基于可调分光比光纤全谱反射镜的准分布白光干涉应变传感系统

摘要

本发明提供了可调分光比光纤全谱反射镜而构成的准分布式白光干涉应变传感器系统。该准分布式白光干涉应变传感器系统包括宽谱光源、光纤环形器、连接光纤、2×2光纤耦合器、固定参考臂的定长光纤部分和配长光纤部分、可调分光比光纤全谱反射镜、可调参考臂、自聚焦光纤准直镜、移动镜、步进电机、光电探测器、数据采集卡和计算机。导引光纤是连接主体部分与传感器的光纤，导引光纤的长度与传感光纤的长度差大于几厘米以上。传感器由两个可调分光比的光纤全谱反射镜和传感光纤组成。传感器可以级联多个构成分布式传感器，从而实现多点分布式测量。本发明实现了对透射光和反射光的分光比的良好控制，具有结构稳定、环境适应性好、可移植性好、适合工程化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微米形变测量传感器，是一种基于可调分光比光纤全谱反射镜的准分布白光干涉应变传感器及其测量系统。

背景技术

传统的光纤全谱反射镜是一种在切平的光前端面上镀铬膜或铝膜，再与另外一个切平的光纤端面紧配合在同一个玻璃套管中，通过调节与另一个光纤端面之间形成的空气间隙来调节反射光和透射光的分光比例，又称为分光比。这样构成的全谱反射镜尽管可以把入射光按一定的比例分为反射光和透过光，但是难以实现对分光比的精细控制。因为空气间隙容易受到环境温度、湿度等的影响，进而影响其分光比。这种办法制作的光纤全谱反射镜具有制作复杂、性能不稳定、不易工程化使用等缺点，因而一直无法应用到实践当中。

另一种办法就是使用啁啾光纤光栅制作的光纤全谱反射镜，这样制作的全谱反射镜需要在大约10厘米左右的光纤长度上实现，也不能够应用于白光干涉仪中，因此研究分光比稳定的光纤全谱反射镜就成为准分布白光干涉应变传感器在实际工程中应用的关键。

发明内容

本发明提供了一种分光比可调、性能稳定、可工程化的、光纤全谱反射镜，以及基于该可调分光比光纤全谱反射镜而构成的准分布白光干涉应变传感器系统。

本发明采用的技术方案如下：

该准分布白光干涉应变传感器包括主体部分、导引光纤和传感器三部分。

主体部分包括宽谱光源、光纤环形器、连接光纤、2×2光纤耦合器、固定参考臂的定长光纤部分和配长光纤部分、可调分光比光纤全谱反射镜、可调参考臂的光纤部分和空气光程部分、自聚焦光纤准直镜、移动镜、步进电机、光电探测器、数据采集卡和计算机。其中固定参考臂是由定长光纤、配长光纤和可调分光比的光纤全谱反射镜组成，定长光纤的光程等于可调参考臂光纤部分加上空气部分的总光程，配长光纤的长度与传感光纤长度相等。

导引光纤是连接主体部分与传感器的光纤，导引光纤的长度与传感光纤的长度差大于几厘米以上，在不对测量造成影响的前提下，其长度能够任意调节。

传感器是由两个可调分光比的光纤全谱反射镜和传感光纤组成，光纤全谱反射镜由2×2光纤耦合器组成，包括耦合部分和环接部分组成。传感光纤是根据需要选定的特殊光纤，比如抗弯光纤等，传感光纤的长度可以根据测量的需要选择相应的长度；在传感光纤的输入端接上第一可调分光比的光纤全谱反射镜，在传感光纤的输出端接上第二可调分光比的光纤全谱反射镜，构成传感器；这样的传感器可以级联多个构成准分布式应变传感器，从而实现多点分布式测量。而且传感器的多级级联可以共用一个可调参考臂的配长光纤，形成由不同尺度的传感光纤构成准分布白光干涉应变传感系统。级联的多个传感器的最长传感光纤和最短传感光纤长度之差，要小于可调参考臂空气部分的光程除以传感光纤的光学折射率。

宽谱光源经过第一连接光纤连接到光纤环形器的一个输入端后，光纤环形器的输出端通过第1导引光纤连接到传感器上，光纤环形器的另一输入端通过第二连接光纤连接到一个2×2光纤耦合器上；光纤耦合器的一个输出端连接到固定参考臂的定长光纤上，该定长光纤又与配长光纤相连后连接到第三可调分光比的光纤全谱反射镜上。

