基于偏振依赖损耗特性分析的光纤光栅扭转传感器研究

Twist direct measurement is one of the technical chanllenges for the normal fiber Bragg grating (FBG) sensors. The main bottleneck is the extremely low sensitivity of the normal FBG spectrum to the twist variation. However,the preceding work of our project group has shown that the twist will introduce obvious polarization effects to the FBG. Among of them, the polarization dependent loss (PDL) properties is especially sensitive to the twist and thus more suitable for mesuring twist than the conventional spectral analysis of FBG sensors. The project prepares to realize the twist measurement by exploiting the PDL properties of the normal FBG. The main contents include studying the response mechanism of the PDL parameters of the FBG versus the twist and developing theoretical models of the twist sensor based on analysis of the PDL properties; The project also deal with optimizing the design parameters by analyzing the influence of the main FBG parameters on their sensing performance. By studying the evolution of the PDL response of the FBG with respect to the temperature、strain and twist direction, a temperature and strain insensitive method which can measure twist angle and twist direction simultaneously will be proposed and a low cost sensing demodulation scheme will also be developed. The project aims to reveal the response mechanism of the PDL parameters of the normal FBG under twisting and offers new theories and methods for twist sensing by use of the normal FBG, which have wide application prospects in the area of structural health monitoring.

扭转的直接测量是光纤布拉格光栅(FBG)传感器的一项技术难题，其主要瓶颈在于普通FBG的光谱对扭转的变化极不敏感。然而,本课题组前期的研究表明,扭转能对FBG产生显著的偏振效应，其中，偏振依赖损耗(PDL)特性对扭转的响应尤其敏感，比FBG传统的光谱分析更适用于扭转测量。本项目拟采用FBG的PDL特性分析来实现扭转的测量，具体内容包括：研究扭转作用下FBG的PDL参数的响应机制，建立基于FBG的PDL特性分析的扭转传感理论模型；研究FBG的主要参数对这种传感器的性能影响，优化传感器的参数设计；通过对温度、应变以及扭转方向对FBG的PDL特性变化的研究，提出对温度和应变不敏感，能同时测量扭转角大小和方向的传感方法，并设计低成本的传感解调方案。本项目旨在揭示扭转作用下普通FBG的PDL参数的响应机制，为利用普通FBG实现扭转的直接测量提供新的理论和方法，在结构安全监测领域具有广阔的应用前景。

光纤布拉格光栅(FBG)传感器的研究在近几十年被地广泛开展。大多数的FBG传感器都被用于轴向应变的传感。然而，在桥梁、建筑的健康监测等领域，FBG用于扭转角的测量同样引人注目。普通的FBG用于扭转角测量的瓶颈主要在于其极低的灵敏度。然而，最近的研究表明，FBG的偏振依赖损耗(PDL)特性对扭转角的响应十分敏感，因此比传统的光谱分析的方法更适用于扭转角的传感。本项目利用普通FBG的PDL特性实现了扭转角的传感。项目所完成的主要研究内容包括确立了FBG的PDL参数对扭转角的响应机制，建立了基于FBG的PDL分析的扭转传感器的理论模型。项目还通过分析FBG的主要参数对其传感性能的影响，确立和优化了用于扭转传感的FBG的主要设计参数。最终，我们提出和实现了对温度和应变不敏感的基于FBG的PDL分析的扭转角大小和方向的同时测量。实验结果表明，FBG的PDL主瓣的幅度对扭转角十分敏感，和理论预测相符，其PDL曲线的两个主瓣的最大值的差值与扭转角呈良好的线性关系。因此该传感器被证明可以用于扭转角大小和方向的同时测量。当光纤受扭转长度为1cm的时候，实验获得了0.955dB/rad的灵敏度。如果利用长周期光纤光栅(LPG)替换普通的FBG作为传感单元，则传感灵敏度还可以进一步提升至1.911 dB/rad。本项目为利用普通FBG进行扭转角的传感提供了新的理论和实现方法，该传感器在结构健康监测领域具有很大的应用前景。需要指出的是，利用偏振分析的方法，FBG传感器还可以用于横向压力的测量。