光电子技术, 2020, 40 (2): 134, 网络出版: 2020-08-13  

短双折射光纤环镜应变传感器在线测量方法研究 下载: 514次

Research on the On⁃line Measurement of the Short Birefringence Fiber Loop Mirror Strain Sensors
作者单位
College of Mechanical and Electronic Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037,CHN
摘要
为了实现短双折射光纤环镜(Bi?FLM)应变传感器的在线测量,理论推导得出通过任意连续的2个相邻波谷波长、2个相邻波峰波长及其双折射光纤初始长度、初始双折射率和初始双折射应变系数计算双折射光纤所受应变大小的方法。选取典型通讯波长1 550 nm附近的波长,波长分辨率分别为0.01 nm、0.001 nm、0.000 1 nm时,应用提出的计算方法计算应变和误差。结果表明:波长分辨率越小,测量精度越高。波长分辨率为0.000 1 nm时,最大绝对误差为0.39%,最小绝对误差为0.01%,平均绝对误差为0.15%。进一步选取典型通讯波长1 310 nm附近的3组不同波长组合,计算的应变均与给定应变基本吻合。根据干涉光谱波谷波长、波峰波长的相对位置蕴含着应变信息的特点,与初始相角无关,可以剔除外界干扰,提高测量精度。该方法无需人为判断,有助于实现计算机在线测量;需要的信息量较小,可以实现短Bi?FLM传感器的在线测量。研究结果对Bi?FLM各类传感器实现计算机在线测量,提高测量精度具有指导意义。
Abstract
In order to realize the on-line measurement of the short birefringence fiber (BF) loop mirror (Bi-FLM) strain sensors, the method of calculating the BF strain by random continuous two-adjacent-wave-valley wavelengths, two-adjacent-wave-peak wavelengths, the initial BF length, the initial BF birefringence and the initial strain dependent birefringence coefficient were deduced theoretically. The wavelengths near 1 550 nm were chosen and used to calculate the strain by the presented theoretical method when the wavelength resolution was 0.01 nm, 0.001 nm and 0.000 1 nm, respectively. The results show that the smaller the wavelength resolution is, the higher the measurement accuracy is. When the wavelength resolution is 0.000 1 nm, the maximum absolute error is 0.39%, the minimum absolute error is 0.01%, and the average absolute error is 0.15%. Three groups of different wavelength combinations near 1 310 nm are also chosen and used to calculate the strain by the theoretical method. The calculated strains are basically consistent with the given strains. According to the characteristics of strain information contained in the relative positions of two-adjacent-wave-valley wavelengths and two-adjacent-wave-peak wavelengths, which are independent of the initial phase angle, the external noises could be eliminated and the measurement accuracy could be improved. This method does not need human judgment and is helpful to realize on-line measurement by computer. In addition, this method requires less information. So it could realize online measurement of the short Bi-FLM sensors. The results could provide guidance for realizing the on-line measurement and improving the measurement accuracy of the Bi-FLM sensors.

1 引 言

双折射光纤环镜(Birefringence fiber loop mirror,Bi⁃FLM)传感器具有低成本、易于制造、极化独立、不受电磁干扰等优点[1,2],已成功应用于应变[3,4,5]、振动[6,7]、扭矩[8,9]等各类传感器。目前,该传感器多通过波长解调的方法实现离线测量,即根据Bi⁃FLM干涉光谱波长的相对变化量来推算传感量的大小[10,11,12,13,14,15,16,17]。由于干涉光谱是周期性信号,需要人为判断外界传感量的变化会导致干涉光谱左移还是右移,需要人为判断是较小外界传感量产生较小相角变化导致的干涉光谱平移,还是较大外界传感量产生较大相角的周而复始的干涉光谱,不利于实施传感器的在线测量。且在测试过程中外界干扰容易改变干涉光谱的初始相角,导致干涉光谱平移,从而改变波长的相对变化量,基于波长解调的方法无法区分是干扰还是外界传感量的变化导致的波长相对变化,致使测量精度下降。也有学者基于强度解调原理[18,19,20]实现Bi⁃FLM传感器在线测量,即将Bi⁃FLM传感器的光信号强度通过光电转换器转换为电信号,通过监测电信号的变化反推光信号的变化,从而反推外界传感量的变化。由于强度解调受光源稳定性影响较大,因此该方法精度较低。

