用于光纤应变测量的系统技术方案

公开了测量物体应变的系统。该测量系统包括：激光源，生成输出辐射；可应变光纤，具有第一和第二面，第一面耦接到激光源，以接收至少部分输出辐射并将引导的辐射通过光纤朝向第二面传输；和计算光纤至少一部分的应变量度的计算装置。光纤至少一部分包括第一和第二截面，第二截面由光纤至少一部分的应变而根据第二截面相对于第一截面沿光纤至少一部分的线性位移来移动。第二面适于接收所引导的辐射并朝第一面反射相应的反射辐射。激光源是自混合型，适于接收从第二面引导到第一面的反射辐射的至少一部分，并将输出辐射与接收到的辐射相混合。计算装置适于通过由激光源中的自混合效应测量的第二截面的线性位移来计算光纤至少一部分的应变的量度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于测量物体的应变的系统。更具体地说，本发 明涉及一种基于光纤的应变的应变测量系统。
技术介绍
已知可以利用包括激光源和光纤的系统来执行对物体的应变的测量这种测量系统通常被称为基于光纤的应变测量系统(或应变传 感器)(或者简称为基于光纤的应变系统)。已知的基于光纤的应变系统(例如，参见公开号为2008/0085073 的美国申请)利用如下光纤来执行对物体应变的测量，在该光纤的很 短的一段(几厘米长)中包括光纤布拉格光栅，该光纤布拉格光栅附 接到可应变的物体并且发生应变。根据该已知系统，激光源生成引导 到光纤上并且被光纤布拉格光栅反射的输出辐射，其中，所反射的辐 射受到波长偏移的影响，所述波长偏移取决于光纤的包括光纤布拉格 光栅的段的应变。接收器将所反射的辐射转换为电信号，并且频谱分 析仪根据所反射的辐射的振幅的变化来估计光纤的(包括光纤布拉格 光栅的)该段的应变。该已知系统的缺点在于应变测量的分辨率取决 于光纤布拉格光栅的止带，由此要求复杂电子设备来执行测量，并且 由于光纤布拉格光栅只有几厘米长，所以仅可以执行对可应变物体的 很短一段(例如，结构缝)的测量。另一已知的基于光纤的应变系统(例如，参见公开号为 EP1760424的欧洲申请)利用布里渊散射现象来执行对物体应变的测 量，其中根据从光纤发出的光确定布里渊损耗或增益谱。这种已知系 统的缺点在于要求昂贵的光纤(掺铒的)，要求高功率激光源，并且 要求复杂电子设备来执行测量。
技术实现思路
鉴于已知方案的缺陷，本专利技术的主要目的在于提供一种改进的基 于光纤的应变系统。该目的是通过根据权利要求1的测量系统和根据权利要求2至13的测量系统的优选实施例来实现的。执行该测量的 基本思想在于，采用光纤本身作为感测元件，并且利用激光源中的自 混合(self-mixing)效应来测量光纤的应变。本专利技术的优点在于-允许测量较长物体的应变；-降低了测量系统，尤其是执行测量的电子设备的复杂性和成 本，同时保持良好的分辨率和工作频率范围。附图说明图1示意性地示出了根据本专利技术实施例的基于光纤的应变系统。 图2示意性地示出了第一示例，其中可以采用根据本专利技术的基于光纤的应变系统。图3示意性地示出了第二示例，其中可以采用根据本专利技术的基于光纤的应变系统。具体实施例方式参照图1，示出了根据本专利技术实施例的基于光纤的应变的测量系 统50。该测量系统包括自混合激光源1、光纤2、物体3、光电检测 器4、处理电路5、微控制器6以及激光驱动器7。优选地，激光源l是分布式反馈(DFB) InGaAsP激光二极管， 其适于生成波长例如为1550 nm的输出辐射。有利的是，激光源l是 带尾纤的，并且激光源1事先(例如，在激光源制造期间)耦接到光 纤2，以获得包括激光源l和光纤2的第一面(facet) 10的单个封装 (例如，封装是由塑料制成)，其中，激光源2相对于第一面10的 的位置定位成使得耦合效率(例如，激光源与光纤之间的对准)最大，并且第一面IO朝向激光源l反射的辐射最小。此外，激光源l是自 混合型，其适于生成输出辐射并且接收被反射的辐射输出辐射与接 收到的辐射相混合，并且该混合导致输出辐射的光学特性(例如，光 功率)发生变化，下面将对此进行更好的解释。光纤2例如是单模光纤(如Corning SMF28 ),该光纤2限定 在耦接到激光源1的第一面IO与第二面ll之间。优选地，第二面11 是自由；例如，第二面与如FP/PC连接器的光纤连接器端接。光纤2 至少部分地是可应变的具体地，光纤2包括限定在光纤2的第一截 面14与光纤2的第二截面15之间的部分8 (该部分8还可以被称为 光纤2的一段)，并且光纤2的部分8的初始长度X。可以通过 增加或减小该长度而改变，如下面将更详细描述的。例如，光纤2的 部分8的长度在几厘米到几米之间，该长度可以增加达几毫米并可以 减小达几毫米。因此，通过光纤2的部分8的应变使得第二截面15 按照第二截面15相对于第一截面14的线性位移而移动这是由光纤 2的拉伸部分8获得的。物体3是可应变的具体地，出于解释本专利技术的目的，假设物体 3沿X方向变形，X方向与光纤2的部分8基本上平行，并且由此物 体3的长度沿X方向改变(增加或减小长度)。例如，物体3是在温 度改变、机械应力或振动的情况下沿X方向变形的轴(axel) ;该轴 可以是桥梁的桁架或者工业机器(铣床、车床…)的一部分。物体3 可以是更大物体的一部分。光纤2的部分8附接到物体3的表面，从而物体3的至少一部分 的应变引起光纤2的部分8的应变；假设部分8的应变等于物体3的 应变，即物体3的沿着X方向的初始长度等于X。(前面称作部分8 的初始长度)并且可以改变AX (前面称作第二截面15相对于部分8 的第一截面14的线性位移)。具体地，图1示出了光纤2的部分8 的第一截面14在位于X方向上的点12中附接到物体3，并且示出第 二截面15在位于X方向上的点13中附接到物体3，从而第二截面15 可由物体3的应变而根据第二截面15相对于第一截面14沿部分8的6X方向的线性位移AX移动(换言之，光纤2的部分8的长度可以改 变)。本专利技术允许利用单模光纤Corning SMF28测量达几毫米的线性 位移AX。动态范围(即，可利用系统50测量的最大线性位移AX) 仅受特定光纤2的部分8沿X方向的屈服强度限制。具体地，Corning SMF28光纤2的屈服强度约为10*10-3*Xfl，其中X。是光纤2的部分8 的初始长度(即，在部分8变形之前)因此，系统50的动态范围 约为10*1(T3*X。，而光纤2的部分8的长度可以增加(或减小)达 10*10-3*Xo。例如，针对等于1米的X。，系统50的动态范围是10毫 米。光纤2的部分8可以按照不同的方案而附接到物体3:例如，部 分8可以粘贴到物体3的(部分或全部)表面，或者可以嵌入到物体 3中(例如，它可以附接到物体3的中空部分)。光电检测器(例如，光电二极管)适于从激光源l生成的输出辐 射的检测到的光功率生成电信号。处理电路5适于处理电信号。微控制器6适于提供物体3的应变的量度。包括光电检测器4、处理电路5以及微控制器6的装置的功能是 从激光源l生成的输出辐射的光学特性的变化来计算物体3的应变的 量度，如下面将更详细描述的。激光驱动器7适于驱动激光源1。下面将参照图1来描述测量系统50的实施例的功能。激光源1生成输出辐射，该输出辐射通过第一面10 (至少部分 地)被光纤2接收。输出辐射通过光纤2被朝向第二面11引导。第二面11接收所引导的辐射，并且从第二面11朝向第一面10 反射所反射的辐射。激光源l接收从第二面11引导到第一面10的(至少部分)反射 辐射，并且接收到的辐射进入激光源1的腔体，从而生成自混合效应。 根据自混合效应，在激光腔内生成(并且传输通过光纤2)的输出辐 射与进入激光腔的反射辐射在激光源1的腔体中发生干涉。在激光源71的输出面与光纤的第二面11之间的光学路径长度发生变化的情况 下，该干涉导致对激光腔中的振荡场的振幅或频率的调制，并由此导 致激光源l生成的输出辐射的光学特性的变化，如光功率的变化、频 率的变化、激光线宽的变化、或者结电压的变化。激光源l的输出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量系统，包括：　激光源（１），用于生成输出辐射；　可应变光纤（２），具有第一面（１０）和第二面（１１），其中，所述第一面耦接到所述激光源，用于接收至少部分输出辐射，并且用于从该第一面将引导的辐射通过所述光纤朝向所述第二面传输； 　计算装置，用于计算所述光纤（２）的至少一部分（８）的应变的量度；　其特征在于，光纤的所述至少一部分（８）包括第一截面（１４）和第二截面（１５），其中，所述第二截面由光纤的所述至少一部分的应变而根据第二截面相对于第一截面沿着光纤 的所述至少一部分的线性位移（ΔＸ）移动；　并且第二面适于接收所引导的辐射，并且从该第二面朝向第一面反射相应的反射辐射；　并且激光源是自混合型，其适于接收从第二面引导到第一面的反射辐射的至少一部分，并且将输出辐射与接收到的辐射相混 合；　并且所述计算装置适于通过由激光源中的自混合效应测量的第二截面的线性位移（ΔＸ）来计算光纤的所述至少一部分的应变的量度。

