專利名稱：偏振光纖傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種偏振光纖傳感器，屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖傳感器能嵌入到特殊結(jié)構(gòu)中，比如橋梁、大壩、山體、建筑物、船舶、飛機、貯存 器等實體中檢測以確定健康、維護需求、壽命和其它特性。實體中光纖傳感器的信息可告知 用戶檢測空間的溫度、應(yīng)力和扭曲足以導(dǎo)致使結(jié)構(gòu)的完整性受到懷疑的程度，是否經(jīng)受起多 的循環(huán)變化，或是否具有其它健康或性能問題在內(nèi)的信息。光纖傳感器具有超長的工作壽命 和較低的運行和維護成本，故光纖傳感器在實際應(yīng)用中發(fā)揮越來越重要的作用。
將光纖傳感器嵌入到結(jié)構(gòu)中去監(jiān)測，大量使用分布式方法，分布式光纖傳感器是光纖智 能蒙皮(Smart skin)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)之一,其研究受到各國普遍關(guān)注。通常用于檢測損傷的分 布方法有光纖光時域反射(OTDR， P0TDR)法、光相干域反射(0CDR)法、光頻域反射(OFDR)、調(diào) 頻載波(FMCW)法、光纖布拉格光柵(FBG)法和偏振模耦合法，而且己經(jīng)實現(xiàn)于眾多的商業(yè)應(yīng)用 中。光纖光時域反射(OTDR)拉曼、布里淵可分布測量結(jié)構(gòu)的溫度變化，光纖光時域反射(OTDR) 瑞利可分布測量結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、扭曲變化來達到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測目的，但反射光強極其微弱，在 處理信號之前須多次平均，后端信號處理極其復(fù)雜且設(shè)備昂貴，屬于靜態(tài)檢測。P0TDR是在 0TDR基礎(chǔ)上發(fā)展起來的技術(shù)，與0TDR相似,它需要高功率短脈沖技術(shù)，且其空間分辨率較低； FMCW技術(shù)實質(zhì)上是一種OFDR技術(shù)，可以獲得比POTDR高的空間分辨率但受頻率掃描非線性 限制；0CDR可以獲得高的空間分辨和大的距離動態(tài)范圍，但是它需要將光束經(jīng)過邁克爾遜空 間干涉光路后耦合入光纖，因而給耦合帶來一定困難。光纖布拉格光柵傳感器是快速的準分布 式檢測系統(tǒng)，也是測量溫變、應(yīng)變，但不能檢測不重合或不直接施加到含有布拉格光柵的光 纖區(qū)域的所施加的應(yīng)變。
由強內(nèi)應(yīng)力方法制成的單模保偏光纖，如熊貓型保偏光纖有很強的線性雙折射。在通常情
況下所形成的兩個線偏振模^ffi^模和/f五y模的偏振狀態(tài)基本不變，光纖有大的消光比。但是
當光纖受到外部因素例如溫度、壓力或扭曲等的作用時，光纖內(nèi)部折射率的變化,從而導(dǎo)致上 述兩種模式的耦合變化。這樣在光纖中傳輸?shù)木€偏振光的偏振狀態(tài)也將隨之發(fā)生變化,使消光 比降低。偏振模的偏振干涉即可確定光纖受溫度、壓力或扭曲等的作用點位置與作用量，實 際情況如中國發(fā)明專利"200580039773. X",文獻(劉永智,李尚俊,周元慶，分布式光纖應(yīng)力傳 感器的空間分辨率與靈敏度，半導(dǎo)體光電，Vol21No.l，16-19，2000)。