带温度补偿的光纤sagnac干涉环应变传感器

摘要

一种光纤传感技术领域的带温度补偿的光纤sagnac干涉环应变传感器，包括：Hi-Bi sagnac干涉环、光纤微环谐振腔、光学精密位移平台、光源和光谱分析仪，其中：光源与光纤微环谐振腔相连，Hi-Bi sagnac干涉环与光纤微环谐振腔相连，光纤微环谐振腔和光谱分析仪相连，Hi-Bi sagnac干涉环设置在光学精密位移平台上；所述的Hi-Bi sagnac干涉环包括：耦合器、偏振控制器和双折射光纤，双折射光纤作为传感臂同时置于温度场和应变场中；所述的光纤微环谐振腔包括：基片和聚合物光纤环，聚合物光纤环仅置于温度场中以进行温度补偿。本发明有效解决温度和应变的交叉敏感问题，尺寸小、结构简单，成本低，且测量灵敏度高。

权利要求

1.一种带温度补偿的光纤sagnac干涉环应变传感器，包括：Hi-Bi sagnac干涉环、光学精密位移平台、光源和光谱分析仪，其特征在于，还包括：光纤微环谐振腔，其中：光源与Hi-Bi sagnac干涉环相连传输光信号，Hi-Bi sagnac干涉环与光纤微环谐振腔相连传输干涉后的光信号，光纤微环谐振腔和光谱分析仪相连传输经过外界环境影响后的光信号，Hi-Bi sagnac干涉环设置在光学精密位移平台上；

所述的光纤微环谐振腔包括：基片和聚合物光纤环，其中：聚合物光纤环设置在基片上，聚合物光纤环的一端与Hi-Bi sagnac干涉环相连传输干涉后的光信号，聚合物光纤环的另一端与光谱分析仪相连传输经过外界环境影响后的光信号。

2.根据权利要求1所述的带温度补偿的光纤sagnac干涉环应变传感器，其特征是，所述的光学精密位移平台是光学精密四维调节架。

3.根据权利要求1所述的带温度补偿的光纤sagnac干涉环应变传感器，其特征是，所述的光源的带宽范围是：1525nm-1570nm。

4.根据权利要求1所述的带温度补偿的光纤sagnac干涉环应变传感器，其特征是，所述的Hi-Bi sagnac干涉环包括：耦合器、偏振控制器和双折射光纤，其中：耦合器与偏振控制器相连传输光信号，光源与耦合器相连传输光信号，偏振控制器与双折射光纤的一端相连传输环内干涉信息，双折射光纤的另一端与耦合器相连传输经过双折射光纤后的光信息，耦合器与光纤微环谐振腔相连传输干涉后的光信号，双折射光纤固定在光学精密位移平台上。

5.根据权利要求1所述的带温度补偿的光纤sagnac干涉环应变传感器，其特征是，所述的基片是氟化镁基片，或者是石英基片上镀氟化镁薄膜。

6.根据权利要求1所述的带温度补偿的光纤sagnac干涉环应变传感器，其特征是，所述的聚合物光纤环的直径范围是：100μm-200μm。

说明书

带温度补偿的光纤sagnac干涉环应变传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种光纤传感技术领域的装置，具体是一种带温度补偿的光纤高双折射sagnac干涉环(High birefringent sagnac loop，Hi-Bi sagnac loop，高双折射萨格纳克干涉环)应变传感器。

背景技术

[0002] 近年来，光纤sagnac干涉环在传感方面的应用越来越引起人们的重视。光纤sagnac干涉环传感方案中，高双折射光纤sagnac环在光纤传感领域有着巨大的应用前景。Hi-Bi sagnac(高双折射萨格纳克)干涉环是在基本的sagnac环中串联一段高双折射率光纤，输出光谱呈现出周期性的滤波特性，输出光谱的周期决定于环中Hi-Bi光纤的双折射系数以及长度，而与环的长度无关。将此段高双折射光纤作为传感臂，当外界环境参数如温度、应变、折射率等改变作用于传感臂时，Hi-Bi光纤的长度和双折射系数都发生改变，导致输出光谱发生波长漂移。Hi-Bisagnac干涉环的传感灵敏度较高(例如普通的光纤光栅对温度的敏感系数只有约0.01nm/℃，长周期光纤光栅对温度的敏感性可达到0.1nm/℃，而Hi-Bi sagnac环对温度的敏感性可达1nm/℃)；另外Hi-Bi sagnac环还具有对输入光的偏振无关性、结构简单以及成本较低等优点。

[0003] 实际的光纤传感监测系统中，各参数的交叉敏感是一个不可回避的关键问题，即测量结果容易受到外部环境中多个参量的同时影响。例如常见的光纤光栅传感器中，波长信号的变化同时受温度和应力的影响。因此如何将多个参量造成的影响区分开来成为传感信号解调的关键，否则测量精度、测量范围、反应时间等其他性能都将成为空谈。对Hi-Bi sagnac干涉环型传感器同样有此问题困扰，温度和应变都会引起输出光谱的波长漂移。所以研究传感信号中的温度交叉敏感问题对未来该型传感器的实用化具有重大的现实意义和应用前景。

