本发明专利技术提供了一种基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器及应变测量方法。ASE光源发出的连续光经光起偏器、光电调制器后变为脉冲光；脉冲光在环形衰荡腔内多次循环衰减，在每次的循环中，只有小部分信号光通过第二耦合器的第一输出端输出，并被光电探测器检测，其余部分继续在环形腔中衰减。当传感光纤光栅产生应变时，传感光纤光栅和辅助光纤光栅光谱的相对位置发生变化，导致环形衰荡腔的损耗变化，进而导致脉冲信号的衰荡时间变化，因此通过探测脉冲信号的衰荡时间可获得传感光纤光栅的应变。由于传感光纤光栅和辅助光纤光栅的温度响应相同，温度变化不会改变环形衰荡腔的损耗以及光脉冲信号的衰荡时间，因此该传感器可实现温度自动补偿。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及应变传感技术，尤其涉及一种基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器。
技术介绍
光纤光栅应变传感器以激光作为应变信息的载体，利用光纤传输激光，因此，与传统的电信号为基础的应变传感器相比，具有电绝缘、抗电磁干扰、体积小、重量轻、可多路复用、可现场实时遥测和动态测量范围广等诸多优点，因此，目前广泛应用于民用工程结构、航空航天业、船舶航运业、电力工业、石油化工业、医学、核工业等行业，尤其是在高电压、强电磁场、易燃易爆的恶劣环境中具有很强的应用优势。光纤光栅不但对应变敏感，同时对温度也异常敏感，因此利用光纤光栅测量应变信号时必须消除环境温度的影响。此外，1微应变只能引起光纤光栅约1pm的波长变化，要提高光纤光栅的应变灵敏度需要借助高灵敏的解调方法。光纤环形腔衰荡光谱技术是一种光信号解调方法，具有灵敏度高、不受光源光强波动影响、抗干扰能力强等优点，引起了广泛关注，成为痕量检测的主要技术手段之一。文章1（Daqing Tang, Dexing Yang, Yajun Jiang, Jianlin Zhao, Haiyan Wang, Shiquan Jiang, “Fiber loop ring-down optical fiber grating gas pressure sensor,”Optics and Lasers in Engineering, 2010, 48:1262–1265.）披露了一种基于光纤环形腔衰荡光谱技术和单个光纤光栅的压力传感器，尽管此传感器理论上可提高光纤光栅的测量灵敏度，但是由于无法补偿环境温度的影响，因此只能应用于恒温条件下；文章2（N. Ni,C. C. Chan,X. Y. Dong, J. Sunand P Shum, “Cavity ring-down long-period fibregrating strain sensor,”Measurement Science and Technology, 2007, 18:3135–3138.）披露了一种基于光纤环形腔衰荡光谱技术、长周期光栅和光纤光栅的应变传感器，由于长周期光栅和光纤光栅对温度的响应不同，因此，此应变传感器同样无法补偿温度的影响。
技术实现思路
在下文中给出了关于本专利技术的简要概述，以便提供关于本专利技术的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本专利技术的穷举性概述。它并不是意图确定本专利技术的关键或重要部分，也不是意图限定本专利技术的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。鉴于此，本专利技术提供了一种基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器及应变检测方法，以至少解决现有的基于光纤环形腔衰荡光谱技术和光纤光栅的应变传感器受温度干扰的问题。根据本专利技术的一个方面，提供了一种基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器及应变检测方法，该基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器包括ASE光源、起偏器、电光调制器、波形发生器、环形衰荡腔、光电探测器和示波器；其中，环形衰荡腔由第一耦合器、第一环形器、传感光纤光栅、EDFA放大器、第二耦合器、第二环形器、辅助光纤光栅和延时光纤构成; ASE光源发出的连续光经起偏器变为脉冲光，该脉冲光在环形衰荡腔内循环衰减，衰减后的脉冲光信号由第二耦合器的第二输出端输出，然后进入光电探测器，光电探测器将接收到的衰荡脉冲光信号转化为电信号，该电信号由示波器输出。