一種利用光纖薩格納克干涉儀測(cè)量應(yīng)變的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種利用光纖薩格納克干涉儀測(cè)量應(yīng)變的方法，所述方法包括如下步驟：a)搭建級(jí)聯(lián)Sagnac干涉儀測(cè)量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括寬帶光源泵浦源、第一摻雜稀土元素光纖、第二摻雜稀土元素光纖、一支波分復(fù)用器、第一光耦合器、第二光耦合器、第一光纖Sagnac環(huán)、隔離器、第二光纖Sagnac環(huán)、光譜儀；b)將第一光纖Sagnac環(huán)和第二光纖Sagnac環(huán)與可控應(yīng)變的應(yīng)變材料貼合，進(jìn)行應(yīng)變標(biāo)定；c)逐漸增加應(yīng)變的大小，光譜儀采集第二光纖Sagnac環(huán)輸出的光譜，記錄梳狀譜移動(dòng)的長(zhǎng)度，擬合梳狀譜波長(zhǎng)偏移隨應(yīng)變變化的關(guān)系曲線；d)將標(biāo)定好的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)與待測(cè)應(yīng)變材料進(jìn)行貼合；e)利用所擬合的梳狀譜波長(zhǎng)偏移隨應(yīng)變變化的關(guān)系曲線對(duì)待測(cè)應(yīng)變材料進(jìn)行測(cè)量。
【專利說明】
-種利用光纖薩格納克干潰儀測(cè)量應(yīng)變的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光纖干設(shè)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種利用光纖薩格納克干設(shè)儀測(cè)量應(yīng)變的方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 通常，光纖化的傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)測(cè)試量敏感、傳輸信道多等 優(yōu)勢(shì)廣泛地應(yīng)用于光纖傳感、光纖通信、光學(xué)加工等領(lǐng)域。通過光纖端面微加工技術(shù)或搭建 具有干設(shè)結(jié)構(gòu)的全光纖傳感器，在累浦源作用下，輸出具有梳狀譜圖樣的干設(shè)譜曲線。2011 年范林勇等人設(shè)計(jì)了一種基于雙忍光纖的馬赫-曾德干設(shè)儀，應(yīng)用于磁場(chǎng)、溫度和應(yīng)變量的 測(cè)量，干設(shè)條紋襯幅比約為10地m，條紋間隔約為2皿。2013年鄒弁等人用兩支3地禪合器制 成馬赫-曾德干設(shè)系統(tǒng)，結(jié)合雙忍光纖，構(gòu)成雙級(jí)結(jié)構(gòu)的馬赫-曾德干設(shè)儀，條紋襯幅比約為 30地m。光纖馬赫-曾德干設(shè)儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、條紋襯比度高、梳狀譜密集等優(yōu)勢(shì)，常被用于 光纖傳感領(lǐng)域。
[0003] 按照物理學(xué)定義，物體由于受力的變化而發(fā)生變形時(shí)，在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生 相互作用的內(nèi)力，W抵抗運(yùn)種外力的作用，并力圖使物體從變形后的位置回復(fù)到變形前的 位置。在所考察的截面某一點(diǎn)單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。應(yīng)力會(huì)隨著外力的增加而增長(zhǎng)， 對(duì)于某一種材料，應(yīng)力的增長(zhǎng)是有限度的，超過運(yùn)一限度，材料就要破壞。對(duì)某種材料來說， 應(yīng)力可能達(dá)到的運(yùn)個(gè)限度稱為該種材料的極限應(yīng)力。材料要想安全使用，在使用時(shí)其內(nèi)的 應(yīng)力應(yīng)低于它的極限應(yīng)力，否則材料就會(huì)在使用時(shí)發(fā)生破壞。因此在工程上，測(cè)量材料的應(yīng) 力是一項(xiàng)非常重要的物理指標(biāo)。應(yīng)變測(cè)量常見的方法是應(yīng)變電測(cè)法，是通過電阻應(yīng)變片測(cè) 出構(gòu)件表面的應(yīng)變后，根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系來確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)的一種實(shí)驗(yàn)應(yīng)力的 分析方法。然而，此種方法測(cè)量應(yīng)變的精度并不是很高，不能滿足一些高精度場(chǎng)合的需求。