他們均用邁克耳孫 (Michelson)干涉儀作干涉器解調(diào)，但邁克耳孫干涉儀的引入帶來新的問題，由于邁克耳孫干 涉儀行程不大導(dǎo)致測量距離不遠，邁克耳孫干涉儀行程不能歸零會產(chǎn)生測量盲區(qū)，而且邁克 耳孫干涉儀操作比較復(fù)雜，測量時間較長。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種不需要任何干涉器解調(diào)的偏振光纖傳感器。本發(fā)明利用可 嵌入偏振光纖傳感器來監(jiān)測結(jié)構(gòu)的方法和裝置，如圖l所示了本發(fā)明的示意圖，粗線表示光 纖，細線表示電線。它包括計算機或其它微處理器1、光源驅(qū)動器2、光源3、起偏器4、長 度足以覆蓋被檢測的結(jié)構(gòu)區(qū)域的保偏光纖5、保偏耦合器6、檢偏器7， 8、探測器9， 10、信 號處理單元11、軸偏熔接點12。首先計算機1控制光源驅(qū)動器2驅(qū)動光源3將光脈沖(傳感 區(qū)較長，避免受激布里淵)或連續(xù)光輸入起偏器4，經(jīng)起偏器4后在保偏光纖5中只傳播一個
線偏振模/ffi;或Zffi^ ，優(yōu)選//jS模在保偏光纖5的快軸中傳播，p = |/^纟|2 。起偏器4直
3接線偏振模/ffi,〗光全部輸送到保偏光纖5的快軸中傳播，只需在起偏器4輸出口光纖與傳感 光纖5在熔接時軸與軸之間對準就行了 ，或者在起偏器4輸出口以偏振耦合方式使/ffi,〗模部 分光轉(zhuǎn)移到/ffi/;模中傳播，優(yōu)選起偏器4輸出口光纖與傳感光纖5在熔接時軸與軸之間故意 地不對準，優(yōu)選25%的光功率耦合到//五/;模中去。設(shè)被檢測的結(jié)構(gòu)區(qū)域的保偏光纖5的長度
為厶離第一受力點z(z^丄)遠處保偏光纖5受到力/作用使線偏振模/ffi^和/ffi/;之間的
功率耦合系數(shù)為《。經(jīng)過保偏耦合器6分成兩束，分別輸入檢偏器7、 8時它們分別干涉，優(yōu) 選保偏耦合器6功分比為50%,優(yōu)選檢偏器7的檢偏角為0，檢偏器8的檢偏角為;r/4，這樣
檢偏器7輸出光功率為//(戶,尤) (1) 檢偏器8輸出光功率為G(尸，《，丄,0 (2)
由式(1)求出《，代入式(2)求出z，這樣我們就知道在傳感區(qū)z位置有多大的力作用。
上述結(jié)果是檢偏器輸出到探測器9、 10，和信號處理單元ll，被計算機l計算出電壓值 表示。由于需要獲得兩個測量值，本發(fā)明可以在如圖1結(jié)構(gòu)上作調(diào)整，如圖2出示了一路解 調(diào)的情況，(i)在起偏器4輸出口施加一個力，調(diào)節(jié)檢偏器8的檢偏角，分兩次測量；(ii) 在起偏器4輸出口施加兩次力，檢偏器8的檢偏角不動也能獲得傳感區(qū)z位置有多大的力作 用。
本發(fā)明的最大傳感長度由和/ffi^的光程差至少在光源的相干長度內(nèi)，由此
式(3)中義為光源波長，A義為光源線寬，^為光纖偏振拍長。
最大傳感長度為丄-^ (4)
但精確定位只能在^范圍內(nèi)，采取某種策略算法能確定位置距離為0.5Z，這樣把傳感光
纖前半部分或后半部分嵌入監(jiān)測結(jié)構(gòu)中都能準確定位，傳感光纖全部嵌入監(jiān)測結(jié)構(gòu)中，獲得 對稱的兩點，再用其它方法排除其中一點，或者把傳感光纖以中點巻過來，設(shè)計成雙路監(jiān)控。 顯然在給定的保偏光纖5情況下，要傳感長度越長，需光源線寬越窄。為了提高干涉效果， 在傳感末端設(shè)置保偏反射鏡，優(yōu)選1:1保偏耦合器構(gòu)成的非線性環(huán)境，并且有利地發(fā)射裝置 和接收裝置都在近端。上述結(jié)構(gòu)使用橢圓形光纖和普通單模光也有干涉現(xiàn)象，只不過干涉作 用較弱，使用較復(fù)雜的信號處理算法，也能獲得較大應(yīng)力作用結(jié)果。