2×2光纤耦合器的另一个输出端连接到可调参考臂的光纤部分；可调参考臂的光纤部分再连接到自聚焦光纤准直器上，自聚焦光纤准直器与移动镜之间形成准直光路；2×2光纤耦合器输入端通过第三连接光纤连接到光电探测器上；光电探测器与数据采集卡相连，计算机获取数据实现对步进电机的精细控制。

下面详细叙述等光程的构成：

光程1为传感器的光程，设为A；

光程2为导引光线光程，设为B；

光程3为可调参考臂的总光程，设为C；

光程4为固定参考臂的定长光纤部分加光程，设为D；

光程5为固定参考臂的配长光纤部分光程，设为E；

设为A+B+C＝B+D+E。由于左右两边都含有B，所以B不会对测量产生影响，正是这一特点为远距离测量提供了可能，使得导引光纤能够延伸而不会对测量产生误差。又因为传感光纤光程A和固定参考臂的配长光纤光程E相等，这样传感光纤的长度可以根据需要任意的选择，只要选择等长的固定参考臂的配长光纤使两者光程相等，既可以进行相应的形变测量。

本发明采用了可调分光比光纤全谱反射镜，实现了对透射光和反射光的分光比的良好控制，具有结构稳定、环境适应性好、可移植性好、适合工程化。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：1宽谱光源；2第一连接光纤；3光纤环形器；4导引光纤；

5第一可调分光比光纤全谱反射镜；6传感光纤；

7第二可调分光比光纤全谱反射镜；8第二连接光纤；92×2光纤耦合器；

10固定参考臂的定长光纤部分；11FC/APC接头；

12固定参考臂的配长光纤部分；13第三可调分光比光纤全谱反射镜；

14可调参考臂的光纤部分；15自聚焦光纤准直器；

16可调参考臂的空气部分；17移动镜；18步进电机；19第三连接光纤；

20光电探测器；21数据采集卡；22计算机。

图2是可调分光比光纤全谱反射镜示意图。图2中的光程为：光线从I端进入，经I -III-IV-I和I-IV-III-I返回，实现光纤全谱反射镜功能；经I-III-IV-II和I-IV-III-II实现光纤全谱透射镜功能。若耦合器的分光比为a∶b，则光纤全谱反射和全谱透射的比，即分光比为：2ab∶(a²+b²)

图3是本发明实际测量的两个白光干涉图。

A图为发生形变前的步进电机位置；B图为发生形变后的步进电机位置。

图4是基于可调分光比光纤全谱反射镜的分布式光纤白光干涉结构图。

图5是基于可调分光比光纤全谱反射镜的分布式光纤白光干涉的等效原理图。

具体实施方式

实施例1：基于可调分光比光纤全谱反射镜的单个白光干涉传感器的形变测量

基于可调分光比光纤全谱反射镜：在这个基于可调分光比光纤全谱反射镜中，一个分光比为a∶b的2×2光纤耦合器所构成的光纤全谱反射镜如图2所示。因为光纤耦合器的分光比的确定是根据入射光纤端子确定的，也就是说分光比为a的子总端是和入射光的端子在同一侧。即自I端入射的光强I_A，则在III端获得光强为aI_A；而当同样的光强从入射端子II端入射时，则IV端获得的光强为aI_A。这样：当入射光从I端入射到2×2耦合器中时，III和IV端的光强分别为aI_A和bI_A。而III端的光经过环接部分接到IV端时，会再次经过分光比为a∶b的2×2耦合器，此时II端获得的光强为a²I_A；而另一方面IV端的光强也经过同一个环接部分接到同一个2×2耦合器上的III端，这样IV端在II端上的分光为b²I_A。综合上面的分光规律，在II端获得的总的光功率为I_B＝(a²+b²)I_A。被反射回I端得光强为(1-a²-b²)I_A＝2abI_A(因为a+b＝1)。特别的，若a∶b＝50∶50，则在II端得的光功率与I端入射的光强I_A之间的关系为：I_B＝(a²+b²)I_A＝(0.25+0.25)I_A＝0.5I_A，也就是说有50％的光强可以传递到II端。同样反射回I端得光强也是0.5I_A。

