[发明专利]一种光纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统及其方法

权利要求书

1.一种光纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统，包括飞秒激光器(1)，其特征在于：所述飞秒激光器(1)的输出端与光闸(2)的输入端连接，并且光闸(2)的输出端与高精度移动平台(3)的输入端连接，所述高精度移动平台(3)的输出端与光谱仪(4)的输入端连接，并且高精度移动平台(3)的输入端与宽带光源(5)的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统，其特征在于：所述宽带光源(5)包括光纤激光(6)，并且光纤激光(6)的输出端与波分复用器(7)的输入端连接，所述波分复用器(7)的输出端与掺铥光纤(8)的输入端连接，并且掺铥光纤(8)的输出端与高精度移动平台(3)的输入端连接。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统，其特征在于：所述光纤激光(6)、波分复用器(7)、掺铥光纤(8)、高精度移动平台(3)和光谱仪(4)之间依次通过单模光纤(9)连接。

4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统，其特征在于：所述飞秒激光器(1)采用800nm，并且宽带光源(5)采用1.8--1.9μm，所述光纤激光(6)采用793nm。

5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统，其特征在于：所述基于粗锥马赫-曾德干涉仪结构总光强I为

其中I₁、I₂和分别为单模光纤中纤芯和包层的光强和相移差，且

其中，n₁和n₂分别为纤芯和包层的有效折射率，L₁和L₂分别为光束在纤芯和包层中传输的长度。由于干涉臂长度相等，且存在折射率差Δn，则有

由公式1和公式3可知，传输谱中的峰值发生在满足下式的波长处，其中m为整数

2πLΔn/λ＝2mπ (4)

经过简化，公式4表示为

m＝LΔn/λ (5)

对公式5中λ进行求导可得

Δm/Δλ＝-LΔn/λ² (6)

取Δm＝1，得到在波长λ处传输谱中相邻峰值的波长间隔为

|Δλ|＝λ²/LΔn (7)。

6.根据权利要求1所述的一种光纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统的使用方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

S1、首先，进行温度实验：粗锥光纤和LPFG处于同一温度环境下，实验中把LPFG和TCF放于温箱中，改变温箱温度，利用光谱仪(4)监测系统透射光谱的变化；

S2、接下来，进行应变测试：先对LPFG施加应力，由于TCF对周围环境比较敏感，因此应变实验中需要将单模光纤(9)固定在高精度移动平台(3)上，用玻璃壳罩住，将悬臂梁一端固定在高精度移动平台(3)上，通过调节螺旋测微计对悬臂梁顶端施加应变，控制LPFG的伸长量；

S3、再对TCF施加应力：将单模光纤(9)固定在高精度移动平台(3)上，用玻璃壳罩住，将悬臂梁一端固定在高精度移动平台(3)上，通过调节螺旋测微计对悬臂梁顶端施加应变，控制LPFG的伸长量；

S4、利用TCF透射光谱被长周期光纤光栅调制的特性，通过监测其线性测量区某个透射谐振峰的波长与强度变化，可以实现温度与应变两个参数的区分测量，由于保偏光纤受到轴向应力时，谐振峰波长变化，而LPFG受到轴向应力时，谐振峰强度变化，基于此可区分出应力施加位置。

7.根据权利要求6所述的一种光纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统的方法，其特征在于：所述马赫曾德谐振峰波长的变化与外界温度的变化成近似的线性关系：

Δλ＝K₁₁ΔT+K₁₂Δε (8)

其中K11为温度灵敏度系数，K12为应变灵敏度系数。马赫曾德谐振峰强度的变化与外界温度的变化△T和应变△ε成近似的线性关系，可以表示为：

ΔP＝K₂₁ΔT+K₂₂Δε (9)

其中，K21为温度灵敏度系数，K22为应变灵敏度系数，因此由公式8和9可以得到温度和应变的变化量与谐振峰强度与波长的变化矩阵：