[0004] 級(jí)聯(lián)Sagnac干設(shè)儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)由兩個(gè)光纖Sagnac環(huán)組成烙接在 兩段滲雜稀±元素光纖中，滲雜稀±光纖也被用作為傳感器的增益介質(zhì)。因此，需要一種能 有利用基于級(jí)聯(lián)Sagnac干設(shè)儀精確測(cè)量應(yīng)變大小的系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種利用光纖薩格納克干設(shè)儀測(cè)量應(yīng)變的方法，在一個(gè)方 面，本發(fā)明所述的測(cè)量方法包括如下步驟：
[0006] a)搭建級(jí)聯(lián)Sagnac干設(shè)儀測(cè)量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括依次連接的寬帶光源累浦源、 第一滲雜稀上元素光纖、第二滲雜稀上元素光纖、一支波分復(fù)用器、第一光纖Sagnac環(huán)、隔 離器、第二光纖Sagnac環(huán)、光譜儀；
[0007] b)將第一光纖Sagnac環(huán)和第二光纖Sagnac環(huán)與可控應(yīng)變的應(yīng)變材料貼合，進(jìn)行應(yīng) 變標(biāo)定；
[000引C)逐漸增加應(yīng)變的大小，光譜儀采集第二光纖Sagnac環(huán)輸出的光譜，記錄梳狀譜 移動(dòng)的長(zhǎng)度，擬合梳狀譜波長(zhǎng)偏移隨應(yīng)變變化的關(guān)系曲線；
[0009 ] d)將標(biāo)定好的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)與待測(cè)應(yīng)變材料進(jìn)行貼合；
[0010] e)利用所擬合的梳狀譜波長(zhǎng)偏移隨應(yīng)變變化的關(guān)系曲線對(duì)待測(cè)應(yīng)變材料進(jìn)行測(cè) 量。
[0011] 在一個(gè)方面，所述的測(cè)量方法，所述第一光纖Sagnac環(huán)包括保偏光纖、偏振控制 器，所述第二光纖Sagnac環(huán)包括保偏光纖、偏振控制器;所述第一光纖Sagnac環(huán)與第一滲雜 稀±元素光纖通過第一光禪合器連接，所述第二光纖Sagnac環(huán)與第二滲雜稀±元素光纖通 過第二光禪合器連接。
[0012] 在一個(gè)方面，所述的測(cè)量方法，經(jīng)過所述第一光纖Sagnac環(huán)射出的光進(jìn)入第二光 纖Sagnac環(huán)進(jìn)行二次過濾。
[0013] 在一個(gè)方面，所述的測(cè)量方法，所述步驟a)中連接方式為烙接連接。
[0014] 在一個(gè)方面，所述的測(cè)量方法，所述步驟C)中增加應(yīng)變大小的方法為拉伸、彎曲、 振動(dòng)或擠壓。
[0015] 在一個(gè)方面，所述的測(cè)量方法，所述滲雜稀±元素光纖作為光纖傳感器的增益介 質(zhì)。
[0016] 在一個(gè)方面，所述的測(cè)量方法，所述的波分復(fù)用器對(duì)累浦光進(jìn)行禪合，所述禪合后 的累浦光進(jìn)入所述滲雜光纖。
[0017] 在一個(gè)方面，所述的測(cè)量方法，所述的梳狀譜波長(zhǎng)偏移隨應(yīng)變變化的關(guān)系曲線通 過線性擬合或者最小二乘法進(jìn)行擬合。
[0018] 在一個(gè)方面，所述的測(cè)量方法，所述第一 Sagnac環(huán)中所述的保偏光纖長(zhǎng)度為2m，所 述第二Sagnac環(huán)中所述的保偏光纖長(zhǎng)度為Im。
[0019] 在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種用于所述應(yīng)變測(cè)量方法的級(jí)聯(lián)Sagnac干設(shè)儀測(cè) 量系統(tǒng)，所述測(cè)量系統(tǒng)包括依次連接的寬帶光源累浦源、一支波分復(fù)用器、第一滲雜稀±元 素光纖、第一光禪合器、第一光纖Sagnac環(huán)、第二光禪合器、第二光纖Sagnac環(huán)、第二滲雜稀 ±元素光纖、光譜儀;所述第一光纖Sagnac環(huán)包括保偏光纖、偏振控制器、隔離器，所述第二 光纖Sagnac環(huán)包括保偏光纖、偏振控制器、隔離器;所述第一光纖Sagnac環(huán)與第一滲雜稀± 元素光纖通過第一光禪合器連接，所述第二光纖Sagnac環(huán)與第二滲雜稀±元素光纖通過第 二光禪合器連接。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明利用基于級(jí)聯(lián)Sagnac干設(shè)儀的應(yīng)變測(cè)量方法可W精確測(cè)量應(yīng)變，所搭 建的光纖激光器結(jié)構(gòu)小巧簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，便攜性好，易于在多種場(chǎng)合應(yīng)用。