作者根据Bi⁃FLM干涉光谱任意4个相邻波谷波长相对位置蕴含着应变信息的特点,曾研究通过任意4个相邻波谷波长及双折射光纤初始条件计算应变大小,该方法无需人为判断,有助于促进传感器与计算机有效对接,实现在线测量。且与初始相角无关,因此可以剔除外界干扰,提高测量精度[21]。但该方法需要4个相邻波谷的波长,包含3个周期的干涉波形,需要的信息量较多。双折射光纤长度越短,Bi⁃FLM干涉光谱周期越大,在一定的光源波长范围内,光纤长度较短的Bi⁃FLM可能没有足够的波谷点,导致无法计算。文中在继承该方法优点的同时,提出通过任意连续不间断的2个相邻波谷波长、2个相邻波峰波长及双折射光纤初始条件计算应变大小,该方法需要包含1.5个周期的干涉波形,需要的信息量较小,能够解决光纤长度较短的Bi⁃FLM传感器蕴含的信息量不够的问题。

1 理论分析

Bi⁃FLM传感器原理图如图1所示,入射光从端口1经光隔离器进入3 dB光纤耦合器,按1∶1分成从端口3顺时针和端口4逆时针相向传输的两束光,最后汇聚在端口2,由于双折射光纤具有双折射效应,汇聚在端口2的两束光发生干涉。当双折射光纤受到应变时,导致双折射光纤双折射率和双折射光纤长度发生变化,从而导致干涉光谱随之改变,以此实现应变测量。

图 1. 双折射光纤环镜传感器原理图

Fig. 1. Principle schematic of Bi-FLM

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Bi⁃FLM传感器初始干涉光谱表达式为[18]

T(λ)=1-cos2πL0B0λ2=1-cosθ2

式中,λ为干涉光谱波长,T(λ)为干涉光谱强度,相角θ=2πL0B0/λL0为光纤初始长度,B0为光纤初始双折射率。

当双折射光纤受轴向应变后,相角变化量Δθ[18]

Δθ=2πL0λ(B0+k)εz

式中,εz=ΔL/L0=(L'-L0)/L0为双折射光纤轴向应变,单位为ε,其中L'为双折射光纤受应变后的长度。k是双折射应变系数,单位为1/ε,即光纤受1/ε后双折射率变化大小。

由(2)式可得通过L'表示的Δθ表达式为:

Δθ=2πλ(B0+k)×(L'-L0)

由(1)、(2)式可得通过εz表示的受轴向应变后的Bi⁃FLM干涉光谱表达式为:

T'(λ)=1-cos(θ+Δθ)2=1-cos2πL0B0λ+2πL0λ(B0+k)εz2

(4)式是通过双折射光纤所受应变εz描述干涉光谱T'(λ),与参考文献[2,4,18]一致,用于与文中下面推导的计算应变的理论表达式对比,以校验推导表达式的正确性。

由(1)式、(3)式可得通过L'表示的受轴向应变后的干涉光谱表达式为:

T'(λ)=1-cos(θ+Δθ)2=1-cos2πL0B0λ+2πλ(B0+k)(L'-L0)2

欲使(5)式对应干涉光谱T'(λ)的值最小,则:

2πL0B0λn+2πλn(B0+k)(L'-L0)=2nπ

式中,n为整数,λn为整数n对应的波谷波长,其它依此类推。由(6)式解出:

λn=L0B0+(B0+k)(L'-L0)n

由(7)式可得:

λn+1-λn=-L0B0+(B0+k)(L'-L0)n(n+1)

由(8)式可得:

L'=-n(n+1)(λn+1-λn)-L0kB0+k

欲使(5)式对应干涉光谱T'(λ)的值最大,则:

2πL0B0λ'n+2πλ'n(B0+k)(L'-L0)=(2n+1)π

式中,λ'n为整数n对应的波峰波长,其它依此类推。

由(10)式解出:

λ'n=L0B0+(B0+k)(L'-L0)n+0.5

由(11) 式可得:

λ'n+1-λ'n=-L0B0+(B0+k)(L'-L0)(n+1.5)(n+0.5)

由(12)式可得:

L'=-(n+0.5)(n+1.5)(λ'n+1-λ'n)-L0kB0+k

由(9)式、(13)式可得:

L'=-n(n+1)(λn+1-λn)-L0kB0+k=-(n+0.5)(n+1.5)(λ'n+1-λ'n)-L0kB0+k

根据(14)式,经编程验证可得:

n=2(λ'n+1-λ'n)-(λn+1-λn)-(λn+1-λn)2+(λ'n+1-λ'n)2-(λn+1-λn)(λ'n+1-λ'n)2(λn+1-λn)-2(λ'n+1-λ'n)

由(15)式可知,可通过任意连续的2个相邻波谷波长λnλn+1、2个相邻波峰波长λ'nλ'n+1计算n值,然后将n值、光纤初始长度L0、光纤初始双折射率B0和双折射应变系数k代入(9)式计算双折射光纤受轴向应变后的绝对长度L',再将L'代入εz=ΔL/L0=(L'-L0)/L0计算双折射光纤所受应变大小。该方法可以由任意连续的2个相邻波谷波长λnλn+1、2个相邻波峰波长λ'nλ'n+1及光纤初始条件求出双折射光纤所受应变大小。由(15)式、(9)式可知,波谷波长、波峰波长均成对出现,即只与波谷波长、波峰波长的相对位置相关,与波谷波长、波峰波长的绝对位置无关,故该方法计算应变与初始相角无关,可以剔除外界干扰,提高测量精度。该方法无需人为判断干涉光谱左移还是右移,无需人为判断是否是周而复始的干涉光谱,有助于实现在线测量。且该方法只需包含1.5个周期的干涉波形,需要的信息量较小,可以实现双折射光纤长度较短的Bi⁃FLM传感器的在线测量。

(15) 式是基于相角θ+Δθ=2nπ求出(7)式的波谷波长,基于相角θ+Δθ=(2n+1)π求出(11)式的波峰波长。根据(7)式、(11)式可得:

λn=L0[B0+(B0+k)εz]nλ'n=L0[B0+(B0+k)εz]n+0.5

当(16) 、(17)式n值相同时,波谷与波峰相邻。由(16)式可知,当双折射光纤所受应变εz为正时,因为波长必须为正数,故n为正,此时λn>λ'n。当双折射光纤所受应变εz为负应变且足够使n为负数时,此时λ'n>λn。由(16)式可知,因为波长必须为正数,要使n为负数,则:

εz<-B0(B0+k)

假设双折射光纤长度L0=0.1 m,双折射率B0=2.6×10-4,双折射应变系数k=7.3×0.001/ε,经计算需满足εz<34 391.53  με时,才能使n为负数,该应变是个极大的负应变,一般情况下难以产生如此大的负应变,故一般情况下n为正,此时λn>λ'n。下面就n为正时展开讨论,即当满足λn>λ'n时可应用(15)式。

2 结果与讨论

2.1 算法的验证

为了验证文中通过任意连续的2个相邻波谷波长λnλn+1、2个相邻波峰波长λ'nλ'n+1及双折射光纤初始条件计算应变算法的正确性,根据传统表达式(4)式可得Bi⁃FLM应变传感器干涉波形,并通过编程找出干涉波形连续的2个相邻波谷波长λnλn+1、2个相邻波峰波长λ'nλ'n+1,将其代入(15)式计算n值,然后代入(9)式计算绝对长度L',从而计算应变。详细计算过程如下:

双折射光纤长度L0=0.1 m,双折射率B0=2.6×10-4,双折射应变系数k=7.3×0.001/ε,选取波长范围为典型通讯波长1 550 nm附近,(4)式是描述干涉光谱T'(λ)与应变εz的关系表达式,根据(4)式可得各应变对应的干涉光谱T'(λ)。横坐标λ步长增量设置为0.000 1 nm,εz=0 μεεz=200  με时的干涉光谱如图2(a)、(b)所示。当εz为确定值时,干涉光谱强度T'(λ)是随λ变化的余弦函数,无量纲。