进一步地，第一耦合器的输出端与第一环形器的输入端连接，第一环形器的输入输出端与传感光纤光栅连接，第一环形器的输出端与EDFA放大器的输入端连接，EDFA放大器的输出端与第二耦合器的输入端连接，第二耦合器的第一输出端与光电探测器连接，第二耦合器的第二输出端与第二环形器的输入端连接，第二环形器的输入输出端与辅助光纤光栅连接，第二环形器的输出端与延时光纤的输入端连接，延时光纤的输出端与所述第一耦合器的第二输入端连接。进一步地，传感光纤光栅和辅助光纤光栅的反射谱均近似为高斯型，传感光纤光栅的3dB谱宽小于辅助光纤光栅的3dB谱宽的一半，且传感光纤光栅的中心波长位于辅助光纤光栅的反射谱的斜坡上；传感光纤光栅对被测应变和环境温度同时敏感，辅助光纤光栅对环境温度敏感而对被测应变不敏感，且传感光纤光栅和辅助光纤光栅对环境温度的响应相同。进一步地，ASE光源为宽谱光源，且在工作波段内输出光谱的光强相同。进一步地，ASE光源发出的连续光经过起偏器和光电调制器后变为脉冲光，该脉冲光由第一耦合器的第一输入端进入环形衰荡腔，且在环形衰荡腔内每循环一周都有相同光强比例的部分脉冲光由第二耦合器的第一输出端输出，然后进入光电探测器接收。进一步地，波形发生器为光电调制器提供脉冲调制信号。进一步地，所述第一耦合器的第一输入端和第二输入端的分光比为1:99，所述第二耦合器的第一输出端和第二输出端的分光比为1:99。进一步地，脉冲光在环形衰荡腔内循环一周所需的时间为脉冲光宽度的2-10倍，为脉冲光周期的1/50-1/20。进一步地，ASE光源的工作波段为1530nm-1570nm。根据本专利技术的另一方面，还提供了一种基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器的应变检测方法，该检测方法为：步骤一：波形发生器给光电调制器提供脉冲信号，使ASE光源发出的连续光经起偏器和光电调制器后变为脉冲光，通过控制该脉冲光的脉宽和周期以及延时光纤的长度，使脉冲光在环形衰荡腔内循环一周所需的时间tr为脉冲光脉宽的2-10倍、脉冲光周期的1/50-1/20；步骤二：通过调节EDFA放大器的增益调节环形衰荡腔的环路损耗，使示波器输出衰荡的脉冲电压信号，然后固定EDFA放大器的增益，保证应变测量过程中此增益保持不变；步骤三：根据辅助光纤光栅反射谱的边带斜率k 、传感光纤光栅的弹光系数Pe、光脉冲信号在环形衰荡腔中传输一圈所用的时间tr 和脉冲光在环形衰荡腔内衰荡时间τ 的变化量dτ得到传感光纤光栅的应变变化量d ε 。本专利技术的基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器，通过将两光纤光栅在环形衰荡腔内级联的方式解决了温度对传感光纤光栅的干扰问题，由于采用了光纤环形腔衰荡光谱技术该应变传感器具有灵敏度高、不受光源光强波动影响、抗干扰能力强的优点。通过以下结合附图对本专利技术的最佳实施例的详细说明，本专利技术的这些以及其他优点将更加明显。附图说明本专利技术可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本专利技术的优选实施例和解释本专利技术的原理和优点。在附图中：图1是示出本专利技术的基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器的一个示例的结构示意图；图2是示出图1所示的传感光纤光栅和辅助光纤光栅的一种可能光谱分布的示意图；本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本专利技术实施例的理解；图3是示出本专利技术的基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器的应变检测方法。具体实施方式在下文中将结合附图对本专利技术的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器，其特征在于，所述基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器包括ASE光源（1）、起偏器（2）、电光调制器（3）、波形发生器（4）、环形衰荡腔（5）、光电探测器（6）和示波器（7）；其中，所述环形衰荡腔（5）由第一耦合器（501）、第一环形器（502）、传感光纤光栅（503）、EDFA放大器（504）、第二耦合器（505）、第二环形器（506）、辅助光纤光栅（507）和延时光纤（