光纤光栅分布式应变传感器及其应变监测方法技术

一种光纤光栅分布式应变传感器及其应变监测方法，特点是：在光纤衰荡腔中加入掺铒光纤放大器形成有源衰荡腔，得到光脉冲衰荡序列，可以实现亚毫米量级的空间长度测量定位精度；使用线性啁啾光纤光栅或者均匀光纤光栅作为传感器件，将可调谐激光器的波长与光纤光栅布拉格反射空间定位数据一一对应起来，根据定位局部的布拉格反射波长的变化量，解调出相应的局部应变量，实现分布式应变传感。本发明专利技术采用了直接时域测量的方法，将空间分辨率提高到亚毫米量级，且结构紧凑，算法简单，可实时在线监测，可组网使用，因此在光纤传感领域中将有很大的应用空间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤分布式传感器，特别是一种基于光纤衰荡腔技术的光纤光栅分布 式应变传感器及其应变监测方法。
技术介绍
光纤传感器由于具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、电绝缘性好、安全可靠、耐腐 蚀、可构成光纤传感网等诸多优点，因而在工业、农业、生物医疗、国防等各领域均有广阔应 用前景。光纤应变传感器目前大致上有这样几种技术方案，包括光纤布拉格光栅 (FiberBragg Grating, FBG)，长周期光栅(Long Period Grating, LPG)，马赫曾德干涉仪 (Mach-Zehnder Interferometer，MZ-I)，光纤&ignac环等。基于光纤光栅的应变传感器具 有灵敏度高的特点，且容易组网形成分布式传感系统。目前基于光纤光栅波分复用技术、空 分复用技术和时分复用技术的分布式传感网络得到了广泛的发展和应用，但在这些光纤光 栅分布式应变传感网络中，所有的FBG均相当于独立的传感点，传感结果是整个栅区范围 内的综合效果。因此，这种分布式传感系统称为准分布式。基于布里渊散射的光纤分布式 应变传感器具有传感距离长的优点，传感距离可达80km，应变精度可达20 μ ε，空间分辨 率可达几米量级，且可同时测量温度分布，此种分布式应变传感器在大型结构如管道，近海 石油平台，油井，大坝，提坝，桥梁，建筑物，隧道，电缆等领域得到了广泛的应用。但以上几 种应用最为广泛的光纤分布式应变传感器的空间分辨率均有限，布里渊分布式传感器空间 分辨率为几米量级，FBG传感器的空间分辨率为几厘米量级，均不适用于高空间分辨率的场 合，如建筑物的裂缝监测和定位、有机合成材料的断层监测以及局部应变突变等。在高空间分辨率的光纤分布式应变传感领域，利用FBG作为传感元件，通过先进 的光学系统设计和解调方案，得到FBG栅区范围内应变的分布，从而将之前的研究中，FBG 仅仅作为点式传感器发展成为分布式传感器，极大的提升了 FBG应变传感器的性能。这一 研究思路和潜在的广泛应用吸引了很多研究人员的兴趣和注意，为了实现在一根FBG上的 分布式应变传感，人们已经提出和发展了若干技术方案。在先相关光纤光栅分布式应变传 感技术有Mark Volanthen，Harald Geiger，and John P. Dakin，“Distributed Grating Sensors Using Low-Coherence Reflectometry，”J. LightwaveTechnol. 15，2076(1997) ·， 此技术利用低相干光源的迈克尔逊干涉仪结构，FBG固定在干涉仪一只臂上，另外一只臂的 长度通过拉伸改变或者移动末端反射镜，通过此低相干干涉的技术，对干涉光谱进行建模 分析，得到300 μ m的空间分辨效果。由于基于干涉技术，这种方案的系统稳定性很差，且采 用拉伸光纤的方式或者移动反射镜来进行定位，因此结构中存在机械移动装置，增大了系 统的不稳定性，同时也极大的限制了分布式传感测量的范围，难以实现组网。在先分布式应变传感技术还有H.Murayama，H. Igawa, K. Kageyama, K.Ohta, I.Ohsawa, K.Uzawa, M Kanai, Τ.Kasai, and I.Yamaguchi, "Distributed StrainMeasurement with High Spatial Resolution Using Fiber Bragg Gratings andOpticalFrequency Domain Reflectometry, “ 18th Intern. Conf. Opt. Fiber Sensors, ThE40(2006).，这篇论文中利用扫描光源的迈克尔逊干涉仪结构，FBG固定在干涉仪一只 臂上，另外一只臂也固定，通过调谐光源的波长，对干涉光谱进行建模分析，实现光频域反 射结构下的高空间分辨率的分布式传感。较上一个技术相比，此技术方案的结构更为紧凑， 无任何机械移动装置，因此抗干扰能力更强。