【技术特征摘要】
EP 2008-9-22 08425618.91、一种测量系统，包括激光源(1)，用于生成输出辐射；可应变光纤(2)，具有第一面(10)和第二面(11)，其中，所述第一面耦接到所述激光源，用于接收至少部分输出辐射，并且用于从该第一面将引导的辐射通过所述光纤朝向所述第二面传输；计算装置，用于计算所述光纤(2)的至少一部分(8)的应变的量度；其特征在于，光纤的所述至少一部分(8)包括第一截面(14)和第二截面(15)，其中，所述第二截面由光纤的所述至少一部分的应变而根据第二截面相对于第一截面沿着光纤的所述至少一部分的线性位移(ΔX)移动；并且第二面适于接收所引导的辐射，并且从该第二面朝向第一面反射相应的反射辐射；并且激光源是自混合型，其适于接收从第二面引导到第一面的反射辐射的至少一部分，并且将输出辐射与接收到的辐射相混合；并且所述计算装置适于通过由激光源中的自混合效应测量的第二截面的线性位移(ΔX)来计算光纤的所述至少一部分的应变的量度。2、 根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述第二面至少部分地被折射率匹配胶覆盖，用于控制反射辐射，以实现输出辐射与接收到的辐射的适度混合。3、 根据权利要求1或2所述的测量系统，其中，光纤的第二面以7度到9度之间的角度被削切，优选地该角度等于约8度。4、 根据权利要求1所述的测...

【专利技术属性】
技术研发人员：M达比考，G斯卡马尔乔，S奥托内利，A因泰米特，B拉迪萨夫列维奇，
申请(专利权)人：巴里大学，
类型：发明
国别省市：IT[意大利]