一种同时监测温度和应变的光纤传感器

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种基于Fabry-Perot结构和随机光栅，可同时监测应变和温度变化的光纤传感器。

背景技术

光纤传感技术是伴随光通信的迅速发展而形成的新技术。在光通信系统中，光纤是光波信号长距离传输的媒质。当光波在光纤中传输时，表征光波的相位、频率、振幅、偏振态等特征参量，会因温度、压力、磁场、电场等外界因素的作用而发生变化，故可以将光纤用作传感器元件，探测导致光波信号变化的各种物理量的大小。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质，具有光纤及光学测量的特点。

光纤传感器由于其具有高灵敏度、轻量化、易制造、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点而受到人们的广泛关注。然而，大多数光纤传感器都是基于传统的宽带传感系统，具有宽的3dB带宽、低的光强度和低的光信噪比，另外大多数光纤传感器不能对多种参数进行测量。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可以同时监测温度和应变的光纤传感器，该传感器具有结构简单、灵敏度高、信号稳定等特点。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案为：一种可同时监测温度和应变的光纤传感器，包括LD泵浦源(1)、移动台(2)、Fabry-Perot腔(3)、长周期光纤光栅(4)、固定台(5)、波分复用器(6)、掺铒光纤(7)、微光纤结(8)、10:90光耦合器(9)、随机光栅(10)、光谱分析仪(11)；所述的LD泵浦源(1)与波分复用器(6)一端口(601)相连，移动台(2)与Fabry-Perot腔(3)相连，Fabry-Perot腔(3)的另一端与长周期光纤光栅(4)相连，长周期光纤光栅(4)的另一端与固定台(5)相连，固定台(5)的另一端与波分复用器(6)二端口(602)相连，波分复用器(6)三端口(603)与掺铒光纤(7)相连，掺铒光纤(7)的另一端与微光纤结(8)一端相连，微光纤结(8)的另一端与10:90光耦合器(9)二端口(902)相连，10:90光耦合器(9)三端口(903)与随机光栅(10)相连，10:90光耦合器(9)二端口(902)与光谱分析仪(11)相连，端面切8°斜角以抑制端面的菲涅尔反射。

本发明的有益效果：

1、与采用普通宽带光源的光纤传感器相比，采用随机激光作为光源，稳定性好，提高测量精度；

2、利用微光纤结以及长周期光纤光栅和Fabry-Perot腔的级联可以同时监测温度和应变这两个参数的变化情况；

附图说明

下面结合附图及其实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一种可同时监测应变和温度变化的光纤传感器的结构示意图。1为LD泵浦源；2为移动台；3为Fabry-Perot腔；4为长周期光纤光栅；5为固定台；6为波分复用器；7为掺铒光纤；8为微光纤结；9为10:90光耦合器；10为随机光栅；11为光谱分析仪；601为波分复用器一端口；602为波分复用器二端口；603为波分复用器三端口；901为10:90光耦合器一端口；902为10:90光耦合器二端口；903为10:90光耦合器三端口。

具体实施方式

以下结合本发明的结构和工作原理作详细说明：

图1中，一种可同时监测应变和温度变化的随机激光光纤传感器，包括LD泵浦源(1)、移动台(2)、Fabry-Perot腔(3)、长周期光纤光栅(4)、固定台(5)、波分复用器(6)、掺铒光纤(7)、微光纤结(8)、10:90光耦合器(9)、随机光栅(10)、光谱分析仪(11)；所述的LD泵浦源(1)与波分复用器(6)一端口(601)相连，移动台(2)与Fabry-Perot腔(3)相连，Fabry-Perot腔(3)的另一端与长周期光纤光栅(4)相连，长周期光纤光栅(4)的另一端与固定台(5)相连，固定台(5)的另一端与波分复用器(6)二端口(602)相连，波分复用器(6)三端口(603)与掺铒光纤(7)相连，掺铒光纤(7)的另一端与微光纤结(8)一端相连，微光纤结(8)的另一端与光耦合器(9)二端口(902)相连，光耦合器(9)三端口(903)与随机光栅(10)相连，光耦合器(9)二端口(902)与光谱分析仪(11)相连，端面切8°斜角以抑制端面的菲涅尔反射。