但由于仍是基于干涉结构，所以系统稳定性很 差，且分布式测量的范围有限，难以实现组网。Hotate and Koji Kajiwara, "Proposal andexperimental verification of Bragg wavelength distribution measurement within along-length FBG by synthesis of optical coherence function",Opt. Express 16，7881 Q008)，这篇论文中利用光学相干函数合成(synthesis of optical coherence function)技术测量FBG栅区内的局部反射光谱，获得FBG栅区的局部反射波长分布，实现 分布式传感。此系统结构复杂，并需要复杂的解调算法，难以实现组网。
技术实现思路
为了克服上述在先技术的缺点，更好的满足光纤光栅分布式应变传感的应用需 求，提出一种基于光纤衰荡腔技术的，实现 亚毫米量级高空间分辨率定位应变传感监测；提出光纤光栅分布式应变传感器的组网方法 和组网系统的优化方案；以实现较大范围的分布式应变传感监测。本专利技术的技术解决方案如下一种基于光纤衰荡腔的光纤光栅分布式应变传感器，其特点在于包括光源模块，该光源模块由可调谐激光器、声光调制器和射频调制器组成，所述的可 调谐激光器的输出端接所述的声光调制器的输入端，所述的射频调制器的输出端接所述的 声光调制器的调制端；一个以上的光纤衰荡腔，所述的光纤衰荡腔由光纤环和光纤光栅传感单元组成， 所述的光纤环至少包括由光纤连接的光纤耦合器、掺铒光纤放大器和光纤环形器，所述的 光纤耦合器的第四端口通过光纤依次将所述的掺铒光纤放大器和光纤环形器的第一端口、 光纤环形器的第三端口和光纤耦合器的第二端口连接成环，所述的光纤环形器的第二端口 接所述的光纤光栅传感单元的一端；连接件将所述的声光调制器的输出端和所述的光纤耦合器的第一端口相连；所述的光纤耦合器的第三端口接光电探测器的输入端，该光电探测器的输出端经 高速数据采集卡与信号处理及显示系统相连，所述的高速数据采集卡的同步触发端口与所 述的射频调制器的第二输出端口相连。所述的连接件为一根光纤，或是一端输入多端输出的Ixn光开关。所述的光纤光栅传感单元为在一根光纤上分布有一个光纤光栅或分布有多个光 纤光栅构成的级联光纤光栅序列，其中r为2以上的正整数，在同一级联光纤光栅序列中， 所有的光纤光栅选用线性啁啾光纤光栅(以下简称为LCFBG)或者均勻光纤光栅(以下简 称为FBG)作为传感器件，在所述的可调谐激光器的调谐范围内以适当的间隔依次选取不 同反射波长的光纤光栅作为组网传感元件，且所有的光纤光栅的反射光谱都不重叠。光纤光栅分布式应变传感器具有2个以上的衰荡腔，每个衰荡环中的光纤环形器的第二端口各接一个级联光纤光栅序列，所述的光源模块的声光调制器的输出端)通过 Ixn光开关的连接件与多个衰荡环的光纤耦合器的第一端口分别相连。在所述的光纤环中的光纤环形器的第三端口和光纤耦合器的第二端口之间接入 了第二光纤环本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤光栅分布式应变传感器，其特征在于包括：光源模块（１），该光源模块（１）由可调谐激光器（１１）、声光调制器（１２）和射频调制器（１３）组成，所述的可调谐激光器（１１）的输出端接所述的声光调制器（１２）的输入端（１２０１），所述的射频调制器（１３）的输出端（１３０１接所述的声光调制器（１２）的调制端（１２０２）；一个以上的光纤衰荡腔，所述的光纤衰荡腔由光纤环（３）和光纤光栅传感单元（４）组成，所述的光纤环（３）至少包括由光纤连接的光纤耦合器（３１）、掺铒光纤放大器（３２）和光纤环形器（３３），所述的光纤耦合器（３１）的第四端口（３１０４）通过光纤依次将所述的掺铒光纤放大器（３２）和光纤环形器（３３）的第一端口（３３０１）、光纤环形器（３３）的第三端口（３３０３）和光纤耦合器（３１）的第二端口（３１０２）连接成环，所述的光纤环形器（３３）的第二端口（３３０２）接所述的光纤光栅传感单元（４）的一端；连接件（２）将所述的声光调制器（１２）的输出端（１２０３）和所述的光纤耦合器（３１）的第一端口（３１０１）相连；所述的光纤耦合器（３１）的第三端口（３１０３）接光电探测器（５）的输入端，该光电探测器（５）的输出端经高速数据采集卡（６）与信号处理及显示系统（７）相连，所述的高速数据采集卡（６）的同步触发端口（６０２）与所述的射频调制器（１３）的第二输出端口（１３０２）相连。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：甘久林，郝蕴琦，叶青，潘政清，蔡海文，瞿荣辉，方祖捷，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]