一種利用單模錯(cuò)位光纖同時(shí)測(cè)量溫度和材料應(yīng)變的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種利用單模錯(cuò)位光纖同時(shí)測(cè)量溫度和材料應(yīng)變的方法，所述方法包括如下步驟：a)選取三段單模光纖進(jìn)行錯(cuò)位熔接，得到錯(cuò)位傳感器；b)將所述錯(cuò)位傳感器與光纖光柵熔接，進(jìn)行溫度標(biāo)定和材料應(yīng)變標(biāo)定；c)采集錯(cuò)位傳感器與光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量，擬合錯(cuò)位傳感器與光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量隨溫度和材料應(yīng)變變化量的關(guān)系曲線；d)利用步驟c)的關(guān)系曲線對(duì)待測(cè)環(huán)境中的溫度和材料應(yīng)變同時(shí)測(cè)量。本發(fā)明將錯(cuò)位傳感器和光纖光柵熔接在一起，由于光纖光柵和錯(cuò)位干涉結(jié)構(gòu)具有不同的溫度和材料應(yīng)變傳感靈敏度，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)溫度以及材料應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量。
【專利說(shuō)明】
一種利用單模錯(cuò)位光纖同時(shí)測(cè)量溫度和材料應(yīng)變的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及傳感器測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用單模錯(cuò)位光纖同時(shí)測(cè)量溫度 和材料應(yīng)變的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 全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(guò)光纖端面微加工技術(shù)或搭建具有 干涉結(jié)構(gòu)的全光纖傳感器，在栗浦源作用下，輸出具有梳狀譜圖樣的干涉譜曲線。細(xì)芯光纖 馬赫-曾德光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)由一段細(xì)芯光纖熔接在兩段芯徑相對(duì) 較粗的摻雜稀土光纖中，摻雜稀土光纖也被用作為傳感器的增益介質(zhì)?，F(xiàn)有技術(shù)中，基于雙 芯光纖的馬赫-曾德干涉儀，應(yīng)用于溫度和材料應(yīng)變的測(cè)量，干涉條紋襯幅比約為l〇dBm，條 紋間隔約為2nm。光纖馬赫-曾德干涉儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、條紋襯比度高、梳狀譜密集等優(yōu)勢(shì)。
[0003] 纖芯錯(cuò)位就是光纖熔接時(shí)纖芯不匹配，根據(jù)纖芯失配原理，纖芯失配濾波器是一 種結(jié)構(gòu)特殊的馬赫-曾德干涉儀。在單模-多模-單模(Single mode-Multi mode-Single mode，SMS)結(jié)構(gòu)，輸入端單模光纖將入射光耦合入纖芯錯(cuò)位的單模光纖中，多模光纖調(diào)制后 將入射光經(jīng)由輸出端單模光纖引出，光波模式沿光導(dǎo)纖維傳輸，在傳輸方向上會(huì)出現(xiàn)光強(qiáng) 隨多模光纖長(zhǎng)度的改變而周期性變化的現(xiàn)象，甚至在多模光纖內(nèi)出現(xiàn)與入射光場(chǎng)幾乎相同 的光場(chǎng)分布，這就是多模光纖中的模式干涉效應(yīng)。由于在一根光纖就能實(shí)現(xiàn)多種模式之間 的干涉，簡(jiǎn)化了光路，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，而且損耗低、不受外界干擾。但是單模-多模-單模結(jié) 構(gòu)的傳感器對(duì)溫度和材料應(yīng)變的靈敏度與光纖光柵對(duì)溫度和材料應(yīng)變的靈敏度難以區(qū)別， 在用于測(cè)量時(shí)難以實(shí)現(xiàn)溫度和材料應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量。
