高灵敏度分布式的横向压力传感器及利用该传感器测量横向压力的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及基于布里渊动态光栅技术的横向压力传感器及其系统测试与使用方法，属于光学领域。
【背景技术】
[0002]近年来，在建筑结构健康监测和土木工程等领域对横向压力测量技术具有巨大的需求，而诸如重力测量、液压和气压测量，风压和声压测量等多种参数的测量也都可以转化为对横向压力的测量。因此，对高灵敏度的横向压力传感器的研究逐渐被人们重视，得到越来越广泛的关注，对横向压力传感器进行研究具有很高的科研价值和实际应用价值。采用光纤传感器进行横向压力探测具有诸多优点:首先，采用光纤传感技术可以做到有效防止电磁干扰，相较普通电学传感器能够获得更精确的测量结果；其次，由于光纤既作为传感器件又作为信号传输信道，以光信号作为传输信号，可以有效降低应用成本，提高传输速度；再者，由于光纤本身的尺寸小，因而光纤传感器普遍具有小型化的特点，能够应用于更多普通传感器难以探测的工作环境。
[0003]目前，广泛采用的测量仪器主要有基于光纤布拉格光栅技术的横向压力传感器。这种传感器通过测量光波长的移动量来定量测量横向压力的变化，2004年，Chehura E等人就利用在高双折射光纤上写制的光纤布拉格光栅研究了其对于温度和横向负载的反馈特性(Chehura E., Ye C.C., Staines S.E., et al.Characterizat1n of the responseof fibre Bragg gratings fabricated in stress and geometrically induced highbirefringence fibres to temperature and transverse load[J].Smart Materials andStructures, 13 (4)，888 (2004))。但是，光纤布拉格光栅的带宽受到本身刻蚀结构的影响，比外部横向压力造成的频移大得多，降低了测量精度。另外一种广泛采用的测量仪器是基于光纤Sagnac干涉技术的横向压力传感器，例如2011年，Peng Zu等人提出的利用光子晶体光纤制作的基于Sagnac干涉技术的环形横向压力传感器(Zu P, Chan C C，Jin Y, etal.Fabricat1n of a temperature-1nsensitive transverse mechanical load sensorby using a photonic crystal fiber-based Sagnac loop[J].Measurement scienceand technology, 2011，22 (2):025204.)，这种技术具有很高的灵敏度。然而，上述两种多点式的横向压力传感器都属于点式传感器，不属于分布式传感器。只能进行较短范围内定点测量局部横向压力，不能进行长距离多点同时测量的分布式测量。2010年，Maier等人提出采用测量瑞利散射信号的光频域反射计技术的分布式横向压力传感技术(Maier R RJ,MacPherson W N, Barton J S，et al.Distributed sensing using Rayleigh scatterin polarizat1n-maintaining fibres for transverse load sensing[J].MeasurementScience and Technology, 21 (9):094019 (2010)) 0这种技术虽然可以做到分布式测量，但是其测量精度不高，对于横向压力不敏感。
【发明内容】
[0004]本发明目的是为了解决现有分布式横向压力传感器精度低的问题，提供了一种高灵敏度分布式的横向压力传感器，并且提出利用该传感器进行横向压力测量的方法。
[0005]这种传感器主要工作原理是:当传感光纤受到外部横向压力作用时，光纤本身的双折射会随外界压力变化而变化。由于布里渊动态光栅对于光纤双折射的变化很敏感，因此可通过在保偏光纤中激发和探测布里渊动态光栅来测量由于外部横向压力引起的光纤双折射频移的变化，得到光纤双折射的变化，从而解调出光纤受到的横向压力的位置与大小。这种传感器具有高灵敏性和高空间分辨率分布式的特点，可以有效地探测到光纤某一局部受到的横向压力，并且解调出横向压力的大小。
