基于光纤谐振腔游标效应的应力传感器及应力测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光纤谐振腔游标效应的应力传感器及应力测量方法，传感器包括光源、光纤耦合器、光纤环、长周期光纤光栅、光谱仪和处理系统；光源的光输出端连接光纤耦合器的第一光输入端，光纤耦合器的第二光输入端和第二光输出端分别连接光纤环的两端，长周期光纤光栅与光纤环的中部连接，光纤耦合器的第一光输出端连接光谱仪的光输入端，光谱仪的电输出端连接处理系统的电输入端，处理系统的电输出端输出传感器输出信号；光纤耦合器、光纤环、长周期光纤光栅构成光纤谐振腔；本发明专利技术的敏感元件为一个长周期光纤光栅，光纤谐振腔的游标效应与游标卡尺的测量原理相同，本发明专利技术具有结构简单、敏感元件不受电磁场影响、精度高的优点。点。点。

【技术实现步骤摘要】
基于光纤谐振腔游标效应的应力传感器及应力测量方法


[0001]本专利技术涉及光学器件的
，具体说就是一种基于光纤谐振腔游标效应的应力传感器及应力测量方法。

技术介绍

[0002]应力传感器是利用物质的性质随应力变化的规律，把应力转化为可用输出信号的器件，应力的测量及控制可用于实际生产实践中，以维护生产安全、保证产品质量、提高生产效率等，对于促进国民经济发展起到非常重要的作用。由于应力测量的普遍性，应力传感器的数量及种类繁多，实际上，很多材料、元件的特性都随应力的变化而变化，所以能用于应力传感器的材料和元件相当多，目前，最常用的是电阻应力传感器、电位器式应力传感器(见位移应力传感器)和锰铜压阻应力传感器，但这些传感器的结构复杂、精度低，特别是响应信号为电信号，传感器响应受电磁场影响大，一些应力传感器在强电磁场环境下，输出极不稳定，甚至无法工作。
[0003]而光纤传感器的响应信号为光信号，不受电磁场影响，因此其应用场所更为广泛，例如光纤光栅传感器，当光纤光栅受到外场(如应力场、温度场等)作用时，其栅格周期或有效折射率会发生变化，从而引起光纤光栅反射(或透射)波长的漂移，通过检测光纤光栅反射(或透射)波长的漂移量即可推测出待测外场的状态。但目前的光纤应力传感器也存在结构复杂、精度低的问题。