[0004] 因此，需要一種能有效地對(duì)溫度和材料應(yīng)變進(jìn)行同時(shí)測(cè)量的一種利用單模錯(cuò)位光 纖同時(shí)測(cè)量溫度和材料應(yīng)變的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種利用單模錯(cuò)位光纖同時(shí)測(cè)量溫度和材料應(yīng)變的方法， 所述方法包括如下步驟：
[0006] a)選取三段單模光纖進(jìn)行錯(cuò)位熔接，得到錯(cuò)位傳感器；
[0007] b)將所述錯(cuò)位傳感器與光纖光柵恪接，進(jìn)行溫度標(biāo)定和材料應(yīng)變標(biāo)定；
[0008] c)采集錯(cuò)位傳感器與光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量，擬合錯(cuò)位傳感器與光纖光柵的波長(zhǎng) 漂移量隨溫度和材料應(yīng)變變化量的關(guān)系曲線；
[0009] d)利用步驟c)的關(guān)系曲線對(duì)待測(cè)環(huán)境中的溫度和材料應(yīng)變同時(shí)測(cè)量。
[0010] 優(yōu)選地，所述溫度標(biāo)定的方法包括如下步驟：
[0011] (1)將熔接后的錯(cuò)位傳感器與光纖光柵粘貼于材料表面，置于可控溫度變化的環(huán) 境中；
[0012] (2)以錯(cuò)位傳感器與光纖光柵的波谷作為采樣點(diǎn)，逐漸改變環(huán)境中溫度的大小，同 時(shí)改變環(huán)境中材料應(yīng)變的大小，記錄梳狀譜移動(dòng)的長(zhǎng)度。
[0013] 優(yōu)選地，所述錯(cuò)位傳感器與光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量隨溫度和材料應(yīng)變變化量的關(guān) 系曲線滿足如下關(guān)系：
[0014]
，_其中Δ λχ、Δ λ2分別為錯(cuò)位傳感器和光纖光柵 的波長(zhǎng)漂移量；A Τ、△ ε分別為溫度和材料應(yīng)變的變化量;Κη、ΚΤ2分別為錯(cuò)位傳感器和光纖 光柵的溫度靈敏度;Κε1、Κε2分別為錯(cuò)位傳感器和光纖光柵的材料應(yīng)變靈敏度;D = KnKE2_ Κτ2Κε1〇
[0015] 優(yōu)選地，所述溫度靈敏度和所述材料應(yīng)變靈敏度通過(guò)計(jì)算靈敏度曲線的斜率得 到。
[0016] -種用于同時(shí)測(cè)量溫度和材料應(yīng)變方法的測(cè)量系統(tǒng)，所述測(cè)量系統(tǒng)依次連接栗浦 光源、波分復(fù)用器、增益光纖、第一單模光纖、錯(cuò)位傳感器、光纖光柵、第二單模光纖和光譜 儀；
[0017] 所述錯(cuò)位傳感器由三段單模光纖錯(cuò)位熔接;所述錯(cuò)位傳感器與所述光纖光柵熔接 在一起用于對(duì)溫度和材料應(yīng)變進(jìn)行同時(shí)測(cè)量。
[0018] 優(yōu)選地，所述增益光纖為一段摻雜稀土元素的光纖。
[0019] 本發(fā)明將錯(cuò)位傳感器和光纖光柵熔接在一起，由于光纖光柵和錯(cuò)位傳感器具有不 同的溫度和材料應(yīng)變傳感靈敏度，錯(cuò)位傳感器與光纖光柵在溫度和材料應(yīng)變改變的情況下 產(chǎn)生不同的的波長(zhǎng)漂移量，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)溫度以及材料應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量。
[0020] 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(shuō)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(shuō)明】
[0021] 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(guò)本發(fā)明實(shí)施方式的如下 描述得以闡明，其中：
[0022] 圖1示意性示出本發(fā)明利用單模錯(cuò)位光纖同時(shí)測(cè)量溫度和材料應(yīng)變的流程圖； [0023]圖2示出了本發(fā)明三段單模光纖錯(cuò)位熔接的示意圖；
[0024] 圖3示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中錯(cuò)位傳感器與光纖光柵熔接對(duì)溫度和材料應(yīng)變標(biāo) 定的示意圖；
[0025] 圖4示出了本發(fā)明錯(cuò)位傳感器的波長(zhǎng)漂移示意圖；
