[发明专利]一种基于双波长保偏光纤干涉仪的应变温度同时测量装置

说明书

本发明提供了一种基于双波长保偏光纤干涉仪的应变温度同时测量装置，该装置包括双波长激光光源、全保偏光纤干涉仪、偏振分束差分探测装置、采集控制与解调记录装置四部分。本发明采用全保偏光纤干涉仪，结合两种波长的光源作为双波长激光光源，使两种波长的光信号分别在保偏光纤干涉仪的快、慢轴中传输，在一个光纤光路中形成两套干涉传感系统；由于保偏光纤快、慢轴参数不同，使两套传感系统分别对温度和应变产生不同的响应，可以实现两者的同时测量；同时双波长的引入扩大了双轴传感信号的响应差异，使温度与应变的响应实现更彻底的分离。该方案能够解决温度、应变交叉敏感问题，且测量结果串扰低、精度高，适合于工程应用。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种基于双波长保偏光纤干涉仪的应变温度同时测量装置。

背景技术

在大型基础工程设施的生产建设以及维护过程中，利用应变检测方法检测工程结构的健康安全至关重要。而应变检测在地质活动监测、油井勘探以及海洋环境检测等人类活动中具有十分重要的应用。光纤应变传感器相对于传统应变检测仪来说，具有体小质轻、灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰、可在恶劣环境下工作等优点，因此得到广泛应用。但由于光纤材料的温度敏感特性，光纤传感器对温度变化非常敏感，因此此类传感器在对非温度参量进行传感时存在温度交叉敏感问题，这阻碍了光纤应变传感器的测量精度提升与工程应用推广。

目前解决温度交叉敏感问题的主流方法是利用两个对待测参量和温度具有不同响应的传感器同时对待测参量与温度进行传感，或是在单一传感器内实现同时对待测参量和温度敏感的两种响应传感参量，由此构建包含待测参量与温度响应系数矩阵(2×2响应矩阵)的矩阵方程，在已知响应系数矩阵和传感器响应情况下，通过矩阵求解获得未知的待测参量与温度参量。包含2×2响应系数矩阵的响应方程如下所示：

式中和分别是传感器1和传感器2对待测参量和温度的共同响应；ε为待测参量的变化量、ΔT为温度变化量；α₁和α₂分别是两传感器独立的待测参量响应系数；β₁和β₂分别是两传感器独立的温度响应系数。矩阵方程求解时，响应矩阵中的响应系数差异越大，求解结果就越准确稳定，待测参量与温度的响应分离的越彻底。利用该方法衍生的相关技术有以下几种：

参考测量系统法，在测量系统中设置只对温度敏感的参考传感器获取温度信息，然后从测量信息中消除温度影响获得应变信息。现有的技术中，中国发明专利CN201382778公开了一种“光纤光栅应变、温度同时测量传感器”，公开日为2010年01月13日，利用两段相同光纤光栅分别只对温度以及同时对温度、应变敏感；但该方法需两套传感系统完全相同，实际应用中很难保证两者完全一致。中国发明专利CN2446504公开了一种“集成式光纤应变与温度传感器装置”，公开日为2001年09月05日，将只对温度敏感的宽带光纤温度传感器集成在同时对温度和应变敏感的光纤FP传感器内从而实现温度及应变同时测量；但是该集成式光纤应变与温度传感器结构复杂，且很难确保集成的两种传感器的测量精度及测量范围一致。

双传感器同时测量法，即利用两套对应变和温度具有不同响应的传感系统同时对应变与温度进行传感，构建严格按照公式(1)的响应方程解决温度应变交叉敏感问题。如2012年印度Sundarrajan Asokan等人提出使用光纤布拉格光栅交叉线传感器对应变和温度同时测量(US20120176597)，利用两个参数不同且对温度和应变同时敏感的光纤光栅实现温度和应变同时测量。中国发明专利CN204718708U公开了“一种基于球形和细芯光纤的温度和应变同时测量的传感器”，公开日为2015年10月21日，利用特种光纤使得包层模式和纤芯模式形成马赫泽德干涉仪来实现温度和应变同时测量的功能；但特种光纤成本较高，且受限于光纤拉制技术，部分特种光纤质量不稳定导致传感器的性能不一致。