CN101226051A - 温度自动补偿光纤光栅动态应变测量方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及温度自动补偿光纤光栅动态应变测量方法及其系统。其方法是采用传感布拉格光纤光栅和滤波布拉格光纤光栅为匹配光栅，通过PID闭环控制结构控制滤波布拉格光纤光栅中心波长，在FBG_S的中心波长随温度时，使滤波布拉格光纤光栅中心波长随传感布拉格光纤光栅中心波长变化而变化，保持两者的中心波长之差恒定，由此稳定所述测量系统的静态工作点，达到对环境温度的自适应。其系统包括宽带光源、耦合器、传感布拉格光纤光栅、滤波布拉格光纤光栅、光电二极管、前置放大器、A/D数据转换器、计算机、电致伸缩材料及电致伸缩材料驱动电源。其优点是：降低了对匹配FBG制造技术要求、提高系统温度稳定性。可实现动态应变和测量点温度同时测量，并可对高谐振频率解调。

Description

温度自动补偿光纤光栅动态应变测量方法及其系统

技术领域

本发明涉及动态应变量及振动量的测量方法及系统，尤其涉及温度自动补偿光纤光栅动态应变测量方法及其系统。

背景技术

光纤布拉格光栅(FBG)传感器件被认为是21世纪最有前途的光纤传感器件，作为新型的光纤传感器件，它除具有光纤传感器的优点，如抗电磁干扰、本质安全等，还具有许多独特的优势：传感信息量波长调制，不受光源光强波动、线路损耗的影响，传感重复性和稳定性好，可方便地实现网络化测量；其自参考特性使它能够实现绝对测量。

缓变参量测量和网络化传感技术都已经比较成熟，并且已得到了广泛应用。而在许多场合，非常需要用FBG传感器测量快速、瞬态应变或振动。如：大型电力设备正常运行时的电磁振动和故障状态下的瞬态结构应变，由于特殊的电磁环境，无法实现测量；对防爆条件要求苛刻的化工设备故障、储油罐或石油管道的泄露诱导的瞬态应变或振动监测；需要长距离传输测量信号的海底缆线、石油管道的健康状况监测；用FBG实现加速度传感；FBG传感器用于分析弹道测试引起的环境波动和在破坏性实验结构破坏引起的振动波等。在上述动态监测中，扰动的幅度和频率信息对研究结构的健康状况、安全性、稳定性和完整性尤为重要。用FBG测量快速或瞬态应变，需要高速波长解调方法。这类事件的特点或是频率高，或是持续时间短，利用目前常用的扫描解调方法，如法-珀干涉仪，其扫描频率才千赫兹，根本无法实现千赫兹及以上的解调。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术之不足，提供一种能实现千赫及千赫以上解调的温度补偿光纤光栅动态应变测量方法及其系统，它通过如下技术方案来实现：

其方法是：采用传感布拉格光纤光栅和滤波布拉格光纤光栅为匹配光栅，通过PID闭环控制结构控制滤波布拉格光纤光栅中心波长，在FBG_S的中心波长随温度时，使滤波布拉格光纤光栅中心波长随传感布拉格光纤光栅中心波长变化而变化，保持两者的中心波长之差恒定，由此稳定所述测量系统的静态工作点，达到对环境温度的自适应。

温度补偿光纤光栅动态应变测量系统的静态工作点选在系统输出值的1/2处。

所述传感布拉格光纤光栅和滤波布拉格光纤光栅的中心波长之差为0.6Δλ，Δλ为光栅反射谱半高全宽。

其系统包括：宽带光源、耦合器、传感布拉格光纤光栅、滤波布拉格光纤光栅、光电二极管、前置放大器、A/D数据转换器、计算机、电致伸缩材料及电致伸缩材料驱动电源，所述滤波布拉格光纤光栅粘贴在电致伸缩材料上，宽带光源通过光纤连接第一耦合器的一输入端，该耦合器的输出端通过光纤连接传感布拉格光纤光栅，第二耦合器输入端与第一耦合器的另一个输入端连接，第二耦合器输出端通过光纤分别连接第三耦合器的一输入端和光电二极管的输入端，第三耦合器的输出端通过光纤连接滤波布拉格光纤光栅，第三耦合器的另一输入端连接光电二极管输入端，所述光电二极管输出端通过电信号连接线连接前置放大器的输入端，A/D数据转换器的输出端连接所述前置放大器的输出端，其输出端连接所述计算机对应输入端，计算机对输入信息处理后通过并行口及数据线将控制信号传输到电致伸缩材料的驱动电源对其输出电压进行控制。