508）构成；所述第一耦合器（501）的输出端（501C）与所述第一环形器（502）的输入端（502A）连接，所述第一环形器（502）的输入输出端（502B）与传感光纤光栅（503）连接，所述第一环形器（502）的输出端（502C）与所述EDFA放大器（504）的输入端连接，所述EDFA放大器（504）的输出端与所述第二耦合器（505）的输入端（505C）连接，所述第二耦合器（505）的第一输出端（505A）与所述光电探测器（6）连接，所述第二耦合器（505）的第二输出端（505B）与所述第二环形器（506）的输入端（506A）连接，所述第二环形器（506）的输入输出端（506B）与辅助光纤光栅（507）连接，所述第二环形器（506）的输出端（506C）与所述延时光纤（508）的输入端连接，所述延时光纤（508）的输出端与所述第一耦合器（501）的第二输入端（501B）连接；所述传感光纤光栅（503）和所述辅助光纤光栅（507）的反射谱均近似为高斯型，所述传感光纤光栅（503）的3dB谱宽小于所述辅助光纤光栅（507）的3dB谱宽的一半，且所述传感光纤光栅（503）的中心波长位于所述辅助光纤光栅（507）的反射谱的边带上；所述传感光纤光栅（503）对被测应变和环境温度同时敏感，所述辅助光纤光栅（507）对环境温度敏感而对被测应变不敏感，且所述传感光纤光栅（503）和所述辅助光纤光栅（507）对环境温度的响应相同；所述的ASE光源为宽谱光源，且在工作波段内输出光谱的光强相同；所述的ASE光源（1）发出的连续光经过所述起偏器（2）和所述光电调制器（3）后变为脉冲光，所述脉冲光由所述第一耦合器的第一输入端（501A）进入所述环形衰荡腔（5），并在环形衰荡腔（5）内循环衰减，在每次的循环中，只有一小部分脉冲信号光通过第二耦合器（505）的第一输出端（505A）输出，并被光电探测器检测，其余部分继续在环形腔中衰减。...
【技术特征摘要】
1.基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器，其特征在于，所述基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器包括ASE光源（1）、起偏器（2）、电光调制器（3）、波形发生器（4）、环形衰荡腔（5）、光电探测器（6）和示波器（7）；其中，所述环形衰荡腔（5）由第一耦合器（501）、第一环形器（502）、传感光纤光栅（503）、EDFA放大器（504）、第二耦合器（505）、第二环形器（506）、辅助光纤光栅（507）和延时光纤（508）构成；所述第一耦合器（501）的输出端（501C）与所述第一环形器（502）的输入端（502A）连接，所述第一环形器（502）的输入输出端（502B）与传感光纤光栅（503）连接，所述第一环形器（502）的输出端（502C）与所述EDFA放大器（504）的输入端连接，所述EDFA放大器（504）的输出端与所述第二耦合器（505）的输入端（505C）连接，所述第二耦合器（505）的第一输出端（505A）与所述光电探测器（6）连接，所述第二耦合器（505）的第二输出端（505B）与所述第二环形器（506）的输入端（506A）连接，所述第二环形器（506）的输入输出端（506B）与辅助光纤光栅（507）连接，所述第二环形器（506）的输出端（506C）与所述延时光纤（508）的输入端连接，所述延时光纤（508）的输出端与所述第一耦合器（501）的第二输入端（501B）连接；所述传感光纤光栅（503）和所述辅助光纤光栅（507）的反射谱均近似为高斯型，所述传感光纤光栅（503）的3dB谱宽小于所述辅助光纤光栅（507）的3dB谱宽的一半，且所述传感光纤光栅（503）的中心波长位于所述辅助光纤光栅（507）的反射谱的边带上；所述传感光纤光栅（503）对被测应变和环境温度同时敏感，所述辅助光纤光栅（507）对环境温度敏感而对被测应变不敏感，且所述传感光纤光栅（503）和所述辅助光纤光栅（507）对环境温度的响应相同；所述的ASE光源为宽谱光源，且在工作波段内输出光谱的光强相同；所述的ASE光源（1）发出的连续光经过所述起偏器（2）和所述光电调...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨玉强，葛伟，李林军，张换男，杨群，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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