传感装置及监测应力和温度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及监测领域，特别设及一种传感装置及监测应力、应变和溫度的方法。
【背景技术】
[0002] 溫度、应力和应变是光纤传感技术应用中非常重要的物理量，在大型桥梁、隧道、 大巧等安全监测领域，有必要对溫度、应力和应变等参量进行监测。应力是指被监测物体受 到的外部力或者内部产生的力，应变是指由于被监测物体受到应力产生的形变，例如膨胀、 弯曲或者位移，等等。目前已有的光纤传感技术，是对溫度、应力和应变采用分立的测量系 统分别测量，例如光纤光栅测量系统，是通过逐点对被测物体进行测量，每个点或是测量溫 度，或是测量应力或应变，系统成本高且不能实现整体分布式测量。已有的偏振串扰原理分 布式光纤传感测量技术，只是对应力（如外界压力）进行了解析，而没有对于应变和溫度的 解析方法，尤其是如何将被测物体的应变转化成对于偏振串扰检测介质的受力，从而产生 反应应变的串扰测量数值没有具体方案和措施。
【发明内容】
[0003] 基于此，本方案提供一种能够通过偏振串扰测量的方式监测应变、应力和溫度的 方法及装置。
[0004] 一种监测应力和溫度的方法，其包括W下步骤：禪合宽频带的线偏振光进入光学 双折射介质，所述线偏振光沿所述光学双折射介质的两个正交偏振模传输，所述光学双折 射介质输出光学输出信号；引导所述光学输出信号通过线性光学起偏器，所述起偏器将所 述光学输出信号的两正交偏振模相互混合；引导所述光学起偏器产生的线偏振光进入干设 仪，从而获得两个正交偏振模之间的干设，W产生偏振串扰峰；根据偏振串扰峰之间的间距 变化W获得所述光学双折射介质的溫度变化，根据偏振串扰峰的峰值获得所述光学双折射 介质的应力和/或应变。
[0005] 在其中一个实施例中，所述光学双折射介质设有预设的偏振串扰。
[0006] 在其中一个实施例中，所述光学双折射介质包括保偏光纤。
[0007] 在其中一个实施例中，还包括步骤：所述光学双折射介质输出的光学输出信号进 入光学延迟器，使两个正交偏振模之间产生延迟。
[0008] 在其中一个实施例中，所述光学双折射介质贴附在待测物体上，用W监测所述待 测物体的应力、应变和溫度。
[0009] 在其中一个实施例中，所述光学双折射介质设置在传感基板上，所述传感基板贴 附在待测物体上，用W监测所述待测物体的应力、应变和溫度。
[0010] 在其中一个实施例中，所述光学双折射介质在所述传感基板上一维空间或二维空 间分布，用W监测所述待测物体的应力、应变和溫度的空间分布。
[0011] 在其中一个实施例中，通过所述传感基板给所述光学双折射介质施加预设的偏振 串扰。
[0012] 一种传感装置，用W监测物体的溫度变化、应变和/或应力，其包括：光学双折射 介质，用来感知待测物体的溫度变化、应力和/或应变；光源，用W产生宽频带的线偏振光， 所述线偏振光沿所述光学双折射介质的两个正交偏振模传输，所述光学双折射介质输出光 学输出信号；线性光学起偏器，用W接收所述光学输出信号，并将所述光学输出信号的两正 交偏振模相互混合；干设仪，用W接收透过所述线性光学起偏器的光，并获得两个正交偏振 模之间的干设，W产生偏振串扰峰；处理器，根据偏振串扰峰之间的间距变化W获得所述光 学双折射介质的溫度变化，根据偏振串扰峰的峰值获得所述光学双折射介质的应力和/或 应变。
[0013] 在其中一个实施例中，所述光学双折射介质包括保偏光纤。
[0014] 在其中一个实施例中，其还包括：光学延迟器，用W接收所述光学双折射介质输出 的光学输出信号，使两个正交偏振模之间产生延迟，并传输给所述线性光学起偏器。
[0015] 在其中一个实施例中，所述传感装置还包括传感基板，用W与待测物体连接，所述 光学双折射介质W线阵列方式或面阵列方式设置在所述传感基板上。
[0016] 在其中一个实施例中，所述传感基板上设置有凸起或沟槽，并且所述凸起或沟槽 与所述光学双折射介质接触，使得所述光学双折射介质具有预设的偏振串扰。
[0017] 在其中一个实施例中，所述传感基板上开设有多个通孔，所述光学双折射介质穿 过所述通孔，所述光学双折射介质分布在所述传感基板的两侧，使得所述光学双折射介质 具有预设的偏振串扰。
[0018] 在其中一个实施例中，所述传感基板上开设有多个通孔对，所述光学双折射介质 穿过所述通孔对，所述光学双折射介质分布在所述传感基板的一侧，使得所述光学双折射 介质具有预设的偏振串扰。
[0019] 在其中一个实施例中，所述传感基板上开设有Z字型通道，所述光学双折射介质 设置在所述Z字型通道内，使得所述光学双折射介质具有预设的偏振串扰。
[0020] 在其中一个实施例中，所述光学双折射介质的偏振轴方向与传感基板的法线方向 成 45。。
