與傳統(tǒng)電學(xué)傳感器相比，光纖傳感器具備無源、抗電磁干擾、耐腐蝕、壽命長等顯著優(yōu)勢，尤其適用于復(fù)雜電磁環(huán)境、高溫高壓及遠(yuǎn)程監(jiān)測場合。

應(yīng)變作為反映結(jié)構(gòu)形變與受力狀態(tài)的關(guān)鍵物理量，其精確測量對橋梁、航空、能源設(shè)施的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

目前光纖應(yīng)變傳感器主要分為強(qiáng)度調(diào)制型、偏振調(diào)制型、波長調(diào)制型和相位調(diào)制型四大類。其中，偏振調(diào)制型傳感器因靈敏度高、結(jié)構(gòu)靈活，近年來備受關(guān)注。

在這一技術(shù)脈絡(luò)中，保偏光纖憑借其優(yōu)異的偏振保持能力，成為實現(xiàn)高精度偏振調(diào)制傳感器的理想載體。

全保偏光纖反射式雙折射干涉應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)與原理

本發(fā)明提出的傳感器采用全保偏光纖結(jié)構(gòu)，主要包括以下組件：

• 第一保偏光纖與第二保偏光纖，兩者以45°角旋轉(zhuǎn)熔接

• 第二保偏光纖端面涂覆有鍍金反射層

• 保偏耦合器，連接起偏器、手動檢偏器與傳感光纖段

圖1 展示光路在保偏光纖中的傳播與干涉過程

其工作原理可概括為：

寬譜光源發(fā)出的光經(jīng)起偏器變?yōu)榫€偏振光，進(jìn)入保偏光纖后激勵起兩個正交偏振模。

這兩個模在光纖中傳播時因折射率差異產(chǎn)生相位差，經(jīng)鍍金層反射后再次合束，通過檢偏器發(fā)生干涉，最終在光譜儀上形成干涉譜。

外界應(yīng)變作用于傳感光纖時，會改變光纖的雙折射特性，進(jìn)而引起干涉譜的波長漂移，通過監(jiān)測這一漂移量即可實現(xiàn)對應(yīng)變的高靈敏度測量。

系統(tǒng)搭建與實驗驗證

在實際實驗系統(tǒng)中，我們采用了以下關(guān)鍵器件：

• 寬譜光源（ASE，1530–1565nm）

• 保偏耦合器與手動檢偏器

• 高分辨率光譜儀

• 等強(qiáng)度梁與微分頭應(yīng)變加載裝置

圖2 展示完整的傳感光路與設(shè)備連接方式

傳感頭由兩段旋轉(zhuǎn)45°熔接的保偏光纖構(gòu)成，粘貼于等強(qiáng)度梁表面。通過調(diào)節(jié)微分頭施加不同應(yīng)變，觀察光譜儀中干涉波谷的波長變化。

實驗結(jié)果表明，干涉波谷波長與應(yīng)變呈良好線性關(guān)系，線性度最高可達(dá)98.6%，且波谷隨應(yīng)變增大向長波方向“紅移”，重復(fù)性高，穩(wěn)定性強(qiáng)。

技術(shù)優(yōu)勢與應(yīng)用潛力

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方案具備以下突出優(yōu)點：

• 結(jié)構(gòu)簡單：僅需保偏光纖熔接與鍍金處理，工藝成熟，易于制作

• 靈敏度高：基于雙折射干涉原理，對應(yīng)變響應(yīng)靈敏，分辨率優(yōu)異

• 成本可控：主要材料為保偏光纖，適合規(guī)模化生產(chǎn)與應(yīng)用

• 環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)：全光纖結(jié)構(gòu)，抗電磁干擾，適用于工業(yè)復(fù)雜環(huán)境

圖4 展示應(yīng)變增大時干涉譜波谷的紅移現(xiàn)象-廣西科毅光通信

這類傳感器可廣泛應(yīng)用于：

• 土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

• 航空航天器應(yīng)變分布測量

• 油氣管道安全監(jiān)測

• 智能制造中的精密形變感知

與光開關(guān)系統(tǒng)的協(xié)同與集成前景

作為光開關(guān)研發(fā)與制造企業(yè)，廣西科毅光通信深知光纖傳感系統(tǒng)與光控制設(shè)備協(xié)同工作的重要性。

在現(xiàn)代分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)中，光開關(guān)扮演著路由選擇、通道切換、系統(tǒng)冗余備份的關(guān)鍵角色。

例如，在多點應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)中，可通過光開關(guān)實現(xiàn)多傳感單元的時分復(fù)用，顯著提升系統(tǒng)容量與經(jīng)濟(jì)性。

此外，保偏光纖傳感器輸出的偏振態(tài)信息，也可與保偏光開關(guān)結(jié)合，構(gòu)建全偏振保持的光路系統(tǒng)，進(jìn)一步提升信號完整性，降低系統(tǒng)誤報率。

圖5 展示傳感器的高線性響應(yīng)特性-廣西科毅光通信

未來，隨著光纖傳感朝著網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化方向發(fā)展，光開關(guān)不再僅僅是通道切換設(shè)備，更是實現(xiàn)靈活組網(wǎng)、智能診斷的核心樞紐。

科毅光通信將持續(xù)推進(jìn)高可靠性光開關(guān)與各類光纖傳感器的深度融合，助力工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與智慧基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。

本次基于一項創(chuàng)新的全保偏光纖反射式雙折射干涉應(yīng)變傳感器專利，系統(tǒng)闡述了其工作原理、實驗方法與技術(shù)優(yōu)勢。該傳感器結(jié)構(gòu)簡潔、靈敏度高、適應(yīng)性強(qiáng)，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等領(lǐng)域具有明確的應(yīng)用價值。同時，我們也看到，光纖傳感系統(tǒng)的效能不僅取決于傳感器本身，還依賴于光開關(guān)、耦合器、光源等配套光器件的協(xié)同支持。

作為國內(nèi)領(lǐng)先的光開關(guān)解決方案提供商，廣西科毅光通信將繼續(xù)深耕光器件研發(fā)，推動光纖傳感與光通信設(shè)備的有機(jī)融合，為客戶提供更穩(wěn)定、智能、高效的光系統(tǒng)解決方案。

  （注：本文部分內(nèi)容由AI協(xié)助習(xí)作，僅供參考）