一種光纖應(yīng)變-應(yīng)力同時(shí)測(cè)量裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種光纖應(yīng)變-應(yīng)力同時(shí)測(cè)量裝置。包括寬帶光源、第一光纖耦合器、應(yīng)變測(cè)量傳感模塊、第二光纖耦合器、偏振控制器、應(yīng)力測(cè)量傳感模塊、光譜分析儀和信號(hào)處理器；寬帶光源連接第一光纖耦合器的第一輸入端；第一光纖耦合器的第一輸出端通過(guò)應(yīng)變測(cè)量傳感模塊連接第二光纖耦合器的第一輸入端，第一光纖耦合器的第二輸出端連接第二光纖耦合器的第二輸入端；第二光纖耦合器的第一輸出端依次通過(guò)偏振控制器和應(yīng)力測(cè)量傳感模塊連接第二光纖耦合器的第二輸出端；第一光纖耦合器的第二輸入端依次連接光譜分析儀和信號(hào)處理器。該裝置能實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和應(yīng)力變化的同時(shí)測(cè)量，且靈敏度高。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種光纖應(yīng)變—應(yīng)力同時(shí)測(cè)量裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖應(yīng)變-應(yīng)力測(cè)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(cè)量裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]準(zhǔn)確的光纖應(yīng)變-應(yīng)力測(cè)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(cè)量手段是使用光纖布拉格光柵①讓虹81'叫8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(zhǎng)發(fā)生一定的漂移，解調(diào)光柵耦合波長(zhǎng)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(mǎn)足高精度測(cè)量的需求。
[0003]為了滿(mǎn)足例如結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、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(cè)量的需求，國(guó)內(nèi)外研宄人員對(duì)光纖應(yīng)變-應(yīng)力測(cè)量進(jìn)行了大量的研宄。在光纖應(yīng)變測(cè)量方面，提出了基于光纖空氣泡？結(jié)構(gòu)的光纖應(yīng)變傳感器，實(shí)現(xiàn)了知!!!/^ ^較低溫度效應(yīng)的應(yīng)變測(cè)量；制作了基于光子晶體光纖的在線(xiàn)馬赫澤德干涉儀結(jié)構(gòu)，應(yīng)變測(cè)量靈敏度可達(dá)2.6。在光纖應(yīng)力測(cè)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(cè)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(cè)量，靈敏度可達(dá)711111/191然而，這些應(yīng)變或者應(yīng)力測(cè)量結(jié)構(gòu)無(wú)法同時(shí)測(cè)量應(yīng)變和應(yīng)力，且靈敏度均有待進(jìn)一步提尚。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]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(cè)量裝置，能實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和應(yīng)力變化的同時(shí)測(cè)量，且靈敏度高。
[0005]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(cè)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(cè)量傳感模塊、第二光纖耦合器、偏振控制器、應(yīng)力測(cè)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2X2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(guò)所述應(yīng)變測(cè)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(guò)所述偏振控制器和所述應(yīng)力測(cè)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(cè)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。
[0006]優(yōu)選地，所述應(yīng)變測(cè)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)。
[0007]優(yōu)選地，所述應(yīng)力測(cè)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。
[0008]優(yōu)選地，所述第一金屬板和所述第二金屬板的邊長(zhǎng)為4?9(3111，厚度為0.5?2(3111，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(zhǎng)度為0.5 ?0.9111。
[0009]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?5(3111。
[0010]總體而言，通過(guò)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:
[0011]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(cè)量過(guò)程中實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和應(yīng)力的同時(shí)測(cè)量。
[0012]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)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的光纖應(yīng)變-應(yīng)力同時(shí)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2是應(yīng)變測(cè)量傳感模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3是應(yīng)力測(cè)量傳感模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:1-寬帶光源，2~第一光纖親合器，3-應(yīng)變測(cè)量傳感模塊，4-第二光纖親合器，5-偏振控制器，6-應(yīng)力測(cè)量傳感模塊，7-光譜分析儀，8-信號(hào)處理器，9-第一夾具，10-第二夾具，11-第一金屬板，12-保偏光子晶體光纖，13-第二金屬板。

【具體實(shí)施方式】