图 2. 长度为0.1 m的1 550 nm波长附近Bi-FLM干涉光谱

Fig. 2. Bi-FLM sensor interference spectrum near 1 550 nm when BF is 0.1 m

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图2(a)、(b)可以看出,当双折射光纤长度L0=0.1 m时,波长在1 460  nm~1 640  nm范围内只包含2个相邻波谷波长λnλn+1、2个相邻波峰波长λ'nλ'n+1,不包含4个相邻波谷的波长信息,无法用4个波谷波长信息计算应变。由(7)式、(11)式可知λn>λ'nλ'n>λn+1λn+1>λ'n+1,故λn>λ'n>λn+1>λ'n+1,如图2(a)、(b)所示。εz=200  με时,如图2(b)所示,2个相邻波谷波长λnλn+1分别为1 634.45 nm、1 538.305 9 nm,2个相邻波峰波长λ'nλ'n+1分别为1 584.921 2 nm、1 494.354 3 nm,将λ'nλ'n+1λ'nλ'n+1代入(15)式计算n值,然后将n值、光纤初始长度L0=0.1 m、光纤初始双折射率B0=2.6×10-4和双折射应变系数k=7.3×0.001/ε代入(9)式计算双折射光纤的绝对长度L',将L'代入εz=ΔL/L0=(L'-L0)/L0,计算可得应变εz=199.87  με

定义表中误差为:

=(-)×100%

其它应变和误差的计算以此类推。计算应变和误差流程图如下:

1) 为了验证波长分辨率对计算应变和误差的影响,横坐标波长λ步长增量分别设置为0.01 nm、0.001 nm、0.000 1 nm,计算结果如表1所示。表中,计算应变和误差精确到小数点后2位,2个相邻波谷波长λnλn+1和2个相邻波峰波长λ'nλ'n+1的精确位数与步长一一对应。计算过程中无复杂计算,均能应用Matlab自带函数实现。

表 1. 1 550 nm波长附近的计算应变和误差的结果

Table 1. 1 550 nm波长附近的计算应变和误差的结果

给定

应变/με

λ'n/nmλ'n+1/nmλn/nmλn+1/nm/nm

计算

应变/με

/(%)
1001 580.341 490.031 629.731 533.860.01118.1018.10
1 580.3391 490.0341 629.7251 533.8590.001100.690.69
1 580.339 41 490.034 31 629.725 01 533.858 80.000 199.61-0.39
2001 584.921 494.351 634.451 538.310.01288.8244.41
1 584.9211 494.3541 634.4501 538.3060.001202.351.18
1 584.921 21 494.354 31 634.450 01 538.305 90.000 1199.87-0.06
3001 589.501 498.671 639.181 542.750.01222.29-25.90
1 589.5031 498.6741 639.1751 542.7530.001304.011.34
1 589.503 01 498.674 31 639.175 01 542.752 90.000 1298.93-0.36
4001 594.081 502.991 643.901 547.200.01392.71-1.82
1 594.0851 502.9941 643.9001 547.2000.001405.671.42
1 594.084 81 502.994 31 643.900 01 547.200 00.000 1399.19-0.20
5001 598.671 507.311 648.631 551.650.01574.4814.90
1 598.6671 507.3141 648.6251 551.6470.001507.331.47
1 598.666 71 507.314 31 648.625 01 551.647 10.000 1500.730.15
6001 603.251 511.631 653.351 556.090.01626.414.40
1 603.2481 511.6341 653.3501 556.0940.001596.02-0.66
1 603.248 51 511.634 31 653.350 01 556.094 10.000 1599.80-0.03
7001 607.831 515.951 658.081 560.540.01678.44-3.08
1 607.8301 515.9541 658.0751 560.5410.001697.68-0.33
1 607.830 31 515.954 31 658.075 01 560.541 20.000 1700.050.01
8001 612.411 520.271 662.801 564.990.01849.026.13
1 612.4121 520.2741 662.8001 564.9880.001799.34-0.08
1 612.412 11 520.274 31 662.800 01 564.988 20.000 1799.12-0.11
9001 616.991 524.591 667.531 569.440.01901.000.11
1 616.9941 524.5941 667.5251 569.4350.001901.000.11
1 616.993 91 524.594 31 667.525 01 569.435 30.000 1899.37-0.07