[0026] 圖5示出了本發(fā)明與光纖光柵的波長(zhǎng)漂移示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 通過(guò)參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方 法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實(shí)施例;可以通過(guò)不同形式來(lái) 對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說(shuō)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。在下文實(shí)施例中，對(duì)本發(fā)明的一種利用單模錯(cuò)位光 纖同時(shí)測(cè)量溫度和材料應(yīng)變的方法做詳細(xì)說(shuō)明的過(guò)程中，一些相關(guān)的技術(shù)術(shù)語(yǔ)應(yīng)當(dāng)是本領(lǐng) 域技術(shù)人員所能夠理解的。
[0029] 為了清楚的說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容，在如下實(shí)施例中給出了本發(fā)明利用單模錯(cuò)位光纖 同時(shí)測(cè)量溫度和材料應(yīng)變的具體流程。如圖1所示本發(fā)明利用單模錯(cuò)位光纖同時(shí)測(cè)量溫度 和材料應(yīng)變的流程圖，具體地，利用單模錯(cuò)位光纖同時(shí)測(cè)量溫度和材料應(yīng)變的方法，所述方 法包括如下步驟：
[0030] 步驟S101:熔接錯(cuò)位傳感器，選取三段單模光纖進(jìn)行錯(cuò)位熔接，得到錯(cuò)位傳感器；
[0031] 步驟S102:溫度和材料應(yīng)變標(biāo)定，將所述錯(cuò)位傳感器與光纖光柵熔接，進(jìn)行溫度標(biāo) 定和材料應(yīng)變標(biāo)定；
[0032] 步驟S103:擬合曲線，采集錯(cuò)位傳感器與光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量，擬合錯(cuò)位傳感器 與光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量隨溫度和材料應(yīng)變變化量的關(guān)系曲線；
[0033] 步驟S104:溫度和材料應(yīng)變同時(shí)測(cè)量，利用步驟S103的關(guān)系曲線對(duì)待測(cè)環(huán)境中的 溫度和材料應(yīng)變同時(shí)測(cè)量。
[0034] 錯(cuò)位傳感器的熔接
[0035]如圖2所示本發(fā)明三段單模光纖錯(cuò)位熔接的示意圖100,首先選取三段單模光纖， 所述單模光纖包括包層和纖芯，光路傳播過(guò)程中由于纖芯錯(cuò)位實(shí)現(xiàn)模間干涉。將選取的三 段單模光纖其中的第一段單模光纖101與第二段單模光纖102進(jìn)行錯(cuò)位熔接。優(yōu)選地，選擇 手動(dòng)調(diào)節(jié)熔接機(jī)參數(shù)，固定上述第一段單模光纖101，對(duì)第二段單模光纖102錯(cuò)位調(diào)節(jié)后，通 過(guò)放電熔接完成兩段單模光纖的熔接。同樣地，采用相同的步驟固定第三段單模光纖103， 對(duì)熔接好的第一段單模光纖101和第二段單模光纖102進(jìn)行熔接，手動(dòng)調(diào)節(jié)熔接機(jī)參數(shù)，通 過(guò)放電完成三段單模光纖的熔接。本實(shí)施例中，優(yōu)選三段單模光纖長(zhǎng)度一致。
[0036] 溫度和材料應(yīng)變的標(biāo)定
[0037]將錯(cuò)位熔接好的三段單模光纖作為錯(cuò)位傳感器與光纖光柵進(jìn)行熔接。如圖3所示 本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中錯(cuò)位傳感器與光纖光柵熔接對(duì)溫度和材料應(yīng)變標(biāo)定的示意圖200,搭 建測(cè)量系統(tǒng)，所述測(cè)量通過(guò)光纖204系統(tǒng)依次連接栗浦光源201、波分復(fù)用器202、增益光纖 203、第一單模光纖205、錯(cuò)位傳感器206、光纖光柵208、第二單模光209纖、光譜儀210和溫度 控制器207。其中，錯(cuò)位傳感器為上述三段單模光纖錯(cuò)位熔接得到。錯(cuò)位傳感器206與光纖光 柵208粘貼在材料211表面，置于可以控制溫度變化的環(huán)境中。在一些實(shí)施例中，增益光纖 203優(yōu)選摻雜稀土元素的光纖。
