[發明專利]一種測量應力方向的光纖傳感器

有效

• 申請號: 201710233957.4
• 申請日: 2017-04-11
• 公開（公告）號: CN106989852B
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發明（設計）人: 吳重慶;黃澤鋏;高凱強
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24
• 代理公司: 北京市商泰律師事務所 11255
• 代理人: 毛燕生

本發明公開了一種測量應力方向的光纖傳感器，包括依次連接的激光器、第一偏振控制器、傳感光纖、第二偏振控制器、偏振分析儀以及計算機Matlab算法。所述傳感光纖受外應力作用時，偏振分析儀記錄偏振態在邦加球上繞外應力主軸旋轉的信息，所述Matlab算法利用外應力主軸相對于參考外應力主軸的方向角與外應力實際方向角的線性關系，計算出外應力的實際方向角。

技術領域

本發明涉及傳感器技術領域，尤其涉及一種基于光纖在外應力作用下偏振態在邦加球上繞外應力主軸旋轉的原理，利用外應力主軸方向角與外應力實際方向角之間的線性關系測量外應力的實際方向角的光纖傳感器。

背景技術

與電傳感器相比較，光纖傳感器具有集成度高、抗干擾能力強、成本低廉、靈敏度和精度高、絕緣性好、可實現分布測量等優勢，因此光纖傳感器已經成為一個熱門的研究領域。光纖傳感器可用于測量應力、應變、振動、溫度、位移、聲音、彎曲和濕度等物理量。光纖傳感已經廣泛應用于交通、軍工、建筑、能源、安全、冶金等領域。

隨著光纖性能的不斷提升和應力傳感技術的快速發展，基于光纖的應力傳感逐漸得到重視，包括基于偏振光時域反射技術(POTDR)，布里淵動態光柵(BDG)以及薩格奈克干涉儀等新型傳感技術實現應力的檢測；用于應力傳感的光纖主要包括普通單模光纖、光纖光柵和保偏光纖等。但這些技術往往只局限于特定光纖，且對探測器的要求較高，不利于成本的降低和實際應用的推廣；另外，目前所有的光纖應力傳感器，都只限于測量應力的大小，無法實現對應力方向的測量。對應力方向的測量還局限于利用傳統機械測量，導致傳感器存在體積大、價格昂貴、精度低和集成度低等缺點。隨著集成傳感器的發展和成熟，對光纖應力方向傳感的需求也日漸急迫。

發明內容

本發明的目的是提供一種結構簡單、集成度高、兼容性強和靈敏度高的測量應力方向的光纖傳感器，該傳感器是基于光纖在外應力作用下偏振態在邦加球上繞外應力主軸旋轉的原理，以及該外應力主軸方向角與外應力實際方向角之間的線性關系而設計；只需測量偏振態在邦加球上的演化軌跡，通過Matlab算法計算得到外應力的實際方向，測量方向角誤差在1％以內。該傳感器不僅可用外應力方向的測量，也可結合相應的數據處理技術實現外應力大小和方向的同時測量。

為了克服現有光纖應力傳感器存在的問題，本發明實施例公開了一種測量應力方向的光纖傳感器，包括依次連接的激光器、第一偏振控制器、傳感光纖、第二偏振控制器、偏振分析儀以及計算機，其特征在于，所述傳感光纖受外應力作用，偏振分析儀記錄偏振態斯托克斯參數的變化信息，并利用Matlab算法解算出外應力方向。

進一步，作為優選，通過調節第一偏振控制器與第二偏振控制器，當傳感光纖不受外應力作用時，使偏振分析儀邦加球上顯示的偏振態調整到赤道上。

進一步，作為優選，在傳感光纖上人為施加一個已知方向的外應力，記錄偏振態在邦加球上的變化軌跡，并由此計算出這個外應力的主軸，作為參考主軸；然后撤除該人為的外應力。

進一步，作為優選，當傳感光纖受到任意方向的外應力時，利用偏振態在邦加球上繞該外應力主軸旋轉的原理，測量出該外應力的主軸。

進一步，作為優選，根據該外應力主軸和人為施加的已知方向應力的參考主軸之間的夾角，與外應力的方向角的線性關系，利用Matlab算法計算出該外應力方向角。

進一步，作為優選，所述傳感光纖不局限于特定光纖，使用但不限于普通單模光纖、保偏光纖及扭轉光纖。

本發明提供了一種基于光纖在外應力作用下偏振態在邦加球上繞外應力主軸旋轉的原理，以及該外應力主軸方向角與外應力實際方向角之間的線性關系而設計的光纖應力方向傳感器。該光纖應力方向傳感器使用的傳感光纖不限于普通單模光纖、保偏光纖及扭轉光纖等，因此兼容性高，能基于現有的光纖傳感網絡實現應力方向測量，不需要另外鋪設光纖，有效彌補了光纖應力傳感器對應力方向測量的不足。

附圖說明