[0021] 上述方法和装置利用光学双折射介质中产生的偏振串扰峰的峰值和间距可W同 时获得应力、应变和溫度，可W利用同一个光学双折射介质来对待测物体进行应力、应变和 溫度变化的监测。
【附图说明】
[0022] 图1为传感装置的结构示意图；
[0023] 图2A为偏振串扰分析仪的结构示意图，图2B为光学线性光偏振器相对于保偏光 纤光轴的方位，图2C示出的情况是，应力是存在于沿保偏光纤的多个位置W产生所述保偏 光纤的两个正交偏振模式之间的串扰；
[0024] 图3显示了在被测试光纤和光学干设仪之间加装光学延迟装置，来测量光学双折 射介质（例如保偏光纤）的偏振串扰的示例性装置，并进一步说明该装置的操作；
[00巧]图4例举了测量基于双折射色散补偿功能应用的光学双折射介质偏振串扰分析 仪的结构示意图；
[0026] 图5示出了保偏光纤环的偏振串扰曲线的一个例子。两端显示的是光纤环的输出 和输入接口的串扰包络线幅度和宽度，w及显示了在光纤环的中间区域之前（实线）和之 后（虚线）的双折射率色散补偿；
[0027] 图6A示范测量包络线的宽度，该宽度是图4系统中保偏光纤样品多个不同位置串 扰峰通过应力诱导的，图6B给出了示例性的六种不同的保偏光纤长度的输入连接器的测 量值D串扰。
[0028] 图7A和7B例举了在1维保偏光纤传感器上应力施加于每0. 5米长度的保偏光纤 上时的串扰曲线；
[0029] 图8A例举了溫度函数的双折射测量曲线，图8B为保偏光纤中偏振串扰曲线显示 相关延迟函数，图8C进一步说明第48和49位置的扩展视图；
[0030]图9A为一个实施例中的一位的传感基板的示意图，图9B为图9A实施例的相应的 偏振串扰峰的函数图，图9C为另一个实施例中的一维的传感基板的示意图，图9D为图9C 实施例的相应的偏振串扰峰的函数图；
[0031] 图10A为一个实施例中的二维的传感基板的示意图，图10B为相应的偏振串扰峰 的函数图，图10C为相应的应力、溫度变化的位置示意图；
[0032] 图11A为另一实施例中的一维的传感基板的俯视结构示意图，图11B为侧视结构 示意图；
[0033] 图12A为另一实施例中的一维的传感基板的俯视结构示意图，图12B为侧视结构 示意图；
[0034] 图13为图11和图12中结构的相应的偏振串扰峰的函数图；
[00对图14A为另一实施例中的二维的传感基板的结构示意图，图14B为相应偏振串扰 峰的函数图，图14C为相应的应力、溫度变化的位置示意图；
[0036] 图15为具有一维分布的Z字型保偏光纤的一传感基板的结构示意图；
[0037] 图16为具有二维分布的Z字型保偏光纤的传感基板的一实施例的结构示意图；
[0038]图17为具有二维分别的Z字型保偏光纤的传感基板的另一实施例的结构示意 图；
[0039] 图18为测量应力、应变和溫度的方法的流程框图。
【具体实施方式】
[0040] 在此披露了一种传感装置，该装置可W用W同时（或分别）测量待测物体的应力 (或应变）和溫度。现在请参考图1，传感装置10包括传感基板11、光学双折射介质12、偏 振串扰分析仪13和处理器14。传感基板11可W由柔性或具有弹性的材料制作而成，其可 W与待测物体连接，W测量待测物体的应力（或应变）、溫度。在光学双折射介质12可W设 置在传感基板11上，在本实施方式中，光学双折射介质12可W为保偏光纤，当然其还可W 为其他形式的光学双折射介质，例如饥酸锭、石英晶体等双折射晶体，带有预应力的玻璃， 等等。保偏光纤设置在传感基板11上的同时，也可W使传感基板11给保偏光纤施加有预 设的偏振串扰，运些偏振串扰可W通过传感基板11给保偏光纤施加一定规律的应力或弯 曲等方式来预先设置。在本实施方式中，偏振串扰分析仪13可W包括光源、光学延迟器、线 性光学起偏器、干设仪。光源用W产生宽频带的线偏振光，该线偏振光沿光学双折射介质12 的两个正交偏振模传输，并且光学双折射介质12输出光学输出信号。该输出信号被光学延 迟器接受，该光学延迟器使两个正交偏振模之间产生延迟，并传输给线性光学起偏器。线性 光学起偏器将光学输出信号的两正交偏振模相互混合。干设仪接收透过所述线性光学起偏 器的光，并获得两个正交偏振模之间的干设，W产生偏振串扰峰。而处理器14,根据偏振串 扰峰之间的间距变化W获得光学双折射介质的溫度变化，根据偏振串扰峰的峰值获得光学 双折射介质的应力值，从而可W同时（或分别）监测待测物体的溫度和应力（或应变）值。 图1中还示意性的示出了传感基板11上设置有两个重键20,运两个重键20可W模拟施加 在待测物体上的应力大小。当然，该传感装置10可W不包括传感基板11，光学双折射介质 可W直接设置在待测物体上。
[0041] W下来具体说明偏振串扰的具体测量方式。在保偏光纤中，当入射的光严格与保 偏光纤的快轴或慢轴对准时，保偏光纤两个偏振模式