一种测量应力方向的光纤传感器的制作方法

本发明涉及传感器技术领域，特别是基于光纤在外应力作用下的偏振状态，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实际方向角的光纤传感器。

背景技术：

与电传感器相比，光纤传感器具有集成度高、抗干扰能力强、成本低、灵敏度高、精度高、绝缘性好、分布测量好等优点。因此，光纤传感器已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。光纤传感已广泛应用于交通、军工、建筑、能源、安全、冶金等领域。

随着光纤性能的不断提高和应力传感技术的快速发展，基于光纤的应力传感，包括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。但这些技术往往局限于特定的光纤，对探测器的要求较高，不利于降低成本和促进实际应用；此外，所有光纤应力传感器仅限于测量应力的大小，无法测量相应的应力方向。对应力方向的测量也局限于传统的机械测量，导致传感器体积大、价格昂贵、精度低、集成度低。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。

技术实现要素：

本发明的目的是提供结构简单、集成度高、兼容性强、灵敏度高的光纤传感器，基于光纤在外应力作用下绕外应力主轴旋转的原理，以及外应力主轴方向角与外应力实际方向角之间的线性关系，通过Matlab计算算外应力的实际方向，测量方向角误差在1%以内。该传感器不仅可以测量外应力方向，还可以结合相应的数据处理技术测量外应力的大小和方向。

为了克服现有光纤应力传感器的问题，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、偏振分析仪和计算机。Matlab算法解决外应力方向。

此外，通过调整第一偏振控制器和第二偏振控制器，当传感光纤不受外应力影响时，偏振分析仪邦加球上显示的偏振状态调整到赤道。

此外，作为首选，在传感光纤上人工施加已知方向的外应力，记录邦加球偏振态的变化轨迹，计算外应力主轴作为参考主轴；然后去除人工外应力。

此外，作为首选，当传感光纤在任何方向受到外应力时，外应力的主轴是通过偏振态在邦加球上绕外应力主轴旋转来测量的。

此外，作为首选，根据外应力主轴与已知方向应力之间的夹角和外应力方向角的线性关系，使用Matlab计算外应力方向角的算法。

此外，传感光纤作为首选，不限于特定光纤，但不限于普通单模光纤、保偏光纤和扭转光纤。

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光纤应力方向传感器，以及外应力主轴方向角与外应力实际方向角之间的线性关系。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、偏差保护光纤和扭转光纤，因此兼容性高，可以根据现有的光纤传感网络实现应力方向测量，无需铺设光纤，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

当结合附图时，通过参考以下详细描述，可以更完整、更好地理解本发明，容易了解许多伴随的优点，但附图用于提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意实施例和说明用于解释本发明，不构成本发明的不当限制，包括：

图1是本发明测量应力方向的光纤传感器系统示意图。

图2显示了偏振态在邦加球上绕外应力主轴旋转的轨迹。

图3显示了外应力方向角测量变化曲线。

具体实施方法

本发明的实施例参照图1-3说明。

为了使上述目的、特点和优点更加明显和易于理解，本发明结合附图和具体实施方法进一步详细说明。

如图1所示，一种测量应力方向的光纤传感器，包括激光101、102、103、104、105、计算机Matlab算法106；其中，激光101输出连接第一偏振控制器102端，第一偏振控制器102端连接传感光纤103端，传感光纤103另一端与第二偏振控制器104的一端连接，第二偏振控制器104的另一端与偏振分析仪105的输入端连接，所述偏振分析仪记录光纤受外应力作用时偏振态在邦加球上的旋转轨迹，偏振分析仪105的输出端连接计算机106，所述计算机通过Matlab算法计算外应力方向角的信息。

本发明实现应力方向测量的原理如下：

当光纤受到外应力的影响时，光纤介电常数由固有介电常数和外应力介电常数组成。因此，总双折射也类似于由固有双折射和外应力双折射组成，以满足矢量叠加原理总双折射可以表示为

N＝B A (1)

N是总双折射矢量，B固有双折射矢量，A双折射矢量引入外应力。由于弹光效应，外应力双折射矢量也可以表示为

其中θ为外应力与光纤固有双折射主轴的方向夹角；k常数与弹光系数有关；p外应力大小；应力双折射单位矢量。

此时，受外应力影响的光纤的偏振特性用四元数表示如下

eN＝eB A (3)

输出光的偏振态和输入光的偏振态可用四元数表示

(3)代入(4)型，输出光的偏振态可表示如下

将(5)式两端都对应力大小p求导，按照四元数的叉乘法则，可得

所以(6)型可以表示以下两种等式

(7-8)类型可以解释为，当应力大小p发生变化时，输出偏振态在邦加球上绕外应力主轴以角速k旋转；外应力主轴的方向角和外应力的实际方向角θ线性关系的两倍。因此，根据输出光偏振态在邦加球上的进化轨迹，通过Matlab算法将演变轨迹转换为外应力主轴的方向角信息，然后利用外应力主轴的方向角与外应力实际方向角的两倍线性关系，最终获取外应力实际方向角的信息。

由于光纤横截面不易识别方向参数，因此在测量应力方向之前需要人工选择外应力参考方向角。当传感光纤不受外应力影响时，人工施加已知方向的外应力，通过邦加球测量偏振态的轨迹Matlab算法计算了外应力主轴的方向角，并以外应力主轴的方向角为参考主轴。测量后的外应力主轴方向角相对于参考主轴方向角。

图2为邦加球坐标系。偏振变化轨迹为图中的粗圆，通过Matlab该轨迹旋转的外应力主轴的方向角2θ，因此，可以获得外应力的实际方向角θ。

图3显示了外应力方向测量变化曲线。不同曲线所代表的待测光纤不同：1是领结型偏光纤；2是G.652单模光纤；3是扭转高双折射光纤。传感光纤103在任何方向都受到外应力的影响，偏振分析仪105通过记录偏振态的变化信息Matlab与实际外应力方向进行比较；多次改变外应力方向，重复上述步骤，比较不同外应力方向的测量值和实际值。

大量实验表明，光纤应力方向传感器适用于但不限于普通单模光纤、偏差保护光纤或扭转光纤等各种类型的光纤。方向角测量范围为0°到180°，测量误差在1％以内。

虽然上述描述了本发明的具体实施方法，但该领域的技术人员应该明白，这些具体实施方法只是一个例子，该领域的技术人员可以省略、替换和改变上述方法和系统的细节，而不脱离本发明的原则和本质。例如，本发明的范围是将上述方法和步骤结合起来，以实现相同的结果。因此，本发明的范围仅限于所附权利要求书。