[0021] 應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應(yīng)當(dāng) 用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。
【附圖說明】
[0022] 參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過本發(fā)明實(shí)施方式的如下 描述得W闡明，其中：
[0023] 圖1示意性示出本發(fā)明級(jí)聯(lián)Sagnac干設(shè)儀應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)；
[0024] 圖2示出了本發(fā)明級(jí)聯(lián)Sagnac環(huán)的工作原理；
[0025] 圖3示出了本發(fā)明梳狀譜波長(zhǎng)偏移隨應(yīng)變變化的波形圖；
[0026] 圖4示出了本發(fā)明梳狀譜波長(zhǎng)偏移隨應(yīng)變變化的曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 通過參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能W及用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)些目的和功能的方 法將得W闡明。然而，本發(fā)明并不受限于W下所公開的示范性實(shí)施例;可W通過不同形式來 對(duì)其加 W實(shí)現(xiàn)。說明書的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。
[0028] 在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同 或類似的部件，或者相同或類似的步驟。
[0029] 本發(fā)明提供了一種利用光纖薩格納克干設(shè)儀測(cè)量應(yīng)變的方法，本實(shí)施例中，如圖1 所示級(jí)聯(lián)Sagnac干設(shè)儀應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，所述的級(jí)聯(lián)Sagnac干設(shè)儀測(cè)量系統(tǒng)，包括依次連接 的寬帶光源累浦源101、一支波分復(fù)用器102、第一滲雜稀±元素光纖103、第一光纖Sagnac 環(huán)104、隔離器105、第二光纖Sa即ac環(huán)106、第二滲雜稀±元素光纖107、光譜儀108;級(jí)聯(lián) Sagnac干設(shè)儀第一光纖Sagnac環(huán)104包括保偏光纖109日、偏振控制器110a，第二光纖Sagnac 環(huán)106包括保偏光纖109b、偏振控制器11化。第一光纖Sagnac環(huán)104與第一滲雜稀±元素光 纖103通過第一光禪合器111連接，第二光纖Sagnac環(huán)106與第二滲雜稀±元素光纖107通過 第二光禪合器112連接。第一光纖Sagnac環(huán)104中，保偏光纖109a長(zhǎng)度為1.5m-2.5m，優(yōu)選2m; 第二光纖Sa即ac環(huán)106中，保偏光纖109b長(zhǎng)度為0.5m-l. 5m，優(yōu)選Im。寬帶光源累浦源101發(fā) 出的光經(jīng)過波分復(fù)用器102與光纖中的光禪合成一束，通過第一滲雜稀±元素光纖103后進(jìn) 入第一光纖Sagnac環(huán)104中分成兩束光進(jìn)行干設(shè)，干設(shè)后的光經(jīng)過第一光禪合器111后進(jìn)入 到第二光纖Sagnac環(huán)106中分成兩束光進(jìn)行干設(shè)，干設(shè)后的光經(jīng)過第二光禪合器112后進(jìn)入 第二滲雜稀上元素光纖107,通過光譜儀108采集光信號(hào)。第一光纖Sagnac環(huán)104與第二光纖 Sagnac環(huán)106之間布置的隔離器105保證了光沿一個(gè)方向的傳播。下面具體描述光在傳輸過 程的中的原理：
[0030] 圖2所示級(jí)聯(lián)Sagnac環(huán)的工作原理，光通過第一滲雜稀±元素光纖203進(jìn)入第一光 纖Sagnac環(huán)204中的光被分為兩束。在第一光纖Sagnac環(huán)中偏振控制器210a和保偏光纖 209a保證線偏振方向不變。第一光纖Sagnac環(huán)204的透射率可W表示為：