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定义绝对误差为误差的绝对值,由表1可统计不同步长的误差结果如表2所示。

表 2. 不同步长的误差统计表

Table 2. 不同步长的误差统计表

步长/nm

最大绝对

误差/(%)

最小绝对

误差/(%)

平均绝对

误差/(%)

0.0144.410.1113.21
0.0011.470.080.81
0.000 10.390.010.15

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表2可以看出,横坐标波长λ步长增量越小即波长分辨率越小,测量精度越高。波长分辨率为0.000 1 nm时,最大绝对误差为0.39%,最小绝对误差为0.01%,平均绝对误差为0.15%,测量精度最高。波长λ步长增量为0.001 nm的误差最高达1.47%,平均误差为0.81%。波长λ步长增量为0.01 nm的测量精度最低,误差最大高达44.41%,平均误差为13.21%,大误差是由于横坐标λ步长增量较大,导致某些波峰波谷只是近似意义上的波峰波谷点。光谱仪分辨率越高,价格越贵,实际应用中可选择波长分辨率为0.001 nm的光谱仪监测光谱。为了验证文中理论公式的正确性,后文选择精度最高的步长增量0.000 1 nm展开研究。

表1可以看出,横坐标波长λ步长增量为0.000 1 nm时,通过推导的理论表达式计算的应变与给定应变基本吻合,但仍存在一定误差,最大误差为0.39%。误差是由于(4)式绘制的Bi⁃FLM干涉光谱波形横坐标λ步长增量设置为0.000 1 nm,而非连续步长,导致某些波峰的纵坐标不完全等于1,或某些波谷的纵坐标不完全等于0,只是近似意义上的波峰波谷,如图2中波谷点(1 538.305 9,3.753 7×10-13)纵坐标不完全等于0。因此计算的应变也是近似接近理论值,从而与给定应变存在一定误差。

为了验证推导的理论表达式可由任意连续的2个相邻波谷波长λnλn+1、2个相邻波峰波长λ'nλ'n+1计算应变大小,选取另一典型通讯波长1 310 nm附近的λnλ'nλn+1λ'n+1进行计算,εz=200 με时的干涉光谱如图4所示,计算方法同上。各应变与误差计算结果如表3所示。虽然选取的2个相邻波谷波长λnλn+1、2个相邻波峰波长λ'nλ'n+1表1不同,但计算的应变与给定应变仍基本吻合,因此推导的理论表达式计算应变可以由任意连续的2个相邻波谷波长λnλn+1、2个相邻波峰波长λ'nλ'n+1进行计算。

图 3. 计算应变和误差流程图

Fig. 3. Flowchart for calculating strain and error

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图 4. 长度为0.1 m的1 310 nm波长附近Bi-FLM干涉光谱

Fig. 4. Bi-FLM sensor interference spectrum near 1 310 nm when BF is 0.1 m

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表 3. 1 310 nm波长附近的计算应变和误差的结果

Table 3. 1 310 nm波长附近的计算应变和误差的结果

给定

应变/με

λ'n/nmλ'n+1/nmλn/nmλn+1/nm

计算

应变/με

/(%)
1001 337.210 31 271.980 51 372.400 01 303.780 0100.660.66
2001 341.087 21 275.668 31 376.378 91 307.560 0201.210.60
3001 344.964 11 279.356 11 380.357 91 311.340 0299.79-0.07
4001 348.841 01 283.043 91 384.336 81 315.120 0400.330.08
5001 352.717 91 286.731 71 388.315 81 318.900 0498.92-0.22
6001 356.594 91 290.419 51 392.294 71 322.680 0601.570.26
7001 360.471 81 294.107 31 396.273 71 326.460 0700.160.02
8001 364.348 71 297.795 11 400.252 61 330.240 0800.700.09
9001 368.225 61 301.482 91 404.231 61 334.020 0899.29-0.08