[0006]结合上述传感器而提出的测量方法主要是:利用带有可旋转光纤夹具可横向滑动压力施加平台对探测光纤进行旋转定轴操作，在实际探测横向压力之前通过旋转施压的方式找到高双折射光纤对横向压力响应最大的光轴方向。利用这个最大响应光轴方向作为施压方向，以获取最大的横向压力灵敏度。
[0007]本发明所述高灵敏度分布式的横向压力传感器包括以下四个技术方案:
[0008]第一个技术方案:高灵敏度分布式的横向压力传感器包括第一可调谐激光器、第二可调谐激光器、第三可调谐激光器、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、第一偏振控制器、光隔离器、第二偏振控制器、数据采集卡、第三掺铒光纤放大器、第三偏振控制器、传感光纤、偏振分束器、光电探测器、光纤环形器和第四偏振控制器；
[0009]第一可调谐激光器输出频率为V。的连续激光，该束激光经过第一掺铒光纤放大器放大，经过光隔离器和第三偏振控制器调节偏振态后，注入传感光纤的+X轴；
[0010]第二可调谐激光器输出频率为V i的连续激光，该束激光经过第二掺铒光纤放大器放大，经过第二偏振控制器调节偏振态后，进入偏振分束器的X轴，然后从偏振分束器合束端输出注入传感光纤的-X轴；
[0011]其中频率V。与V 间相差一个光纤布里渊频移Λ V Β，即I Vl-V0I =Δ V Β；
[0012]从+X轴、-X轴相对方向注入传感光纤的两束激光在光纤中发生受激布里渊散射现象，形成布里渊动态光栅；
[0013]第三可调谐激光器发出的频率为V2的脉冲光，V 2满足条件V 2-ν1 = Δ V Bire,v2ig V:之间的频差相差一个光纤的双折射频移Λ V Bira，频率为V2的脉冲光经过第三掺铒光纤放大器的功率放大后，再由第四偏振控制器调节偏振态，经过光纤环形器的I端口注入，由2端口射出，进入偏振分束器的y轴端口 ；从偏振分束器合束端口出来的脉冲V 2光注入传感光纤的I轴；
[0014]频率为V2的脉冲光读取频率V。与V i两束激光在传感光纤中所形成的布里渊动态光栅的信息；布里渊动态光栅将V 2脉冲光反射，被反射的V 2脉冲光由偏振分束器合束端口进入偏振分束器；由于偏振态限制，反射光从偏振分束器的I轴端口出射，进入光纤环形器的2端口，从光纤环形器的3端口出射，被光电探测器接收到，之后探测数据被数据米集卡米集到并保存；
[0015]数据采集卡的采集频率与V 2脉冲光的频率同步；数据采集卡将采集反射光强的时域信号处理得到对应的每一个点的双折射频移信号，进而获取光纤上的压力信息。
[0016]第二个技术方案:高灵敏度分布式的横向压力传感器包括第一可调谐激光器、第二可调谐激光器、第三可调谐激光器、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、信号发生器、第一偏振控制器、电光调制器、光隔离器、第二偏振控制器、数据采集卡、第三掺铒光纤放大器、第三偏振控制器、传感光纤、偏振分束器、光电探测器、光纤环形器和第四偏振控制器；
[0017]第一可调谐激光器输出频率为V。的连续激光，该束激光经过第一掺铒光纤放大器放大，经过光隔离器和第三偏振控制器调节偏振态后，注入传感光纤的+X轴；
[0018]第二可调谐激光器输出频率为V i的连续激光，该束激光经过第二掺铒光纤放大器放大，经过第二偏振控制器调节偏振态后，进入偏振分束器的X轴，然后从偏振分束器合束端输出注入传感光纤的-X轴；
[0019]其中频率V。与V 间相差一个光纤布里渊频移Λ V Β，即I V1-VqI =Δ V Β；
[0020]从+X轴、-X轴相对方向注入传感光纤的两束激光在光纤中发生受激布里渊散射现象，形成布里渊动态光栅；
[0021]第三可调谐激光器发出的频率为V 2的连续激光，V 2满足条件V2-V1 = AV Bire,▽2与V i之间的频差相差一个光纤的双折射频移Λ V ，该束激光由第一偏振控制器调节偏振态后进入被信号发生器调制的电光调制器中；电光调制器将频率为V2的连续光调制成频率为^的脉冲光；频率为V 2的脉冲光经过第三掺铒光纤放大器的功率放大后，再由第四偏振控制器调节偏振态，经过光纤环形器的I端口注入，由2端口射出，进入偏振分束器的I轴端口 ；从偏振分束器合束端口出来的脉冲V 2光注入传感光纤的y轴；
[0022]频率为V2的脉冲光读取频率V。与V i两束激光在传感光纤中所形成的布里渊动态光栅的信息；布里渊动态光栅将V 2脉冲光反射，被反射的V 2脉冲光由偏