[0004] 经对现有文献检索发现，2007年，O.Frazao，J.L.Santos，J.M.Baptista等人在《IEEEPhotonics Technology Letter(IEEE纤维光学技术快报)》发表了题为“Strain and temperaturediscrimination using concatenated high-birefringence fiber loop mirrors(基于级联Hi-Bi光纤环镜的应变和温度区分)”的文章，该文采用了两个级联的Hi-Bi光纤环实现对温度和应变的区分，该技术中一个Hi-Bi环作为传感臂，而另一个Hi-Bi环作为温度参考臂，利用两环对应变和温度的灵敏性不同来解决温度对应变的交叉敏感问题。但是该技术尺寸较大，不利于实际测量。

[0005] 又 经 检 索 发 现，2008 年，Frazao，O.，D.Egypto等 人 在《IEEE Photonics Technology Letter(IEEE纤维光学技术快报)》上发表了“Strain and temperature discrimination usinghigh-birefringence erbium-doped fiber loop mirror with high pump power laser(高功率泵浦的高双折射掺铒光纤环镜的应力和温度区分)”，该技术采取在sagnac干涉环中串联一段特殊的掺铒高双折射光纤，在sagnac环内加入波长为980nm的泵浦源，利用加泵浦光前后Hi-Bi EDF对外界参数的灵敏度不同，来实现区分出温度和应变的目的。但是该技术环内加入泵浦光源后泵浦光的稳定性也会对测量结果造成较大影响，使得测量结果准确率很低。

[0006] 经检索还发现，2009年，hun-Liu，Z.，Z.Jiarong等人在《Optics Communication，(光学通信)》上发表了题为“Simultaneous strain and temperature measurement using a highlybirefringence fiber loop mirror and a long-period grating written in a photonic crystal fiber(基于高双折射环镜和光子晶体光纤上蚀刻长周期光纤光栅的应变和温度同时测量)”的文章，该技术采用一段特殊的光子晶体光纤长周期光栅(Long-period Grating written in a PhotonicCrystal Fiber，PCF LPG)作为温度补偿，Hi-Bi sagnac干涉环作为传感臂，而PCF LPG则起到滤波器的作用，只要环的输出谱和PCF LPG的透射谱二者窗口选择得当，则可以监测到某波峰随外界参数变化的波长漂移和功率变化。通过波长和功率的监测可以同时测量温度和应变的变化。但是该技术采用的PCF LPG制备需要昂贵的设备，成本高且系统复杂。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，提供一种带温度补偿的光纤sagnac干涉环应变传感器。本发明将聚合物光纤微环谐振腔与Hi-Bi sagnac干涉环级联起来作为光纤应变感器，能排除温度交叉敏感问题，结构简单、尺寸小，成本低，从而实现高灵敏应变参数测量。

[0008] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0009] 本发明包括：Hi-Bi sagnac干涉环、光纤微环谐振腔、光学精密位移平台、光源和光谱分析仪，其中：光源与光纤微环谐振腔相连传输光信号，Hi-Bi sagnac干涉环与光纤微环谐振腔相连传输干涉后的光信号，光纤微环谐振腔和光谱分析仪相连传输经过外界环境影响后的光信号，Hi-Bi sagnac干涉环设置在光学精密位移平台上。

[0010] 所述的光学精密位移平台是光学精密四维调节架。

[0011] 所述的光源的带宽范围是：1525nm-1570nm。

[0012] 所述的Hi-Bi sagnac干涉环包括：耦合器、偏振控制器和双折射光纤，其中：耦合器与偏振控制器相连传输光信号，光源与耦合器相连传输光信号，偏振控制器与双折射光纤的一端相连传输环内干涉信息，双折射光纤的另一端与耦合器相连传输经过高双折射光纤后的光信息，耦合器与光纤微环谐振腔相连传输经过干涉环后的输出信息，双折射光纤固定在光学精密位移平台上。

[0013] 所述的双折射光纤同时置于温度场和应变场中，作为传感臂。

[0014] 所述的光纤微环谐振腔包括：基片和聚合物光纤环，其中：聚合物光纤环设置在基片上，聚合物光纤环的一端与Hi-Bi sagnac干涉环相连传输经过干涉环后的干涉信息，聚合物光纤环的另一端与光谱分析仪相连传输载有传感信息的光信号。

[0015] 所述的基片是氟化镁基片，或者是石英基片上镀氟化镁薄膜。

[0016] 所述的聚合物光纤环是采用聚甲基丙烯酸甲酯材料制成的，其置于温度场中，作为温度参考臂。

[0017] 所述的聚合物光纤环的直径范围是：100μm-200μm。

[0018] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：将聚合物光纤微环谐振腔与Hi-Bi sagnac干涉环级联起来作为光纤应变感器，可有效解决温度和应变的交叉敏感问题；由于Hi-Bi sagnac干涉环和聚合物光纤微环谐振腔都具有灵敏度高的优点，因此二者的结合有助于充分发挥二者灵敏度高的优点，制成高灵敏度光纤应变传感器；本发明中所采用的器件都属于常规器件，尺寸小、结构简单，且制备聚合物光纤环的聚甲基丙烯酸甲酯材料价格低廉，因此本发明成本很低。