所述第一耦合器、第三耦合器是3dB耦合器，所述第二耦合器是1∶9耦合器。

本发明的有益效果是：本发明是基于FBG光学带通滤波器边缘的相关解调方法而实现的系统，其动态范围小，针对匹配FBG制造困难和温度造成的匹配光栅失配问题，提出滤波FBG波长自动跟踪方法，该方法大大降低了对匹配FBG制造技术的要求、提高系统温度稳定性。使系统在宽温度范围内正常工作。并实现动态应变和测量点温度同时测量。利用FBG边缘相关波长解调法的高灵敏度，实现了基于等应变梁的高谐振频率(千赫及千赫以上解调)、高加速度值的加速度传感系统，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图。

图2是本发明系统用于温度扰动实验的结构示意图。

图3是单光栅解调原理示意图。

图4是PID控制结构图。

图5是FBG传感解调系统工作原理示意图。

图6是系统温度跟踪特性和跟踪工作点电压偏差曲线

图7是闭环控制系统的输入输出信号波形。

具体实施方式

对照图1，本发明系统主要由光传感系统和电测量系统两部分组成。其中，光系统有宽带光源、耦合器、传感布拉格光纤光栅(FBG_S)和滤波布拉格光纤光栅(FBG_F)组成。电系统主要有光电二极管(PD)、前置放大器、A/D转换器、计算机、电致伸缩材料(PZT)及电致伸缩材料的驱动电源组成。图中细连接线代表光纤，粗连接线代表电信号连接线。

对照图2，它是上述本发明系统用于温度扰动的实验，可对温控箱进行实时监控。其温度控制系统主要由温控箱、温箱电源、温控器、温度测量装置和热电偶等组成。

而光系统中的FBG_S和FBG_F用防啁啾技术粘贴在电致伸缩材料上。其中，粘贴有FBG_S的电致伸缩材料PZT1置于温控箱内。宽带光源通过光纤连接第一耦合器即3dB耦合器的一输入端，该耦合器的输出端通过光纤分别连接传感布拉格光纤光栅FBG_S，第二耦合器即1∶9耦合器输入端与上述3dB耦合器的另一输入端连接。1∶9耦合器的输出端通过光纤分别连接第三耦合器(即另一3dB耦合器)的输入端和电系统中的光电二极管PD1输入端。第三耦合器的输出端通过光纤连接光纤光栅滤波器FBG_F，第三耦合器的另一输入端连接光电二极管PD2输入端。

电系统中的两光电二极管PD1、PD2的输出端通过电信号连接线连接前置放大器的输入端，A/D数据转换器的输出端连接该前置放大器的输出端，其输出端连接所述计算机对应信号输入端。计算机对输入信号进行处理，并通过并行口及数据线将控制信号传输到电致伸缩材料的驱动电源对其输出电压进行控制。

图2所示的发明系统中，宽带光源采用其平坦度和温度稳定性都较好的ASE宽带光源，工作波长为1529～1564nm，输出功率10dBm。耦合器采用标准光纤耦合器Standard Coupler LW601-Series，其中3dB耦合器的分光比为50/50，1∶9耦合器的分光比为10/90。光纤布拉格光栅传感器FBG_S和滤波布拉格光纤光栅FBG_F是一匹配光栅对。贴在电致伸缩材料棒上的传感布拉格光纤光栅FBG_S的中心波长为1539.8nm，而作为动态应变传感器的FBG_S中心波长应与解调FBG_F滤波器中心波长匹配。前置放大器采用现有普通的电信号放大器。A/D转换器采用光隔离模拟量输入、输出的PCI2318卡。电致伸缩材料选用型号为PTBS3.5×3.5/20的PZT，长度为20mm，耐压200V。电致伸缩材料驱动电源的输出电压范围为0～300V，带有并口，可计算机程控。