技术实现思路

[0004]基于以上不足之处，本专利技术提供一种基于光纤谐振腔游标效应的应力传感器及应力测量方法，克服了目前应力传感器结构复杂、易受电磁场影响、传感精度低的问题。
[0005]本专利技术的目的是这样实现的：一种基于光纤谐振腔游标效应的应力传感器，包括光源、光纤耦合器、光纤环、长周期光纤光栅、光谱仪和处理系统，所述的光源的光输出端连接光纤耦合器的第一光输入端，光纤耦合器的第二光输入端和第二光输出端分别连接光纤环的两端，长周期光纤光栅与光纤环的中部连接，光纤耦合器的第一光输出端连接光谱仪的光输入端，光谱仪的电输出端连接处理系统的电输入端，处理系统的电输出端输出传感器输出信号；
[0006]所述的光纤耦合器、光纤环和长周期光纤光栅构成光纤谐振腔；所述的长周期光纤光栅没有反射光，其透射谱包含一个透射谷，此透射谷的最小透射率为零，此透射谷的带宽是光纤谐振腔的自由谱宽的10倍及以上；所述的长周期光纤光栅的应变灵敏度为正数；所述的光源为宽带光源，其带宽是长周期光纤光栅的透射谷带宽的100倍及以上；所述的光纤耦合器为2
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2光纤耦合器。
[0007]本专利技术还具有如下技术特征：
[0008]1、所述的处理系统包括采样电路、对比电路和输出电路；采样电路的电输入端为处理系统的电输入端，输出电路的电输出端为处理系统的电输出端；光谱仪的电输出端连
接采样电路的电输入端，采样电路的电输出端连接对比电路的电输入端，对比电路的电输出端连接输出电路的电输入端，输出电路的电输出端输出传感器输出信号。
[0009]2、光谱仪采集光纤谐振腔的透射谱、并将此透射谱转化为电压信号且记为“光谱电压信号”，然后，光谱仪将光谱电压信号输入采样电路，采样电路将光谱电压信号送入对比电路；对比电路首先获取并记录透射谱1、中心频率1、透射谷中心频率1、原点1、FSR1，然后，对比电路每隔一段时间，获取并记录透射谱2、中心频率2，同时，对比中心频率2与中心频率1的大小，并进行如下两种处理：如果中心频率2大于中心频率1，则对比电路发送指令至输出电路，使输出电路输出传感器输出信号，此时，传感器输出信号为零；如果中心频率2小于中心频率1，判定长周期光纤光栅受到拉力，拉力的方向为：由长周期光纤光栅的中心沿其轴向、指向其两端；对比电路获取并记录透射谷中心频率2、FSR2、谐振频率2、谐振频率2x，将FSR1作为标尺、FSR2作为游尺，并以原点1为坐标原点，在谐振频率2x处按照游标卡尺的读数方法获得频差y，之后，对比电路由频差y得出长周期光纤光栅受到的拉力的变化量，此变化量即为长周期光纤光栅受到的拉力的大小，最后，对比电路将拉力信息送入输出电路，输出电路输出传感器输出信号，此时，传感器输出信号为长周期光纤光栅受到的拉力的大小，
[0010]其中，在长周期光纤光栅未受到应力条件下，记录光纤谐振腔的透射谱、并将此透射谱记为“透射谱1”，然后，确定透射谱1中最小透射率为零且带宽最大的透射谷的中心频率、并将此中心频率记为“中心频率1”，同时，将透射谱1中其它的透射谷的中心频率记为“透射谷中心频率1”，选取透射谷中心频率1中任意一个频率、并将此频率记为“原点1”，透射谷中心频率1的频率间隔即为此时光纤谐振腔的自由谱宽、并将此自由谱宽记为“FSR1”；
[0011]测量时，每隔一段时间，记录光纤谐振腔的透射谱、并将此透射谱记为“透射谱2”，然后，确定透射谱2中最小透射率为零且带宽最大的透射谷的中心频率、并将此中心频率记为“中心频率2”，此时，依据中心频率2的大小，分为以下两种情况：
[0012]如果中心频率2在中心频率1的高频方向，即中心频率2大于中心频率1，则传感器输出信号为零；
[0013]如果中心频率2在中心频率1的低频方向，即中心频率2小于中心频率1，判定长周期光纤光栅受到拉力，拉力的方向为：由长周期光纤光栅的中心沿其轴向、指向其两端，此时，将透射谱2中其它的透射谷的中心频率记为“透射谷中心频率2”，透射谷中心频率2的频率间隔即为此时光纤谐振腔的自由谱宽，并将此自由谱宽记为“FSR2”，此时，存在一些频率既包含在透射谷中心频率1中、又包含在透射谷中心频率2中，将这些频率记为“谐振频率2”，选取谐振频率2中距离原点1最近且小于原点1的频率，并将此频率记为“谐振频率2x”。
[0014]3、本应力传感器用于测量长周期光纤光栅受到的拉力，由光纤谐振腔的谐振频率的移动量，得出长周期光纤光栅受到的拉力的大小，此拉力的方向为：由长周期光纤光栅的中心沿其轴向、指向其两端。
[0015]4、所述的光源的输出光经光纤谐振腔输出时，光纤谐振腔的透射谱包含一个最小透射率为零、带宽已知且至少是光纤谐振腔自由谱宽10倍的透射谷；光纤谐振腔的透射谱的其余部分具有周期性，为一系列间隔为光纤谐振腔自由谱宽的峰和谷。