一种可同时测量温度和应变的光纤传感器的工作原理：

一种可同时测量温度和应变的光纤传感器根据图1所示的各部件连接好，LD泵浦源1输出的980nm泵浦光由波分复用器6的一端口601进入波分复用器6中，由波分复用器6三端口603进入掺铒光纤7，激光将掺铒光纤7中的铒离子激发到高能级，经过微光纤结8后，从10:90光耦合器9二端口902进入，在10:90光耦合器9三端口903输出后在随机光栅10中振荡。在随机光栅10的反射下，部分光返回光路中，经过10:90光耦合器9、微光纤结8、掺铒光纤7后，由波分复用器6二端口602进入长周期光纤光栅4，长周期光纤光栅4进行波长选择，光经由Fabry-Perot腔3反射回光路中，在光路之间往返振荡，进行频率选择和模式选择，最终获得的随机激光从10:90光耦合器9的三端口901输出。当改变微光纤结8的温度将导致光纤的透射光谱发生偏移，从而可以实现对温度的传感.当移动台2平移一段距离，使得相应激光发生变化，记录波长漂移量和强度变化量，多次实验后，计算出应力与波长和强度对应的灵敏度；当改变微光纤结8结构区域的环镜温度，使得输出激光发生变化，记录波长漂移量和强度变化量，多次实验后，计算出应力与波长和强度对应的灵敏度。综合以上实验数据和理论分析后，可得到一个系数矩阵，当同时改变应力和温度时，先测出波长漂移量和强度变化量，通过该系数矩阵便可计算出对应的待测应力和温度。

实施例

图1为本发明一种可同时测量温度和应变的光纤传感器的结构示意图。其中LD泵浦源1激光波长为980nm，波分复用器2为980nm/1550nm，长周期光纤光栅4和Fabry-Perot腔3级联形成的LPFG-FP结构传感器总长为3.6cm，可选择在1544.18nm、1557nm、1556.27nm和1566.92nm处进行分析。固定台5和平移台2之间的距离为5cm。掺铒光纤7长度为2m，微光纤结8长度为2cm，10:90光耦合器9的耦合比为10:90，随机光栅10刻写在单模光纤上，长度为1cm，反射率为50％～95％。

一种可同时测量温度和应变的光纤传感器根据图1所示的各部件连接好，LD泵浦源1输出的980nm泵浦光由波分复用器6的一端口601进入波分复用器6中，由波分复用器6三端口603进入掺铒光纤7，激光将掺铒光纤7中的铒离子激发到高能级，经过微光纤结8后，从10:90光耦合器9二端口902进入，在10:90光耦合器9三端口903输出后在随机光栅10中振荡。在随机光栅10的反射下，部分光返回光路中，经过10:90光耦合器9、微光纤结8、掺铒光纤7后，由波分复用器6二端口602进入长周期光纤光栅4，长周期光纤光栅4进行波长选择，光经由Fabry-Perot腔4反射回光路中，在光路之间往返振荡，进行频率选择和模式选择，最终获得的随机激光从10:90光耦合器9的三端口901输出。当改变微光纤结8的温度将导致光纤的透射光谱发生偏移，从而可以实现对温度的传感.当移动台2平移一段距离，使得相应激光发生变化，记录波长漂移量和强度变化量，多次实验后，计算出应力与波长和强度对应的灵敏度；当改变微光纤结8结构区域的环镜温度，使得输出激光发生变化，记录波长漂移量和强度变化量，多次实验后，计算出应力与波长和强度对应的灵敏度。综合以上实验数据和理论分析后，可得到一个系数矩阵，当同时改变应力和温度时，先测出波长漂移量和强度变化量，通过该系数矩阵便可计算出对应的待测应力和温度。

以上实施例只是本发明所有方案中优选方案之一，其它对一种可同时测量温度和应变的光纤传感器的简单改变都属于本发明所保护的范围。