[0031]
y)
[0032] 其中Θ1為透過保偏光纖后的偏振角度，Θ2為透過偏振控制器后的偏振角度，β是 Sagnac環(huán)的傳播常數(shù)，L為保偏光纖的長(zhǎng)度，Δη為雙折射率。經(jīng)過所述第一光纖Sagnac環(huán) 204射出的光通過第一禪合器211后進(jìn)入第二光纖Sagnac環(huán)206進(jìn)行二次過濾，偏振控制器 21化和保偏光纖209b保證線偏振方向不變，透射強(qiáng)度lout表示為：
[0036]其中tl和t2為Sagnac環(huán)的透射率，射出的光通過第二禪合器212禪合，經(jīng)第二滲雜 稀±元素光纖207后由光譜儀采集輸出的梳狀譜。第一光纖Sagnac環(huán)204與第二光纖Sagnac 環(huán)206之間布置的隔離器205保證了光沿一個(gè)方向的傳播。采集的梳狀譜中，相鄰峰值的波 長(zhǎng)間隔與中屯、波長(zhǎng)、偏振態(tài)、光纖長(zhǎng)度有關(guān)。應(yīng)用該梳狀譜進(jìn)行傳感測(cè)試，當(dāng)干設(shè)儀受到外 界影響導(dǎo)致兩臂光程差發(fā)生改變時(shí)，干設(shè)梳狀譜發(fā)生變化，干設(shè)條紋產(chǎn)生移動(dòng)。
[0037]下面具體描述本實(shí)施例中利用光纖薩格納克干設(shè)儀測(cè)量應(yīng)變的方法:具體步驟如 下:搭建級(jí)聯(lián)Sagnac干設(shè)儀測(cè)量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括依次通過烙接的方式連接的寬帶光源 累浦源101、一支波分復(fù)用器102、第一滲雜稀±元素光纖103、第一光纖Sagnac環(huán)104、隔離 器105、第二光纖Sagnac環(huán)106、第二滲雜稀±元素光纖107、光譜儀108;級(jí)聯(lián)Sagnac干設(shè)儀 第一光纖Sagnac環(huán)104包括保偏光纖109a、偏振控制器110a，第二光纖Sagnac環(huán)106包括保 偏光纖109b、偏振控制器110b。第一光纖Sagnac環(huán)104與第一滲雜稀±元素光纖103通過第 一光禪合器111連接，第二光纖Sagnac環(huán)106與第二滲雜稀±元素光纖107通過第二光禪合 器112連接。將第一光纖Sagnac環(huán)104和第二光纖Sagnac環(huán)106與可控應(yīng)變的應(yīng)變材料113貝占 合，選取環(huán)氧樹脂化poxy Resin)或丙締酸醋作為膠粘劑，W膠粘方式分別將第一光纖 Sagnac環(huán)104和第二光纖Sagnac環(huán)106固定在材料113的表面上，進(jìn)行應(yīng)變標(biāo)定。通過應(yīng)變控 制器114在外加力的條件下對(duì)材料113拉伸、彎曲、振動(dòng)或擠壓，優(yōu)選地，本實(shí)施例中采用對(duì) 材料進(jìn)行拉伸，逐漸增加應(yīng)變材料應(yīng)變的大小引起干設(shè)儀偏振態(tài)發(fā)生相應(yīng)變化從而導(dǎo)致梳 狀譜發(fā)生紅移或藍(lán)移，隨著拉伸長(zhǎng)度的增加，即軸向微應(yīng)力增大，梳狀濾波器的傳輸譜向短 波方向移動(dòng)。光譜儀108采集第二光纖Sagnac環(huán)106輸出的梳狀譜，如圖3所示梳狀譜波長(zhǎng)偏 移隨應(yīng)變變化的波形圖，記錄梳狀譜移動(dòng)的長(zhǎng)度，擬合梳狀譜波長(zhǎng)偏移隨應(yīng)變變化的曲線， 如圖4所示梳狀譜波長(zhǎng)偏移隨應(yīng)變變化的曲線，曲線擬合可采用線性擬合，如公式5所示。 [003引 y = ax+b (5)
[0039]曲線擬合也可采用最小二乘擬合，由下述等式(6)和(7)可推出擬合曲線。
[0042] 解方程組，求出ao和ai，就可構(gòu)造出滿足平方逼近條件的逼近函數(shù)。
[0043] f (x) =ao+aix (8)。
[0044] 將標(biāo)定好的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)與待測(cè)應(yīng)變材料進(jìn)行貼合。利用所擬合的梳狀譜波長(zhǎng)偏 移隨應(yīng)變變化曲線對(duì)待測(cè)應(yīng)變材料進(jìn)行測(cè)量。