[0038]將所述錯(cuò)位傳感器206與所述光纖光柵208熔接在一起，粘貼在材料211表面，置于 溫度可控的環(huán)境中對(duì)溫度的變化量與材料應(yīng)變的變化量進(jìn)行標(biāo)定，本實(shí)施例中，對(duì)材料應(yīng) 變的變化采取對(duì)材料211兩端施加一定的力N進(jìn)行拉伸的方式，具體地，標(biāo)定過(guò)程的步驟如 下：
[0039]步驟1:將熔接后的錯(cuò)位傳感器206與光纖光柵208粘貼在材料211表面置于可控溫 度變化環(huán)境中；
[0040] 步驟2:以錯(cuò)位傳感器206與光纖光柵208的波谷作為采樣點(diǎn)，逐漸改變環(huán)境中溫度 的大小，同時(shí)改變環(huán)境中材料211進(jìn)行拉伸強(qiáng)度，改變材料應(yīng)變的大小，記錄梳狀譜移動(dòng)的 長(zhǎng)度。
[0041] 在上述標(biāo)定過(guò)程中，環(huán)境中的溫度通過(guò)溫度控制器207對(duì)環(huán)境的溫度逐漸增加，同 時(shí)逐漸增強(qiáng)環(huán)境中材料的拉伸強(qiáng)度的。應(yīng)當(dāng)理解的是，在一些實(shí)施例中，對(duì)于標(biāo)定過(guò)程中可 以選擇逐漸降低環(huán)境中的溫度大小和材料的拉伸強(qiáng)度、增加環(huán)境中溫度的大小同時(shí)降低材 料的拉伸強(qiáng)度、降低環(huán)境中溫度的大小同時(shí)增加材料的拉伸強(qiáng)度多種方式的一種或多種。 在另一些實(shí)施例中，材料211可選擇對(duì)材料進(jìn)行壓縮或彎曲從而改變材料的應(yīng)變大小。
[0042] 在本發(fā)明中，由于錯(cuò)位傳感器和光纖光柵具有不同的溫度和材料應(yīng)變傳感靈敏 度，錯(cuò)位傳感器與光纖光柵在溫度和材料應(yīng)變改變的情況下產(chǎn)生不同的的波長(zhǎng)漂移量。
[0043] 本實(shí)施例中，通過(guò)對(duì)溫度和材料應(yīng)變改變的情況下采集到錯(cuò)位傳感器與光纖光柵 的波長(zhǎng)漂移量，進(jìn)而擬合用于測(cè)量溫度和材料應(yīng)變同時(shí)變化的曲線。本實(shí)施例的下文中，具 體說(shuō)明曲線擬合的方法。
[0044] 曲線的擬合
[0045] 在本實(shí)施例上述過(guò)程中，對(duì)溫度和材料應(yīng)變的改變進(jìn)行記錄，得到溫度的變化量 ΔΤ;材料應(yīng)變的變化量Δε。如圖4所示本發(fā)明錯(cuò)位傳感器的波長(zhǎng)漂移示意圖，如圖5所示本 發(fā)明光纖光柵的波長(zhǎng)漂移示意圖，采集記錄的梳狀譜移動(dòng)的長(zhǎng)度，得到錯(cuò)位傳感器的波長(zhǎng) 漂移量Α λ:;光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量Δ λ2。
[0046] 計(jì)算靈敏度曲線的斜率，得到錯(cuò)位傳感器和光纖光柵的溫度靈敏度Κη、ΚΤ2;錯(cuò)位 傳感器和光纖光柵的材料應(yīng)變靈敏度Κ ε1、Κε2。經(jīng)過(guò)矩陣計(jì)算得到錯(cuò)位傳感器和光纖光柵的 波長(zhǎng)漂移量滿足如下關(guān)系：
[0048]對(duì)上述公式(1)得到關(guān)系進(jìn)行矩陣轉(zhuǎn)置計(jì)算得到：
[0050]其中，其中△&、Δλ2分別為錯(cuò)位傳感器和光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量；ΔΤ、Δη分別為 溫度和材料應(yīng)變的變化量;ΚΤ1、ΚΤ2分別為錯(cuò)位傳感器和光纖光柵的溫度靈敏度;1^、1 2分別 為錯(cuò)位傳感器和光纖光柵的材料應(yīng)變靈敏度;D=Κτ1Κε2-Κ Τ2Κε1。
[0051 ] 溫度和材料應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量
[0052] 本實(shí)施例以溫度和材料應(yīng)變均變化的環(huán)境中說(shuō)明本發(fā)明的溫度和材料應(yīng)變的同 時(shí)測(cè)量。將所述測(cè)量系統(tǒng)的錯(cuò)位傳感器與光纖光柵粘貼在應(yīng)變變化的材料表面，并置于溫 度變化的環(huán)境中，以錯(cuò)位傳感器與光纖光柵的波谷作為采樣點(diǎn)，記錄梳狀譜移動(dòng)的長(zhǎng)度，從 而得到錯(cuò)位傳感器與光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量。這里以錯(cuò)位傳感器波長(zhǎng)漂移量Α λ:為例，光 纖光柵傳感器波長(zhǎng)漂移量Α λ2為例。
[0053]
