一种可同时测量温度和应变的光纤传感器

摘要

一种可同时测量温度和应变的光纤传感器，属于光纤传感技术领域，由泵浦源、波分复用器、3‑dB耦合器、保偏光纤、光纤光栅、固定基座、平移台、缠绕在固定基座和平移台之间的掺铒光纤、10:90光耦合器和随机光栅组成。本发明利用掺铒光纤提供光增益，通过泵浦源激光泵浦，Er3+吸收泵浦光，产生受激辐射，达到输出激光阈值以后，产生随机激光输出；Sagnac环路结构和光纤光栅作为温度传感，掺铒光纤缠绕装置作为应变传感，通过检测输出光的波长和强度变化，可实现同时对温度和应变的测量，具有制作工艺简单、成本低廉、灵敏度高等特点，可以针对不同环镜进行传感测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器，尤其涉及一种基于Sagnac环路结构和随机激光的光纤传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

光纤传感器的工作原理为光源发出的光经过光纤进入待测环镜中，由于环镜的温度、应变等因素变化使得光纤传感器中传输光的性质发生变化，分析二者相关性从而得到待测环镜参数。一般光纤传感器常采用宽带光源作为传感器的光源，其传感元件在感应环镜参数变化时，容易受到其他因素干扰从而导致传感器灵敏度偏低和待测范围受限。此外，常用应力光纤传感器的传感头采用在不同材质的光纤、光纤光栅以及特殊干涉仪等结构上架设固定台和平移台来施加应力，常用温度光纤传感器的传感头则采用光纤光栅和特殊结构的组合来感应温度并将其置于温度控制室中进行温度调节，而一种光纤传感器只能测量特定的环镜参数，应用范围单一。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的提供一种可同时测量温度和应变的光纤传感器，该光纤传感器具有结构简单、灵敏度高、稳定性好等特点。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案为：

一一种可同时测量温度和应变的光纤传感器，包括LD泵浦源(1)、波分复用器(2)、3-dB耦合器(3)、保偏光纤(4)、光纤光栅(5)、固定基座(6)、平移台(7)、缠绕在固定基座和平移台之间的掺铒光纤(8)、10:90光耦合器(9)、随机光栅(10)；所述的LD泵浦源(1)与波分复用器(2)的一端口(201)连接，波分复用器(2)二端口(202)与3-dB耦合器(3)的一端口(301)相连，3-dB耦合器(3)的另一端与保偏光纤(4)的两端相连，3-dB耦合器(3)四端口(304)与光纤光栅(5)相连，波分复用器(2)三端口(203)与缠绕在固定基座和平移台之间的掺铒光纤(8)的一端相连，缠绕在固定基座和平移台之间的掺铒光纤(8)另一端与10:90光耦合器(9)一端口(901)相连，10:90光耦合器(9)二端口(902)与随机光栅(10)连接。一段光纤光栅(5)中心波长与随机光栅(10)中心波长接近，随机光栅(10)提供随机激光反馈，随机激光从10:90光耦合器(9)三端口(903)输出，整个光纤传感器的左右两端光纤端面抛8°角。

本发明的有益效果：

1、采用随机激光作为光源，同采用普通宽带光源的光纤传感器相比，能很好地与光纤耦合，稳定性好，提高测量精度；

2、采用Sagnac环路结构和光纤光栅作为温度传感头，采用掺铒光纤缠绕装置作为应变传感头，可同时对温度和应力进行传感测量，有效提高温度灵敏性和应力灵敏性，提高传感器的分辨率，运行更稳定。

附图说明

下面结合附图及其实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一种可同时测量温度和应变的光纤传感器的结构示意图。

1为LD泵浦源，2为波分复用器；3为3-dB耦合器；4为保偏光纤；5为光纤光栅；6固定基座；7为平移台；8为缠绕在固定基座和平移台之间的掺铒光纤；9为10:90光耦合器；10为随机光栅；201为波分复用器一端口；202为波分复用器二端口；203为波分复用器三端口；301为3-dB耦合器一端口；302为3-dB耦合器二端口；303为3-dB耦合器三端口；404为3-dB耦合器四端口；901为10:90光耦合器一端口；902为10:90光耦合器二端口；903为10:90光耦合器三端口。

具体的实施方式

以下结合本发明的结构和工作原理作详细说明：

图1中，一种可同时测量温度和应变的光纤传感器，包括LD泵浦源1，波分复用器2、3-dB耦合器3、保偏光纤4、光纤光栅5、固定基座6、平移台7、缠绕在固定基座和平移台之间的掺铒光纤8、10:90光耦合器9、随机光栅10；所述的LD泵浦源1与波分复用器2的一端口201连接，波分复用器2二端口202与3-dB耦合器3的一端口301相连，3-dB耦合器3的另一端与保偏光纤4的两端相连，3-dB耦合器3四端口304与光纤光栅5相连，波分复用器2三端口203与缠绕在固定基座和平移台之间的掺铒光纤8的一端相连，缠绕在固定基座和平移台之间的掺铒光纤8另一端与10:90光耦合器9一端口901相连，10:90光耦合器9二端口902与随机光栅10连接。一段光纤光栅5中心波长与随机光栅10中心波长接近，随机光栅10提供随机激光反馈，随机激光从10:90光耦合器9三端口903输出。