附图说明

[0019] 图1是实施例的结构组成示意图；

[0020] 其中：1-光纤微环谐振腔，2-光学精密四维调节架，3-光源，4-光谱分析仪，5-3dB耦合器，6-偏振控制器，7-双折射光纤。

[0021] 图2是实施例光纤微环谐振腔的结构组成示意图；

[0022] 其中：8-氟化镁基片，9-聚合物光纤环，10-第一熔融拉锥型单模光纤，11-第二熔融拉锥型单模光纤。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例

[0024] 如图1所示，本实施例包括：Hi-Bi sagnac干涉环、光纤微环谐振腔1、光学精密四维调节架2、光源3和光谱分析仪4，其中：光源3与光纤微环谐振腔1相连传输光信号，Hi-Bi sagnac干涉环与光纤微环谐振腔1相连传输干涉后的光信号，光纤微环谐振腔1和光谱分析仪4相连传输经过外界环境影响后的光信号，Hi-Bi sagnac干涉环设置在光学精密四维调节架2上。

[0025] 所述的Hi-Bi sagnac干涉环包括：3dB耦合器5、偏振控制器6和双折射光纤7，其中：3dB耦合器5的与偏振控制器6相连传输光信号，光源3与3dB耦合器5相连传输光信号，偏振控制器6与双折射光纤7的一端相连传输环内干涉信息，双折射光纤7的另一端与3dB耦合器5相连传输经过高双折射光纤后的信息，3dB耦合器5与光纤微环谐振腔1相连传输经过干涉环后的输出信息，双折射光纤7固定在光学精密四维调节架2上。

[0026] 所述的双折射光纤7采用江苏法尔胜光通信公司生产的直径为80μm的“一”字-4形保偏光纤，其在1550nm波段双折射系数为9.33×10 ，双折射光纤7同时置于温度场和应变场中，作为传感臂。

[0027] 如图2所示，所述的光纤微环谐振腔1包括：氟化镁基片8和聚合物光纤环9，其中：聚合物光纤环9的一端通过第一熔融拉锥型单模光纤10与3dB耦合器5相连传输经过干涉环后的干涉信息，聚合物光纤环9的另一端通过第二熔融拉锥型单模光纤11与光谱分析仪4相连传输载有传感信息的光信号，聚合物光纤环9以及聚合物光纤环9和两根熔融拉锥型单模光纤的融合区域都固定在氟化镁基片8上。

[0028] 所述的聚合物光纤环9是采用聚甲基丙烯酸甲酯材料制成的，其置于温度场中，作为温度参考臂。

[0029] 所述的聚合物光纤环9的直径是：120μm。

[0030] 所述的光源3采用ASE光源，其光源范围是：1525nm-1570nm。

[0031] 所述的光谱分析仪4采用Anristu Ms9710B型光谱分析仪。

[0032] 本实施例的工作过程是：

[0033] 1)通过调整Hi-Bi sagnac干涉环中的偏振控制器6，调整Hi-Bi sagnac干涉环的输出光谱，选择合适的谐振波长，使得Hi-Bi sagnac干涉环的某一谐振波长与光纤微环谐振腔1的谐振波长区分开来，即在光谱分析仪4处可以清晰地观察到二者的谐振波长。

[0034] 2)令应变变化为零，温度值变化ΔT，分别得到Hi-Bi sagnac干涉环的谐振波长随温度变化的波长漂移量Δλ1和光纤微环谐振腔1的谐振波长随温度变化的波长漂移量Δλ2，进而根据Δλ1＝K1TΔT和Δλ2＝K2TΔT得到Hi-Bi sagnac干涉环对温度的敏感系数K1T和光纤微环谐振腔1对温度的敏感系数K2T。

[0035] 3)令温度变化为零，应变值变化Δε，得到Hi-Bi sagnac干涉环谐振波长对应变值的漂移量Δλ1，进而根据Δλ1＝KεΔε，得到Hi-Bi sagnac干涉环对应变变化的敏感系数Kε。

[0036] 4)根据Hi-Bi sagnac干涉环对温度的敏感系数K1T、光纤微环谐振腔1对温度的敏感系数K2T和Hi-Bi sagnac干涉环对应变变化的敏感系数Kε，得到温度和应变的定标公式，具体是：

[0037] ΔT＝Δλ2/K2T

[0038] Δε＝(Δλ1-K1TΔT)/Kε°

[0039] 本实施例对温度和应变的灵敏度分别为1.08nm/℃和0.95nm/με，相比于现有的光纤光栅传感器灵敏度提高了一个数量级，且结构简单、成本低。