直接讀取溫度和材料應(yīng)變的變化量，從而 實(shí)現(xiàn)溫度和材料應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量。
[0054] 本發(fā)明將錯(cuò)位傳感器和光纖光柵熔接在一起，由于光纖光柵和錯(cuò)位傳感器具有不 同的溫度和材料應(yīng)變傳感靈敏度，錯(cuò)位傳感器與光纖光柵在溫度和材料應(yīng)變改變的情況下 產(chǎn)生不同的的波長(zhǎng)漂移量，實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)溫度以及材料應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量。
[0055] 結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說(shuō)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(shuō)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. 一種利用單模錯(cuò)位光纖同時(shí)測(cè)量溫度和材料應(yīng)變的方法，其特征在于，所述方法包 括如下步驟： a) 選取Ξ段單模光纖進(jìn)行錯(cuò)位烙接，得到錯(cuò)位傳感器； b) 將所述錯(cuò)位傳感器與光纖光柵烙接，進(jìn)行溫度標(biāo)定和材料應(yīng)變標(biāo)定； C)采集錯(cuò)位傳感器與光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量，擬合錯(cuò)位傳感器與光纖光柵的波長(zhǎng)漂移 量隨溫度和材料應(yīng)變變化量的關(guān)系曲線； d)利用步驟C)的關(guān)系曲線對(duì)待測(cè)環(huán)境中的溫度和材料應(yīng)變同時(shí)測(cè)量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時(shí)測(cè)量溫度和材料應(yīng)變的方法，其特征在于，所述標(biāo)定方法 包括如下步驟： (1) 將烙接后的錯(cuò)位傳感器與光纖光柵粘貼在材料表面，置于可控溫度變化的環(huán)境中； (2) W錯(cuò)位傳感器與光纖光柵的波谷作為采樣點(diǎn)，逐漸改變環(huán)境中溫度的大小，同時(shí)改 變材料應(yīng)變的大小，記錄梳狀譜移動(dòng)的長(zhǎng)度。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時(shí)測(cè)量溫度和材料應(yīng)變的方法，其特征在于，所述錯(cuò)位傳感 器與光纖光柵的波長(zhǎng)漂移量隨溫度和材料應(yīng)變變化量的關(guān)系曲線滿足如下關(guān)系：其中Δ λι、Δ λ2分別為錯(cuò)位傳感器和光纖光柵的波長(zhǎng) 漂移量；AT、Δ ε分別為溫度和材料應(yīng)變的變化量;時(shí)1、時(shí)2分別為錯(cuò)位傳感器和光纖光柵的 溫度靈敏度;Κε1、Κε2分別為錯(cuò)位傳感器和光纖光柵的材料應(yīng)變靈敏度;D =時(shí)?Κε2-時(shí)2Κε1。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的同時(shí)測(cè)量溫度和材料應(yīng)變的方法，其特征在于，所述溫度靈敏 度和所述材料應(yīng)變靈敏度通過(guò)計(jì)算靈敏度曲線的斜率得到。5. -種用于權(quán)利要求1-4任一權(quán)利要求所述方法的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)量系 統(tǒng)依次連接累浦光源、波分復(fù)用器、增益光纖、第一單模光纖、錯(cuò)位傳感器、光纖光柵、第二 單模光纖和光譜儀； 所述錯(cuò)位傳感器由Ξ段單模光纖錯(cuò)位烙接;所述錯(cuò)位傳感器與所述光纖光柵烙接在一 起用于對(duì)溫度和材料應(yīng)變進(jìn)行同時(shí)測(cè)量。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述增益光纖為一段滲雜稀±元素的 光纖。
【文檔編號(hào)】G01D21/02GK106092214SQ201610754044
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年8月29日
【發(fā)明人】祝連慶, 何巍, 董明利, 婁小平, 莊煒, 劉鋒, 姚齊峰
【申請(qǐng)人】北京信息科技大學(xué)