一种基于光纤环路中偏转熔接保偏光纤的扭转传感方法

1.本发明涉及轴向扭转传感方法，涉及光纤扭转传感方法。


背景技术：

2.扭转形变的传感在工业生产、机械、土木等领域十分重要。光纤传感器具有灵敏度高、抗干扰、质量轻、使用灵活等特点。可以使用光纤传感器测量扭转。涉及光纤扭转传感器的文献有：[1] p. zu, c. chan, y. jin, t. gong, y. zhang, l. chen, and x. dong, a temperature-insensitive twist sensor by sing low-birefringence photonic-crystal-fiber-based sagnac interferometer. ieee photonic technol. lett. vol. 23, no. 13, pp.920-922, 2011。 [2] h. liang, m. sun, y. jin, twist sensor based on sagnac single-mode optic fiber interferometer. optik., vol. 124, pp. 6676-6678, 2013。 [3] t. hu, y. zhao and d. wu, novel torsion sensor using a polarization maintaining photonic crystal fiber loop mirror. instrum. sci. technol., vol.44, pp. 46-53, 2016。 [4] b. huang and x. shu, highly sensitive twist sensor based on temperature
‑ꢀ
and strain-independent fiber lyot filter. ieee lightwave technol. vol. 35, no. 10, pp. 2026-2031, 2017。
[0003]
文献[1]所提出的方法使用了光子晶体光纤，这种光纤成本较高。同时这种方法的灵敏度并不高。
[0004]
文献[2]所提出的灵敏度方法较低，不适合微量扭转的测量。
[0005]
文献[3]所提出的方法成本较高，同时该方法是基于光强的变化解调出扭转量，在实际应用中测量会受到光源输出光强的波动，传输光路损耗的变化等因素影响，导致测量结果出现偏差。
[0006]
文献[4]所提出的方法也是基于光强的变化解调出扭转量，实际测量结构可能会出现偏差。


