[发明专利]正交偏振光纤光栅矢量扭转传感装置及其检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种扭转传感装置及其检测方法，尤其是一种正交偏振光纤光栅矢量扭转传感装置及其检测方法，属于扭转传感器领域。

背景技术

由于工程仪器及仪表测试的需求不断增长，有关扭转传感器的研制与开发日益受到重视并得到了迅速发展。就传感结构而言，已报道的扭转传感器可分为机械式、电磁式、体光栅式和光纤式等多种结构。机械式传感结构基于轴向应变片传感，其机械加工要求高,成本开销大；电磁式传感结构基于电磁离合器式测功机,其体积较大，且易受电磁场干扰；体光栅式传感器受机械加工精度、材料与器件特性的非线性制约，其应用受到限制。

光纤传感技术以光纤为物理媒质、以光波为信息载体，具有结构小巧、灵敏度高、抗电磁干扰、绝缘性好、耐腐蚀、本质安全以及便于多点组网和远距离遥测等优点，非常适合于应用在一些传统传感器受到限制的领域。光纤传感器按照其传感机理可以分为强度调制型、干涉型、光纤光栅型、光纤激光型等。由于其具有以上优点，因而得到越来越广泛的研究和应用。

经过近30年的发展，光纤传感技术取得了较快的发展。在光纤扭转传感研究的相关报道中，南开大学曾经提出过一种双向可调光纤扭转传感器。该传感器将多模光纤缠绕在弹性圆棒的表面，两端用特种胶刚性粘贴，由于圆形横截面几何形状的对称性，在一定的扭角范围内，因扭转引起的纵向、横向以及弯曲形变很微小，可以认为其横截面仍然保持平面，仅有扭转形变。这时，扭梁的扭转可作为纯扭转问题处理，由此设计了一种新型的多模光纤扭转传感器。这种扭转传感器具有灵敏度高的特点，但是能够测量的扭角范围仅仅在±40°,而且无法排除外界自然光对光功率计的影响,即无功率自校准功能，极大的影响了此种传感器的应用。

又如，燕山大学报道的一种高双折射光纤光栅扭转传感器，其通过反射率的差值与扭转角度的线性关系来测得扭转角度。这种传感器同样具有较高的灵敏度，但其缺点是需要通过空间几何光学器件进行检偏，非全光纤解调，传感系统体积大且稳定性差；与此同时，传感系统仅能得到单一偏振态下（由空间几何光学器件检偏得到）的能量输出，无法同时得到两组相互正交的偏振态能量信息，因此不能实现矢量扭转检测。

发明内容

本发明的目的，是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种采用全光纤结构，集成度高、稳定性好的正交偏振光纤光栅矢量扭转传感装置。

本发明的另一目的在于提供一种正交偏振光纤光栅矢量扭转传感装置的检测方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

正交偏振光纤光栅矢量扭转传感装置，其特征在于：包括VCSEL光源、偏振处理单元、传感探头、正交偏振解调处理单元以及光纤环形器/耦合器，所述偏振处理单元、传感探头和正交偏振解调处理单元通过光纤环形器/耦合器连接；其中，

所述偏振处理单元包括起偏器和偏振控制器，所述VCSEL光源、起偏器和偏振控制器依次连接；

所述传感探头包括单模光纤、可扭转作用于单模光纤的光纤扭转器以及一端固定于光纤扭转器且另一端悬空的保偏光纤探头，所述保偏光纤探头包括保偏光纤和写制于保偏光纤内的保偏光纤光栅，所述单模光纤与保偏光纤纤芯准直熔接，在单模光纤与保偏光纤熔接处形成的单模-保偏光纤熔接点位于保偏光纤光栅前端；

所述正交偏振解调处理单元包括偏振分束器、第一光强探测器、第二光强探测器以及矢量分析模块，所述第一光强探测器和第二光强探测器分别与偏振分束器的输出端连接，所述第一光强探测器和第二光强探测器还分别与矢量分析模块连接。

作为一种优选方案，所述VCSEL光源通过电流驱动，其输出光谱带宽为1~2nm，输出光谱中心波长与保偏光纤光栅纤芯模波长匹配，可实现高功率输出。

作为一种优选方案，所述光纤扭转器为一个均质、对称、各向同性且横截面是同心圆的空心弹性体，其采用合金的材质制成。

作为一种优选方案，所述光纤扭转器与保偏光纤探头固定的一端为扭转端，其采用合金的弹性材料制成，可保证单模光纤得到充分的固定，不发生径向旋转和轴向伸缩，转动角度可在圆周内自由选择。

作为一种优选方案，所述光纤扭转器与单模-保偏光纤熔接点之间的间距小于5mm。

作为一种优选方案，所述单模-保偏光纤熔接点与保偏光纤光栅之间的间距小于2mm。

作为一种优选方案，所述保偏光纤光栅为保偏光纤布拉格光栅，其长度小于10mm，体积小，可实现嵌入式检测。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

正交偏振光纤光栅矢量扭转传感装置的检测方法，其特征在于包括以下步骤：