通常窄線寬光源自帶穩(wěn)定光功率輸出機制，所以用在本發(fā)明中，本發(fā)明傳感器沒必要再 設(shè)置監(jiān)控光源波動裝置。當然在一些特殊場合，需要高精度的測量結(jié)果，也可以在輸入傳感 光纖端口熔接保偏耦合器分一路光來接探測器，由計算機獲取光源波動因子，在計算光信號 時給予剔除光源的擾動。
本發(fā)明的優(yōu)點在于1、應(yīng)用廣泛本發(fā)明可以應(yīng)用于所有需要由外部因素導(dǎo)致結(jié)構(gòu)特征變化的場合，并實 施監(jiān)控，防患于未然。
2 、檢測靈敏度高、監(jiān)測距離遠采用偏振耦合的相干檢測，是所有光纖傳感器中較 高靈敏的，采用窄線寬光源，監(jiān)測距離遠大于使用邁克耳孫干涉儀解調(diào)的偏振耦合光纖傳感 器。
3 、定位精度高偏振耦合的相干檢測通常達到厘米級精度。
為了概括本發(fā)明起見，本文描述了本發(fā)明的某些方面、優(yōu)點以及新穎特征。應(yīng)該理解， 沒必要根據(jù)本發(fā)明的任何一個特定實施例來實現(xiàn)所有這些優(yōu)點。因此，本發(fā)明不限于所公開 的任何特定實施例。


為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)參照附圖僅借助實例闡述根據(jù)本發(fā)明的偏振光纖傳感器 圖1本發(fā)明的實施例及其工作原理的示意圖； 圖2本發(fā)明的實施例及一路解調(diào)的示意圖； 圖3本發(fā)明的實施例及光譜儀解調(diào)的示意圖； 圖4示出一個實施例中收集的數(shù)據(jù)。
本說明書和附圖中參考標號的重復(fù)使用旨在表示本發(fā)明的相同或類似的特征或元件。
具體實施例方式
圖3中示出了本發(fā)明在實驗室條件下測量受力情況的實施例。該實施例采用具有高穩(wěn) 定度的O.lnm線寬的2mwl550nmDFB激光器作為光源3， lOOMHz脈沖調(diào)制使用電流驅(qū)動。 檢偏器8輸出接Ando AQ6319光譜儀13。起偏器4輸出口光纖主軸與熊貓型保偏光纖快軸成
t/6弧度熔接，如圖3中熔接點12。輸入保偏光纖5的//五,;模光大約占75%，按圖3連通所
有光路和電路。調(diào)節(jié)檢偏器8的檢偏角與保偏光纖5快軸成0度。啟動激光器，在20m保偏 光纖5的某位置壓上砝碼，獲得公式(1)對應(yīng)的電壓值，然后調(diào)節(jié)檢偏器8的檢偏角與保偏 光纖5快軸成;r/4弧度，獲得公式(2)對應(yīng)的電壓值，由這兩個值計算出位置z和耦合系數(shù) K。更換不同質(zhì)量的砝碼在該位置重復(fù)測量，獲得傳感器的線性度，之后在不同位置壓上砝 碼，分別測量出位置z和耦合系數(shù)尺。綜合上述所有z值與實際丈量出的距離作比較，獲得 傳感器測量距離誤差，綜合上述所有K值與對應(yīng)砝碼質(zhì)量之間的關(guān)系，獲得壓力的線性度。 光功率原始數(shù)據(jù)如圖4。測量結(jié)果表明，在砝碼5g-lkg范圍內(nèi)，測量系統(tǒng)的應(yīng)力靈敏度 達，40dBm/g，位置不確定度土10cm，所有線性度優(yōu)于1%。
