[发明专利]一种测量应力方向的光纤传感器

说明书

本发明公开了一种测量应力方向的光纤传感器，包括依次连接的激光器、第一偏振控制器、传感光纤、第二偏振控制器、偏振分析仪以及计算机Matlab算法。所述传感光纤受外应力作用时，偏振分析仪记录偏振态在邦加球上绕外应力主轴旋转的信息，所述Matlab算法利用外应力主轴相对于参考外应力主轴的方向角与外应力实际方向角的线性关系，计算出外应力的实际方向角。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于光纤在外应力作用下偏振态在邦加球上绕外应力主轴旋转的原理，利用外应力主轴方向角与外应力实际方向角之间的线性关系测量外应力的实际方向角的光纤传感器。

背景技术

与电传感器相比较，光纤传感器具有集成度高、抗干扰能力强、成本低廉、灵敏度和精度高、绝缘性好、可实现分布测量等优势，因此光纤传感器已经成为一个热门的研究领域。光纤传感器可用于测量应力、应变、振动、温度、位移、声音、弯曲和湿度等物理量。光纤传感已经广泛应用于交通、军工、建筑、能源、安全、冶金等领域。

随着光纤性能的不断提升和应力传感技术的快速发展，基于光纤的应力传感逐渐得到重视，包括基于偏振光时域反射技术(POTDR)，布里渊动态光栅(BDG)以及萨格奈克干涉仪等新型传感技术实现应力的检测；用于应力传感的光纤主要包括普通单模光纤、光纤光栅和保偏光纤等。但这些技术往往只局限于特定光纤，且对探测器的要求较高，不利于成本的降低和实际应用的推广；另外，目前所有的光纤应力传感器，都只限于测量应力的大小，无法实现对应力方向的测量。对应力方向的测量还局限于利用传统机械测量，导致传感器存在体积大、价格昂贵、精度低和集成度低等缺点。随着集成传感器的发展和成熟，对光纤应力方向传感的需求也日渐急迫。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、集成度高、兼容性强和灵敏度高的测量应力方向的光纤传感器，该传感器是基于光纤在外应力作用下偏振态在邦加球上绕外应力主轴旋转的原理，以及该外应力主轴方向角与外应力实际方向角之间的线性关系而设计；只需测量偏振态在邦加球上的演化轨迹，通过Matlab算法计算得到外应力的实际方向，测量方向角误差在1％以内。该传感器不仅可用外应力方向的测量，也可结合相应的数据处理技术实现外应力大小和方向的同时测量。

为了克服现有光纤应力传感器存在的问题，本发明实施例公开了一种测量应力方向的光纤传感器，包括依次连接的激光器、第一偏振控制器、传感光纤、第二偏振控制器、偏振分析仪以及计算机，其特征在于，所述传感光纤受外应力作用，偏振分析仪记录偏振态斯托克斯参数的变化信息，并利用Matlab算法解算出外应力方向。

进一步，作为优选，通过调节第一偏振控制器与第二偏振控制器，当传感光纤不受外应力作用时，使偏振分析仪邦加球上显示的偏振态调整到赤道上。

进一步，作为优选，在传感光纤上人为施加一个已知方向的外应力，记录偏振态在邦加球上的变化轨迹，并由此计算出这个外应力的主轴，作为参考主轴；然后撤除该人为的外应力。

进一步，作为优选，当传感光纤受到任意方向的外应力时，利用偏振态在邦加球上绕该外应力主轴旋转的原理，测量出该外应力的主轴。

进一步，作为优选，根据该外应力主轴和人为施加的已知方向应力的参考主轴之间的夹角，与外应力的方向角的线性关系，利用Matlab算法计算出该外应力方向角。

进一步，作为优选，所述传感光纤不局限于特定光纤，使用但不限于普通单模光纤、保偏光纤及扭转光纤。

本发明提供了一种基于光纤在外应力作用下偏振态在邦加球上绕外应力主轴旋转的原理，以及该外应力主轴方向角与外应力实际方向角之间的线性关系而设计的光纤应力方向传感器。该光纤应力方向传感器使用的传感光纤不限于普通单模光纤、保偏光纤及扭转光纤等，因此兼容性高，能基于现有的光纤传感网络实现应力方向测量，不需要另外铺设光纤，有效弥补了光纤应力传感器对应力方向测量的不足。

附图说明