[0045] 結(jié)合運(yùn)里披露的本發(fā)明的說明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員 都是易于想到和理解的。說明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均 由權(quán)利要求所限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種利用光纖薩格納克干涉儀測(cè)量應(yīng)變的方法，其特征在于，所述方法包括如下步 驟： a) 搭建級(jí)聯(lián)Sagnac干涉儀測(cè)量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括寬帶光源栗浦源、第一摻雜稀土元 素光纖、第二摻雜稀土元素光纖、一支波分復(fù)用器、第一光親合器、第二光親合器、第一光纖 Sagnac環(huán)、隔離器、第二光纖Sagnac環(huán)、光譜儀； b) 將第一光纖Sagnac環(huán)和第二光纖Sagnac環(huán)與可控應(yīng)變的應(yīng)變材料貼合，進(jìn)行應(yīng)變標(biāo) 定； c) 逐漸增加應(yīng)變的大小，光譜儀采集第二光纖Sagnac環(huán)輸出的光譜，記錄梳狀譜移動(dòng) 的長(zhǎng)度，擬合梳狀譜波長(zhǎng)偏移隨應(yīng)變變化的關(guān)系曲線； d) 將標(biāo)定好的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)與待測(cè)應(yīng)變材料進(jìn)行貼合； e) 利用所擬合的梳狀譜波長(zhǎng)偏移隨應(yīng)變變化的關(guān)系曲線對(duì)待測(cè)應(yīng)變材料進(jìn)行測(cè)量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述第一光纖Sagnac環(huán)包括保偏光 纖、偏振控制器，所述第二光纖Sagnac環(huán)包括保偏光纖、偏振控制器;所述第一光纖Sagnac 環(huán)與第一摻雜稀土元素光纖通過第一光耦合器連接，所述第二光纖Sagnac環(huán)與第二摻雜稀 土元素光纖通過第二光耦合器連接。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測(cè)量方法，其特征在于，經(jīng)過所述第一光纖Sagnac環(huán)射出 的光進(jìn)入第二光纖Sagnac環(huán)進(jìn)行二次過濾。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于，步驟a)中所述連接為熔接方式。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于，步驟c)中所述的增加應(yīng)變大小的方法 為拉伸、彎曲、振動(dòng)或擠壓。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述摻雜稀土元素光纖作為光纖傳感 器的增益介質(zhì)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述的波分復(fù)用器對(duì)栗浦光進(jìn)行耦 合，所述耦合后的栗浦光進(jìn)入所述摻雜光纖。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述的梳狀譜波長(zhǎng)偏移隨應(yīng)變變化的 關(guān)系曲線通過線性擬合或者最小二乘法進(jìn)行擬合。9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述第一 Sagnac環(huán)中所述的保偏光纖 長(zhǎng)度為1.5m-2.5m，所述第二Sagnac環(huán)中所述的保偏光纖長(zhǎng)度為0.5m-l. 5m。10. -種用于權(quán)利要求1所述應(yīng)變測(cè)量方法的級(jí)聯(lián)Sagnac干涉儀測(cè)量系統(tǒng)，其特征在 于，所述測(cè)量系統(tǒng)包括依次連接的寬帶光源栗浦源、一支波分復(fù)用器、第一摻雜稀土元素光 纖、第一光親合器、第一光纖Sagnac環(huán)、隔離器、第二光親合器、第二光纖Sagnac環(huán)、第二摻 雜稀土元素光纖、光譜儀;所述第一光纖Sagnac環(huán)包括保偏光纖、偏振控制器，所述第二光 纖Sagnac環(huán)包括保偏光纖、偏振控制器;所述第一光纖Sagnac環(huán)與第一摻雜稀土兀素光纖 通過第一光耦合器連接，所述第二光纖Sagnac環(huán)與第二摻雜稀土元素光纖通過第二光耦合 器連接。
【文檔編號(hào)】G01B11/16GK105823429SQ201610166455
【公開日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年3月22日
【發(fā)明人】祝連慶, 何巍, 婁小平, 董明利, 劉鋒, 駱飛, 閆光
【申請(qǐng)人】北京信息科技大學(xué)