權(quán)利要求
1、一種偏振光纖傳感器，其特征在于包括計算機或其它微處理器1、光源驅(qū)動器2、光源3、起偏器4、長度足以覆蓋被檢測的結(jié)構(gòu)區(qū)域的保偏光纖5、保偏耦合器6、檢偏器7，8、探測器9，10、信號處理單元11、軸偏熔接點12。計算機1控制光源驅(qū)動器2驅(qū)動光源3將光脈沖(傳感區(qū)較長，避免受激布里淵)或連續(xù)光輸入起偏器4，經(jīng)起偏器4后在保偏光纖5中只傳播一個線偏振模HE11x或HE11y，優(yōu)選HE11x模在保偏光纖5的快軸中傳播。起偏器4直接把線偏振模HE11x光全部輸送到保偏光纖5的快軸中傳播，只需在起偏器4輸出口光纖與傳感光纖5在熔接時軸與軸之間對準就行了，或者在起偏器4輸出口以偏振耦合方式使HE11x模部分光轉(zhuǎn)移到HE11y模中傳播，優(yōu)選25％的光功率轉(zhuǎn)移到HE11y模中去。保偏光纖5上某點有溫度變化、應(yīng)力或扭曲等作用時，線偏振模HE11x和HE11y再次偏振耦合，它們經(jīng)保偏耦合器6分成兩束，分別輸入檢偏器7，8時干涉。探測器9，10、信號處理單元11及計算機1將干涉結(jié)果轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，獲得作用點位置及作用量。
2 、按權(quán)利要求l所述的偏振光纖傳感器，其特征在于在起偏器4輸出口的偏振耦合 方式為加或不加壓力、軸間偏接等。
3、 按權(quán)利要求l所述的偏振光纖傳感器,其特征在于高穩(wěn)定輸出光功率的窄線寬激光 器，如果有必要，也可以在輸入傳感光纖端口熔接保偏耦合器分一路光來接探測器，由計算 機獲取光源波動因子，在計算光信號時給予剔除光源的擾動。
4、 按權(quán)利要求l所述的偏振光纖傳感器，其特征在于單路或雙路解調(diào)；解調(diào)器為單列 探測器、陣列探測器或光譜儀。
5 、按權(quán)利要求1所述的偏振光纖傳感器，其特征在于傳感區(qū)設(shè)置附加傳感元件測量除 上述參數(shù)的實際需要。
6、 按權(quán)利要求l所述的偏振光纖傳感器,其特征在于傳感區(qū)域上多個力、溫度、扭曲 作用的集中變化的測量。
7、 按權(quán)利要求l所述的偏振光纖傳感器，其特征在于光纖選用單模光纖，優(yōu)選偏振保 持光纖，比如橢圓形或"熊貓"型光纖等。
8、 按權(quán)利要求l所述的偏振光纖傳感器,其特征在于傳感末端設(shè)置反射鏡，優(yōu)選l:l 保偏耦合器構(gòu)成的非線性環(huán)境。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種偏振光纖傳感器，光源經(jīng)起偏器后輸出一個線偏振模，以偏振耦合方式入射兩個線偏振模到保偏光纖中，保偏光纖上任何一點有溫度變化或應(yīng)力或扭曲等作用時，這兩個線偏振模再次偏振耦合，通過檢偏器時干涉，由此確定作用點位置及作用量。本發(fā)明的優(yōu)點在于快速簡單解調(diào)獲得高空間分辨率和高靈敏度，能嵌入到特殊結(jié)構(gòu)中，比如橋梁、大壩、山體、建筑物、船舶、飛行器、貯存器等實體中檢測以確定健康、維護需求、壽命和其它特性。
文檔編號G01D5/26GK101526376SQ20081004487
公開日2009年9月9日 申請日期2008年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月4日
發(fā)明者劉永智, 張利勛 申請人:電子科技大學(xué)