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2.2 讨 论

(15)式是基于相角θ+Δθ=(2n+1)π求出(11)式的波峰波长。

同理,欲求波峰波长也可令:

θ+Δθ=2πL0B0λ'n+2πλ'n(B0+k)(L'-L0)=(2n-1)π

由(19)式可得:

λ'n=L0B0+(B0+k)(L'-L0)n-0.5

由(20)式可得:

λ'n+1-λ'n=-L0B0+(B0+k)(L'-L0)(n-0.5)(n+0.5)

由(21)式可得:

L'=-(n+0.5)(n-0.5)(λ'n+1-λ'n)-L0kB0+k

由(9)式、(22)式可得:

n=(λn+1-λn)-(λn+1-λn)2+[(λ'n+1-λ'n)-(λn+1-λn)](λ'n+1-λ'n)2(λ'n+1-λ'n)-2(λn+1-λn)

(23)式是基于相角θ+Δθ=2nπ求出(7)式的波谷波长,基于相角θ+Δθ=(2n-1)π求出(20)式的波峰波长。当(7)式、(20)式n值相同时,波谷与波峰相邻。一般情况下n为正,此时λn<λ'n。即当满足λn<λ'n时,可应用(23)式计算n值,然后将n值,光纤初始条件代入(9)式计算双折射光纤受轴向应变后的绝对长度L',从而计算应变大小。

综上所述,需要根据λn<λ'n还是λn>λ'n选择(23)式或(15)式计算n值,给计算或程序设计带来不便。下面证明无论选择(23)式或(15)式计算n值,并不影响最终计算应变大小。证明如下:

由(15)式可得:

n+1=(λn+1-λn)-(λn+1-λn)2+[(λ'n+1-λ'n)-(λn+1-λn)](λ'n+1-λ'n)2(λ'n+1-λ'n)-2(λn+1-λn)

由(23)式可得:

n+1=2(λ'n+1-λ'n)-(λn+1-λn)-(λn+1-λn)2+(λ'n+1-λ'n)2-(λn+1-λn)(λ'n+1-λ'n)2(λn+1-λn)-2(λ'n+1-λ'n)

由(24)式可知,通过(15)式计算的n+1的值等于(23)式计算的n值。由 (25)式可知,通过(23)式计算的n+1的值等于(15)式计算的n值,故无论应用(15)式还是(23)式计算n值,nn+1的值相等,故将n值代入(9)式L'=-n(n+1)(λn+1-λn)-L0kB0+k,两者计算的双折射光纤受轴向应变后的绝对长度L'相同,将L'代入εz=ΔL/L0=(L'-L0)/L0,两者计算的双折射光纤所受应变大小相同。以下通过仿真验证上述理论:

双折射光纤长度L0=0.1  m,双折射率B0=2.6×10-4,双折射应变系数k=7.3×0.001/ε,横坐标λ步长增量设置为0.000 1 nm,根据传统表达式(4)式绘制的波长范围为1 460 nm~1 720 nm,εz=200 με时的干涉光谱如图5所示。

图 5. 长度为0.1 m的Bi-FLM相邻的3组不同波长组合图

Fig. 5. Bi-FLM sensor interference spectrum of three groups with adjacent different wavelengths when BF is 0.1 m

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图中包含连续的3个波谷点和3个波峰点,波长由小到大,取连续的2个相邻波谷波长λnλn+1、2个相邻波峰波长λ'nλ'n+1,可获得3组不同波长组合如图5(a)、(b)、(c)所示。将3组λnλ'nλn+1λ'n+1应用(15)式和(23)式计算n值,然后代入(9)式计算双折射光纤受轴向应变后的绝对长度L',从而计算应变和误差。应用(15)式和(23)式计算的应变和误差结果完全一致,如表4所示。表4中波长1~波长4对应连续的2个相邻波谷波长λnλn+1、2个相邻波峰波长λ'nλ'n+1,由(7)式、(11)式、(22)式可知n值大的波谷波长小于n值小的波谷波长,即λn>λn+1,同理λ'n>λ'n+1。当选定的2个相邻波谷波长λnλn+1、2个相邻波峰波长λ'nλ'n+1中最大波长为波峰波长时,则认为λ'n>λn>λ'n+1>λn+1,如图5(a)、5(c),反之,最大波长为波谷波长时,则λn>λ'n>λn+1>λ'n+1,如图5(b)。从表4可以看出,无论λ'n>λn还是λn>λ'n,应用(15)式和(23)式计算结果相同,且计算应变均与给定应变基本吻合。因此,得出如下结论:只要图形包含连续的2个相邻波谷波长λnλn+1、2个相邻波峰波长λ'nλ'n+1,可任选(15)式或(23)式计算n值,然后代入(9)式计算双折射光纤受轴向应变后的绝对长度L'。通过L'L0便可求出双折射光纤所受应变大小。