[0017]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0018]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的光纖應(yīng)變-應(yīng)力同時(shí)測(cè)量裝置包括寬帶光源1、第一光纖耦合器2、應(yīng)變測(cè)量傳感模塊3、第二光纖耦合器4、偏振控制器5、應(yīng)力測(cè)量傳感模塊6、光譜分析儀7和信號(hào)處理器8，其中，第一光纖耦合器2和第二光纖耦合器4均為2 X 2光纖親合器。寬帶光源1連接第一光纖親合器2的第一輸入端；第一光纖親合器2的第一輸出端通過(guò)應(yīng)變測(cè)量傳感模塊3連接第二光纖耦合器4的第一輸入端，第一光纖耦合器2的第二輸出端連接第二光纖耦合器4的第二輸入端；第二光纖耦合器4的第一輸出端依次通過(guò)偏振控制器5和應(yīng)力測(cè)量傳感模塊6連接第二光纖耦合器4的第二輸出端；第一光纖耦合器2的第二輸入端依次連接光譜分析儀7和信號(hào)處理器8。
[0019]具體地，第一光纖耦合器2和第二光纖耦合器4均為單模光纖器件，分光比均為50:50。第一光纖親合器2、應(yīng)變測(cè)量傳感模塊3、第二光纖親合器4、偏振控制器5和應(yīng)力測(cè)量傳感模塊6之間通過(guò)熔接方式連接，第一光纖耦合器2與寬帶光源1和光譜分析儀7之間利用光纖接頭通過(guò)法蘭盤(pán)對(duì)接。
[0020]如圖2所示，應(yīng)變測(cè)量傳感模塊3包括第一夾具9、光纖和第二夾具10。第一夾具9和第二夾具10固定夾持在光纖上，光纖在第一夾具9和第二夾具10之間的部分繃緊并承受應(yīng)力，第一夾具9的位置固定，第二夾具10能移動(dòng)。如圖3所示，應(yīng)力測(cè)量傳感模塊6包括第一金屬板11、保偏光子晶體光纖12和第二金屬板13。保偏光子晶體光纖12的中部以蜿蜒曲折的形式被平整地夾持在第一金屬板11和第二金屬板13之間。
[0021]下面結(jié)合圖1?3對(duì)上述光纖應(yīng)變-應(yīng)力同時(shí)測(cè)量裝置的工作原理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0022]寬帶光源1發(fā)出的光經(jīng)由第一光纖I禹合器2后分成兩束光，一束光經(jīng)過(guò)應(yīng)變測(cè)量傳感模塊3后達(dá)到第二耦合器4，另一束光直接到達(dá)第二光纖耦合器4，第一光纖耦合器2和第二光纖耦合器4之間構(gòu)成馬赫-澤德干涉結(jié)構(gòu)；到達(dá)第二光纖耦合器4的兩束光從第二光纖I禹合器4的輸出端出射，第二光纖|禹合器4、偏振控制器5和應(yīng)力測(cè)量傳感模塊6形成的閉環(huán)構(gòu)成薩格耐克干涉結(jié)構(gòu)，其中，偏振控制器5用于調(diào)整薩格耐克干涉結(jié)構(gòu)內(nèi)的偏振狀態(tài)，使干涉處于最佳狀態(tài)；從第二光纖I禹合器4輸出的光束在薩格耐克干涉環(huán)中分別以順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向傳播，之后再次到達(dá)第二光纖耦合器4，然后再逆向通過(guò)第一光纖耦合器2和第二光纖耦合器4之間構(gòu)成的馬赫-澤德干涉結(jié)構(gòu)，最后，光束經(jīng)由第一光纖耦合器2的第二輸入端輸出到達(dá)光譜分析儀7，得到光譜圖形和數(shù)據(jù)信息。
[0023]第二夾具10的移動(dòng)會(huì)造成光纖在第一夾具9和第二夾具10之間的部分發(fā)生應(yīng)變變化，使光纖長(zhǎng)度改變，進(jìn)而使第一光纖耦合器2和第二光纖耦合器4之間構(gòu)成的馬赫-澤德干涉結(jié)構(gòu)的兩臂光程差發(fā)生改變，最終體現(xiàn)在由光譜分析儀7得到的光譜圖形和數(shù)據(jù)信息上。在第一金屬板11上施加應(yīng)力會(huì)使保偏光子晶體光纖12橫截面上相互垂直的快軸和慢軸兩個(gè)方向上的折射率發(fā)生變化，進(jìn)而使保偏光子晶體光纖12中正交兩個(gè)模式通過(guò)薩格耐克干涉結(jié)構(gòu)的光程差發(fā)生改變，最終體現(xiàn)在由光譜分析儀7得到的光譜圖形和數(shù)據(jù)信息上。信號(hào)處理器8對(duì)光譜圖形和數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的應(yīng)變和應(yīng)力變化信息。
[0024]優(yōu)選地，馬赫-澤德干涉結(jié)構(gòu)的兩臂光程差為3?5(3111 ；第一金屬板11和第二金屬板13的邊長(zhǎng)為4?9(3111，厚度為0.5?2(3111，被夾持在第一金屬板11和第二金屬板13之間的保偏光子晶體光纖12的長(zhǎng)度為0.5?0.9111。
[0025]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種光纖應(yīng)變-應(yīng)力同時(shí)測(cè)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(cè)量傳感模塊、第二光纖耦合器、偏振控制器、應(yīng)力測(cè)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2X2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(guò)所述應(yīng)變測(cè)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(guò)所述偏振控制器和所述應(yīng)力測(cè)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(cè)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。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖應(yīng)變-應(yīng)力同時(shí)測(cè)量裝置，其特征在于，所述應(yīng)變測(cè)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)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光纖應(yīng)變-應(yīng)力同時(shí)測(cè)量裝置，其特征在于，所述應(yīng)力測(cè)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。
4.如權(quán)利要求3所述的光纖應(yīng)變-應(yīng)力同時(shí)測(cè)量裝置，其特征在于，所述第一金屬板和所述第二金屬板的邊長(zhǎng)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(zhǎng)度為0.5?0.9m。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的光纖應(yīng)變-應(yīng)力同時(shí)測(cè)量裝置，其特征在于，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 ?5cm0
【文檔編號(hào)】G01D21/02GK104482959SQ201410655133
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月18日
【發(fā)明者】魯平, 王順, 劉德明 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)