一种可同时测量温度和应变的光纤传感器的工作原理：

一种可同时测量温度和应变的光纤传感器根据图1所示的各部件连接好，LD泵浦源1输出的980nm泵浦光由波分复用器2的一端口201进入波分复用器2中，由波分复用器2三端口203进入缠绕在固定基座和平移台之间的掺铒光纤8，激光将缠绕在固定基座和平移台之间的掺铒光纤8中的铒离子激发到高能级，从10:90光耦合器9一端口901进入，在10:90光耦合器9二端口902输出后在随机光栅10中振荡。在随机光栅10的反射下，部分光返回光路中，经过10:90光耦合器9、缠绕在固定基座和平移台之间的掺铒光纤8后，由波分复用器2二端口202进入3-dB耦合器3的一端口301，输入光进入3-dB耦合器3后分成两束强度相同的光，一束从3-dB耦合器3的二端口302输出沿顺时针方向传播，另一束从3-dB耦合器3的三端口303输出沿逆时针方向传播，由于保偏光纤4的双折射效应，两束光会产生相反的相位差，二者耦合后在3-dB耦合器3的四端口304可以形成干涉光谱，改变保偏光纤4的温度将导致Sagnac环路结构的的透射光谱发生偏移，从而可以实现对温度的传感，从3-dB耦合器3的四端口304输出的光在光纤光栅5进行波长选择，光经由光纤光栅5反射回光路中，在光路之间往返振荡，进行频率选择和模式选择，最终获得的随机激光从10:90光耦合器9的三端口903输出。当掺铒光纤缠绕装置的平移台7平移一段距离，使得相应激光发生变化，记录波长漂移量和强度变化量，多次实验后，计算出应力与波长和强度对应的灵敏度；当改变Sagnac环路结构区域的环镜温度，使得输出激光发生变化，记录波长漂移量和强度变化量，多次实验后，计算出应力与波长和强度对应的灵敏度。综合以上实验数据和理论分析后，可得到一个系数矩阵，当同时改变应力和温度时，先测出波长漂移量和强度变化量，通过该系数矩阵便可计算出对应的待测应力和温度。

实施例

图1为本发明一种可同时测量温度和应变的光纤传感器的结构示意图。其中LD泵浦源1激光波长为980nm，波分复用器2为980nm/1550nm，3-dB耦合器3为2×2，保偏光纤4长为20cm，3-dB耦合器3和保偏光纤4组成Sagnac环路结构，光纤光栅5长度为2cm，反射率95％～99％，中心波长为1550nm。固定基座和平移台之间的掺铒光纤8长度为2m，固定基座6和平移台7的高度均为10cm，二者之间的距离为0.22cm。10:90光耦合器9的耦合比为10:90，随机光栅10刻写在单模光纤上，长度为1cm，反射率为50％～95％。

一种可同时测量温度和应变的光纤传感器根据图1所示的各部件连接好，LD泵浦源1输出的980nm泵浦光由波分复用器2的一端口201进入波分复用器2中，由波分复用器2三端口203进入缠绕在固定基座和平移台之间的掺铒光纤8，激光将缠绕在固定基座和平移台之间的掺铒光纤8中的铒离子激发到高能级，从10:90光耦合器9一端口901进入，在10:90光耦合器9二端口902输出后在随机光栅10中振荡。在随机光栅10的反射下，部分光返回光路中，经过10:90光耦合器9、缠绕在固定基座和平移台之间的掺铒光纤8后，由波分复用器2二端口202进入3-dB耦合器3的一端口301，输入光进入3-dB耦合器3后分成两束强度相同的光，一束从3-dB耦合器3的二端口302输出沿顺时针方向传播，另一束从3-dB耦合器3的三端口303输出沿逆时针方向传播，由于保偏光纤4的双折射效应，两束光会产生相反的相位差，二者耦合后在3-dB耦合器3的四端口304可以形成干涉光谱，改变保偏光纤4的温度将导致Sagnac环路结构的的透射光谱发生偏移，从而可以实现对温度的传感，从3-dB耦合器3的四端口304输出的光在光纤光栅5进行波长选择，光经由光纤光栅5反射回光路中，在光路之间往返振荡，进行频率选择和模式选择，最终获得的随机激光从10:90光耦合器9的三端口903输出。当掺铒光纤缠绕装置的平移台7平移一段距离，使得相应激光发生变化，记录波长漂移量和强度变化量，多次实验后，计算出应力与波长和强度对应的灵敏度；当改变Sagnac环路结构区域的环镜温度，使得输出激光发生变化，记录波长漂移量和强度变化量，多次实验后，计算出应力与波长和强度对应的灵敏度。综合以上实验数据和理论分析后，可得到一个系数矩阵，当同时改变应力和温度时，先测出波长漂移量和强度变化量，通过该系数矩阵便可计算出对应的待测应力和温度。

以上实施例只是本发明所有方案中优选方案之一，其它对一种可同时测量温度和应变的光纤传感器的简单改变都属于本发明所保护的范围。