表 4. 相邻的3组不同波长组合计算应变和误差的结果

Table 4. 相邻的3组不同波长组合计算应变和误差的结果

给定应变/με波长1/nm波长2/nm波长3/nm波长4/nm计算应变/με/(%)
1001 448.644 41 490.034 31 533.858 81 580.339 4100.400.40
1 490.034 31 533.858 81 580.339 41 629.72599.61-0.39
1 533.858 81 580.339 41 629.7251 682.296 8100.070.07
2001 452.844 41 494.354 31 538.305 91 584.921 2201.220.61
1 494.354 31 538.305 91 584.921 21 634.45199.87-0.07
1 538.305 91 584.921 21 634.451 687.174 2199.59-0.20
3001 457.044 41 498.674 31 542.752 91 589.503300.620.21
1 498.674 31 542.752 91 589.5031 639.175298.93-0.36
1 542.752 91 589.5031 639.1751 692.0516300.300.10
4001 461.244 41 502.994 31 547.21 594.084 8401.440.36
1 502.994 31 547.21 594.084 81 643.9399.17-0.20
1 547.21 594.084 81 643.91 696.929401.440.36
5001 465.444 41 507.314 3551.647 11 598.666 7500.960.19
1 507.314 3551.647 11 598.666 71 648.625500.730.15
1 551.647 11 598.666 71 648.6251700500.960.19
6001 469.644 41 511.634 31 556.094 11 603.248 5600.370.06
1 511.634 31 556.094 11 603.248 51 653.35599.80-0.03
1 556.094 11 603.248 51 653.351 706.683 9600.370.06
7001 473.844 41 515.954 31 560.541 21 607.830 3701.190.17
1 515.954 31 560.541 21 607.830 31 658.075700.050.00
1 560.541 21 607.830 31 658.0751 711.561 3701.190.17
8001 478.044 41 520.274 31 564.988 21 612.412 1800.590.07
1 520.274 31 564.988 21 612.412 11 662.8799.12-0.11
1 564.988 21 612.412 11 662.81 716.438 7800.590.07
9001 482.244 41 524.594 31 569.435 31 616.993 9901.410.16
1 524.594 31 569.435 31 616.993 91 667.525899.376 2-0.07
1 569.435 31 616.993 91 667.5251 721.316 1901.411 60.16

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3 结 论

研究结果表明:可以通过Bi⁃FLM传感器干涉光谱任意连续的2个相邻波谷波长、2个相邻波峰波长及其双折射光纤初始长度、初始双折射率和初始双折射应变系数计算双折射光纤所受应变大小。该方法只与波谷波长、波峰波长的相对位置相关,与波谷波长、波峰波长的绝对位置无关,故可以剔除初始相角的干扰。该方法只需找到干涉光谱的2个相邻波谷波长和2个相邻波峰波长,便可计算应变,无需任何人为判断因素,方便通过计算机编程实现在线测量。且该方法仅需1.5个周期的干涉光谱所蕴含的信息,方便实现双折射光纤长度较短的Bi⁃FLM传感器的在线测量。研究结果对Bi⁃FLM应变、振动等各类传感器实现计算机在线测量,提高测量精度具有指导意义。提出的测量方法虽仅需1.5个周期的干涉波形,但通过干涉光谱更少的信息计算应变是有待进一步研究的目标。

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