传感器和主体系统：光强从第一可调分光比光纤全谱反射镜5透射后，经过传感光纤6接到第二可调分光比光纤全谱反射镜7，光从第二可调分光比光纤全谱反射镜7反射后再一次经过传感光纤6回到第一可调分光比光纤全谱反射镜5，经过第1导引光纤4、光纤环形器3和第二连接光纤8，连接到一个50∶50分光的2×2光纤耦合器9的一个入射端上，这个光强再一次被分成两路，一路连接到固定参考臂，该固定参考臂由固定参考臂的定长光纤部分10通过FC/APC接头11连接到固定参考臂的配长光纤部分，再连接第三可调分光比光纤全谱反射镜12构成，反射光再一次经过固定参考臂的定长光纤、配长光纤回到2×2光纤耦合器9，通过第三连接光纤19到达光电探测器20；被分成两路的另外一路连接到可调参考臂的光纤部分14上，可调参考臂的光纤部分14的另一端接自聚焦光纤准直器15，变成平行光后经过空气介质16入射到移动镜17上，被该移动镜反射后再次回到自聚焦光纤准直器15中，经过可调节参考臂的光纤部分14回到2×2光纤耦合器9中，同样经过第三连接光纤19，到达光电探测器20。该光电探测器把光强信号转换为模拟电信号，再经过数据采集系统21转换为相应的数字信号，存到计算机22中。计算机22的软件系统，实现对步进电机18的位置进行精细控制并对数据进行处理。其中当固定参考臂的总光程和可调参考臂的总光程之差与传感器的光程长度相等时，到达光电探测器上的两束光满足等相位条件，从而在光电探测器20上即可获得白光干涉条纹输出，并根据步进电机18的当前读数确定移动镜17的当前位置，并利用这个位置来标定传感器测得的位置L。

测量时：按照系统的要求安装传感器，并选择与传感光纤等长的光纤作为配长光纤接入到固定参考臂的配长光纤位置，启动系统测到一个白光干涉的主极大条纹输出时，也就是形变发生以前的干涉图如图3(A)所示。此时步进电机的位置和自聚焦准直镜的实际距离，就是如图1中所示的传感器的光程为L，可调参考臂的空气部分光程的长度L₁₆，这时固定参考臂的总光程为定长光纤加上配长光纤，其总物理长度为L_D；而可调参考臂的光纤部分14、自聚焦光纤准直器15所形成的总光程为L₁₄，可调参考臂的空气光程部分的物理长度L₁₆除以光纤折射率n就可以和光纤的光程相比较。根据固定参考臂的总光程等于可调参考臂光纤部分、空气部分和传感器的光程之和，

则有：L_D＝L+L₁₄+L₁₆/n          (1)

式中n为光纤的折射率；L_D是固定参考臂定长光纤加上配长光纤的总光程；L是传感光纤的光程；L₁₄是可调参考臂光纤部分和自聚焦光纤准直器15形成的总光程；可调参考臂的空气光程部分的物理长度L₁₆。

当传感器上有一个微小形变ΔL时，传感器的长度变为L±ΔL时，此时再次重复测量移动镜17的位置，这时可以测量出形变发生后的、新的可调参考臂空气光程部分的物理长度L₁₆μΔ对应的白光干涉的主极大条纹输出如图3(B)所示。这时：

L_D＝L±ΔL+L₁₄+(L₁₆μΔ)/n     (2)

通过读取步进电机的位置，可以测到可调参考臂空气光程的物理长度L₁₆的变化量Δ，公式(2)减去公式(1)则有：

ΔL＝Δ/n                      (3)

根据公式(3)可以计算出传感器的形变量ΔL。比如读出图3中Δ为20微米，我们取康宁公司的单模光纤折射率n＝1.429计算，则传感光纤感知的形变为ΔL＝14微米。

系统的精度由步进电机的精度决定，目前市场上可以买到的步进电机的精度为1.25微米。考虑正负一个字的误差，保守的测量精度为3个微米左右。

实施例2：基于可调分光比光纤全谱反射镜的分布式白光干涉测量系统

如图5所示：多个传感器级联情形下，固定参考臂的配长光纤长度与传感器传感最长光纤长度相等，通过调整可调参考臂的空白光程部分的长度获得其他各传感器的等光程输出。各传感器初始型变量的干涉图示于图中的下面。当传感器感受到应变时，这些干涉图的位置如同图1的原理一样给出相应传感器的型变量。