技术实现要素：

[0007]
本发明目的在于提供一种灵敏度高，量程可设定的光纤扭转传感方法。
[0008]
本发明所采用的技术方案是：基于由快慢轴偏转熔接的保偏光纤构成的光纤环路干涉仪，通过计算光谱中两相邻干涉条纹的波长差实现对扭转的传感。与现有技术相比，本发明的传感灵敏度更高，量程可设定，受温度变化的干扰小，成本低结构简单，不受光源光强波动等因素影响。在测量范围为
±
15
°
时，灵敏度可达0.73 nm/
°
(8.37 nm/(rad/m))。
[0009]
本发明的实现方法为：步骤一：将两段长度均为10cm的保偏光纤偏转熔接，偏转角度根据实际需要的量程设定，偏转熔接可由保偏光纤熔接机实现精准角度的偏转。传感装置理论量程为
±
(90
°‑ꢀ
θ2)。
[0010]
步骤二：将偏转熔接后的保偏光纤两端熔接单模光纤后构造光纤环路干涉仪，再
通过分光比为1：1的2*2光纤耦合器接成光纤环，耦合器的输入与输出端分别连接宽带光源及光谱分析仪。
[0011]
步骤三：将两段保偏光纤张直，预扭传感区域，使 θ1-θ3为90
°
，此时光谱分析仪显示各干涉条纹间距均匀，设置此为测量的零点，在光谱中选择两相邻干涉条纹1 与干涉条纹2并计算两条纹的波长差，记波长差为δλ。
[0012]
步骤四：开始正向扭转光纤，扭转导致θ1-θ3 改变，进而导致光谱分析仪上干涉条纹1与干涉条纹2发生反向漂移。观察光谱分析仪，计算干涉条纹1与干涉条纹2之间波长差。
[0013]
步骤五： 在量程范围内，逐渐增大扭转角度，计算不同扭转角度下两干涉条纹的波长差。
[0014]
步骤六：在量程范围内反向扭转光纤，逐渐增大扭转角度，计算不同扭转角度下两干涉条纹的波长差。
[0015]
步骤七：记正向扭转角度α值为正，反向扭转角度α为负，根据步骤五及步骤六的结果，以波长差δλ为横坐标，扭转角度α为纵坐标，绘制标准曲线，形成标准曲线方程有y=ax b。其中y为扭转角度，x为波长差。
[0016]
步骤八：预扭转传感区域，使θ1-θ3为90
°
，将传感区域张直并置于被测物扭转轴线上，使传感区域可随被测轴线扭转。发生扭转后，计算两干涉条纹的波长差，代入标准曲线方程求解出扭转角度。
[0017]
所述偏转熔接是指两段保偏光纤的快轴、慢轴之间以一定的偏角熔接，两段保偏光纤的纤芯仍保持对准。
[0018]
θ1 表示保偏光纤1熔接单模光纤侧端面上双折射慢轴与水平方向的夹角。
[0019]
θ2表示保偏光纤1端面上双折射慢轴与与保偏光纤2端面上双折射慢轴夹角。
[0020]
θ3表示保偏光纤2熔接单模光纤侧端面上双折射慢轴与水平方向的夹角。
[0021]
所述正方向指使两干涉条纹波长差增大的扭转方向，反方向指使使波长差减小的方向。
[0022]
传感区域指光纤环路中两段保偏光纤的位置。
附图说明
[0023]
图1为两保偏光纤偏转熔接端面示意图。
[0024]
图2为传感装置结构示意图。
[0025]
图3为光谱干涉条纹示意图。
[0026]
图4为量程为
±
45
°
时绘制的以波长差为横轴，扭转角度为纵轴的标准曲线。
[0027]
图5为量程为
±
30
°
时绘制的以波长差为横轴，扭转角度为纵轴的标准曲线。
[0028]
图6为量程为
±
15
°
时绘制的以波长差为横轴，扭转角度为纵轴的标准曲线。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：说明书附图各附图标记的含义为：1-保偏光纤1慢轴，2-保偏光纤2慢轴，3-宽带光源，4-光谱分析仪，5-2*2光纤3db耦合器，6-保偏光纤1，7-保偏光纤2；i-干涉条纹1，ii-干涉条纹2。
[0030]
实施例一如需测量范围为
±
45
°
，则两保偏光纤偏转45
°
熔接，如图1，将熔接后的保偏光纤两端熔接单模光纤跳线，使用光纤耦合器，连接成光纤环路，耦合器输入输出端分别接入光源和光谱分析仪。
[0031]
将两段保偏光纤张直，预扭传感区域，如图2，使θ1-θ3 为90
°
，在光谱中选择两相邻干涉条纹1 与干涉条纹2，如图3，并计算两条纹的波长差，记波长差为δλ。
[0032]
分别正向扭转传感区域15
°
，25
°
，35
°
，45
°
，计算各扭转角度下波长差。
[0033]
分别反向扭转传感区域15
°
，25
°
，35
°
，45
°
，计算各扭转角度下波长差。
[0034]
记正向扭转角度α值为正，反向扭转角度α为负，以波长差δλ为横坐标，扭转角度α为纵坐标，绘制标准曲线，形成标准曲线方程有y=ax b。其中y为扭转角度，x为波长差。如图4。
[0035]
预扭转传感区域，使θ1-θ3 为90
°
。将传感区域张直并置于被测扭转轴线上，使传感区域可随被测轴线扭转。
[0036]
发生扭转后，得到两干涉条纹的波长差，带入标准曲线方程，解出扭转角度。
[0037]
实施例二如需测量范围为
±
30
°
，则两保偏光纤偏转60
°
，将熔接后的保偏光纤两端熔接单模光纤跳线，使用光纤耦合器，连接成光纤环路，耦合器输入输出端分别接入光源和光谱分析仪。
[0038]
将两段保偏光纤张直，预扭传感区域，如图2，使θ1-θ3 为90
°
，在光谱中选择两相邻干涉条纹1 与干涉条纹2，如图3，并计算两条纹的波长差，记波长差为δλ。
[0039]
分别正向扭转传感区域10
°
，20
°
，30
°
，计算波长差。
[0040]
分别反向扭转传感区域10
°
，20
°
，30
°
，计算波长差。
[0041]
记正向扭转角度α值为正，反向扭转角度α为负，以波长差δλ为横坐标，扭转角度α为纵坐标，绘制标准曲线，形成标准曲线方程有y=ax b。其中y为扭转角度，x为波长差。如图5。
[0042]
预扭转传感区域，使θ1-θ3 为90
°
。将传感区域张直并置于被测扭转轴线上，使传感区域可随被测轴线扭转。
[0043]
发生扭转后，得到两干涉条纹的波长差，带入标准曲线方程，解出扭转角度。
[0044]
实施例三如需测量范围为
±
15
°
，则两保偏光纤偏转75
°
熔接。将熔接后的保偏光纤两端熔接单模光纤跳线，使用光纤耦合器，连接成光纤环路，耦合器输入输出端分别接入光源和光谱分析仪。
[0045]
将两段保偏光纤张直，预扭传感区域，如图2，使θ1-θ3 为90
°
，在光谱中选择两相邻干涉条纹1 与干涉条纹2，如图3，并计算两条纹的波长差，记波长差为δλ。
[0046]
分别正向扭转传感区域5
°
，10
°
，15
°
，计算波长差。
[0047]
分别反向扭转传感区域5
°
，10
°
，15
°
，计算波长差。
[0048]
记正向扭转角度α值为正，反向扭转角度α为负，以波长差δλ为横坐标，扭转角度α为纵坐标，绘制标准曲线，形成标准曲线方程有y=ax b。其中y为扭转角度，x为波长差。如图5。
[0049]
预扭转传感区域，使θ1-θ3 为90
°
。将传感区域张直并置于被测扭转轴线上，使传感区域可随被测轴线扭转。
[0050]
发生扭转后，得到两干涉条纹的波长差，带入标准曲线方程，解出扭转角度。