[0016]5、由所述的光纤谐振腔的透射谱中最小透射率为零且带宽最大的透射谷的中心频率的移动方向，判断长周期光纤光栅是否受到拉力。
[0017]6、采用如上所述的一种基于光纤谐振腔游标效应的应力传感器得出的应力测量方法，步骤如下：
[0018]步骤一：在长周期光纤光栅未受到应力条件下，记录光纤谐振腔的透射谱、并将此透射谱记为“透射谱1”，然后，确定透射谱1中最小透射率为零且带宽最大的透射谷的中心频率、并将此中心频率记为“中心频率1”，同时，将透射谱1中其它的透射谷的中心频率记为“透射谷中心频率1”，选取透射谷中心频率1中任意一个频率、并将此频率记为“原点1”，透射谷中心频率1的频率间隔即为此时光纤谐振腔的自由谱宽、并将此自由谱宽记为“FSR1”；
[0019]步骤二：测量时，每隔一段时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤谐振腔游标效应的应力传感器，包括光源(1)、光纤耦合器(2)、光纤环(3)、长周期光纤光栅(4)、光谱仪(5)和处理系统(6)，其特征在于：所述的光源(1)的光输出端连接光纤耦合器(2)的第一光输入端，光纤耦合器(2)的第二光输入端和第二光输出端分别连接光纤环(3)的两端，长周期光纤光栅(4)与光纤环(3)的中部连接，连接光纤耦合器(2)的第一光输出端连接光谱仪(5)的光输入端，光谱仪(5)的电输出端连接处理系统(6)的电输入端，处理系统(6)的电输出端输出传感器输出信号；所述的光纤耦合器(2)、光纤环(3)和长周期光纤光栅(4)构成光纤谐振腔；所述的长周期光纤光栅(4)没有反射光，其透射谱包含一个透射谷，所述的透射谷的最小透射率为零，并且透射谷的带宽是已知的，所述的透射谷的带宽是光纤谐振腔的自由谱宽的10倍及以上；所述的长周期光纤光栅(4)的应变灵敏度是已知的，且为正数；所述的光源(1)为宽带光源，其带宽是长周期光纤光栅(4)的透射谷带宽的100倍及以上；所述的光纤耦合器(2)为2
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2光纤耦合器。2.根据权利要求1所述的一种基于光纤谐振腔游标效应的应力传感器，其特征在于：所述的处理系统(6)包括采样电路(6-1)、对比电路(6-2)和输出电路(6-3)；采样电路(6-1)的电输入端为处理系统(6)的电输入端，输出电路(6-3)的电输出端为处理系统(6)的电输出端；光谱仪(5)的电输出端连接采样电路(6-1)的电输入端，采样电路(6-1)的电输出端连接对比电路(6-2)的电输入端，对比电路(6-2)的电输出端连接输出电路(6-3)的电输入端，输出电路(6-3)的电输出端输出传感器输出信号。3.根据权利要求2所述的一种基于光纤谐振腔游标效应的应力传感器，其特征在于：光谱仪(5)采集光纤谐振腔的透射谱、并将此透射谱转化为电压信号且记为“光谱电压信号”，然后，光谱仪(5)将光谱电压信号输入采样电路(6-1)，采样电路(6-1)将光谱电压信号送入对比电路(6-2)；对比电路(6-2)首先获取并记录透射谱1、中心频率1、透射谷中心频率1、原点1、FSR1，然后，对比电路(6-2)每隔一段时间，获取并记录透射谱2、中心频率2，同时，对比中心频率2与中心频率1的大小，并进行如下两种处理：(1)如果中心频率2大于中心频率1，则对比电路(6-2)发送指令至输出电路(6-3)，使输出电路(6-3)输出传感器输出信号，此时，传感器输出信号为零；(2)如果中心频率2小于中心频率1，判定长周期光纤光栅(4)受到拉力，拉力的方向为：由长周期光纤光栅(4)的中心沿其轴向、指向其两端；对比电路(6-2)获取并记录透射谷中心频率2、FSR2、谐振频率2、谐振频率2x，将FSR1作为标尺、FSR2作为游尺，并以原点1为坐标原点，在谐振频率2x处按照游标卡尺的读数方法获得频差y，之后，对比电路(6-2)由频差y得出长周期光纤光栅(4)受到的拉力的变化量，此变化量即为长周期光纤光栅(4)受到的拉力的大小，最后，对比电路(6-2)将拉力信息送入输出电路(6-3)，输出电路(6-3)输出传感器输出信号，此时，传感器输出信号为长周期光纤光栅(4)受到的拉力的大小，其中，在长周期光纤光栅(4)未受到应力条件下，记录光纤谐振腔的透射谱、并将此透射谱记为“透射谱1”，然后，确定透射谱1中最小透射率为零且带宽最大的透射谷的中心频率、并将此中心频率记为“中心频率1”，同时，将透射谱1中其它的透射谷的中心频率记为“透射谷中心频率1”，选取透射谷中心频率1中任意一个频率、并将此频率记为“原点1”，透射谷中心频率1的频率间隔即为此时光纤谐振腔的自由谱宽、并将此自由谱宽记为“FSR1”；测量时，每隔一段时间，记录光纤谐振腔的透射...

【专利技术属性】
技术研发人员：田赫，西蒂，
申请(专利权)人：东北林业大学，
类型：发明
国别省市：