙通道馬赫-澤德干涉結(jié)構(gòu)和薩格耐克干涉結(jié)構(gòu)以級(jí)聯(lián)的方式有機(jī)結(jié)合，且兩種干涉結(jié)構(gòu)能夠互不干擾地工作，形成的新型干涉結(jié)構(gòu)同時(shí)兼具兩種傳統(tǒng)干涉結(jié)構(gòu)的特性，能在一次測量過程中實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和應(yīng)力的同時(shí)測量。

2、新型干涉結(jié)構(gòu)由兩種干涉結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)而成，分離的光束又會(huì)分成多束光束，這就形成了一種多路徑的干涉儀，因此，應(yīng)變和應(yīng)力引起干涉儀的光譜漂移靈敏度明顯高于單個(gè)傳統(tǒng)的干涉儀結(jié)構(gòu)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的光纖應(yīng)變-應(yīng)力同時(shí)測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是應(yīng)變測量傳感模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是應(yīng)力測量傳感模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。