上述发明系统工作时，其平坦化ASE光源发出的光经过3dB耦合器后进入FBG_S。当FBG_S受到交变微扰时，其输出的反射谱随之在一定波长范围变化，如图3中虚线所示。解调光栅的反射谱是固定不变的，如图3中实线所示。FBG_S的反射光信号经3dB耦合器。满足FBG_S布拉格波长的光被反射经1∶9耦合器分为两路，弱光强一路直接被光电探测器PD1接收转换为电流信号作为参考信号，另一路经第二个3dB耦合器进入由电致伸缩材料PZT2调谐的FBG_F。两光栅的反射谱重叠部分对应的光被FBG_F反射，重叠部分的面积与反射光强度成正比。当FBG_S与FBG_F的中心波长差小，反射谱重叠部分就大，光电二极管得到的光信号就强，反之，光信号小。通过光电二极管PD2转换为载有被测量信息的电信号，实现FBG_S传感解调。两路电信号分别经前置放大器后，通过软件对数据进行滤波、分析和处理，并通过PID控制程序得到偏差和控制输出，通过计算机并口控制PZT驱动电源。

本发明系统是基于计算机的FBG动态应变工作点自动跟踪测量解调系统。当环境温度变化时，在FBG_S的中心波长随温度变化而变化时，工作点随之变化，系统输出直流量也发生相应的变化。此时，如给PZT1加50Hz、幅值5V的交流电压，FBG_S受交变应变，通过数据采集卡采集系统的输出信号、光强波动补偿信号经计算机的相关程序实现滤波和PID控制算法，给出调节控制指令，控制指令通过计算机并口传送给电致伸缩材料驱动电源驱动PZT2，使FBG_F的中心波长跟随温度造成的FBG_S的中心波长变化，对工作点漂移进行调整，从而实现温度补偿。

对照图4，本发明采用闭环控制结构，其PID控制器的数学表达式为

e(t)＝r(t)-y(t)                                 (1)

其中：e(t)为偏差，r(t)为目标值，y(t)为测量值。

$u\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_i{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}+K_d\·\mathrm{de}\left(t\right)/\mathrm{dt}---\left(2\right)$

其中：u(t)为控制输出；K_p为比例系数；K_i为积分系数，K_i＝T_i/T；K_d为微分系数，K_d＝T_d/T。T为采样周期，T_i为积分时间，T_d为微分时间。

由于计算机只能识别数字量，不能对模拟信号直接以连续控制算式进行运算，故在计算机控制系统中采用的是离散化的算法设计的。

对照图5，工作点对应系统输出的直流分量。当被测量较大时，工作点上移或下移都将导致系统输出波形失真，使系统测量范围变小。一般布拉格光纤光栅FBG的3dB带宽在零点几个纳米，用FBG作为滤波器FBG_F实现FBG传感宽带解调的突出特点是灵敏度高、动态范围小，可实现动态解调。其工作点在两FBG的中心波长差为0.6Δλ时，灵敏度最高。在满足交流被测量的正负半周灵敏度一致性的同时，使测量系统的动态范围尽可能大，本发明的工作点选在系统最大输出电压的1/2处，对应的两FBG的中心波长差为0.6Δλ，Δλ为光栅反射谱半高全宽。

当FBG_F的中心波长保持不变，FBG_S受到交变信号的扰动时，相关后的光强波动如图5所示，光强变化转换成的电压信号经信号调理电路、数据采集卡进入计算机，经数字滤波分离出直流和交流两部分，交流分量反映FBG_S受到的交变扰动，直流成分对应FBG静态工作点相对位置和光强波动情况。通过电测量系统的直流输出，就可获得静态工作点的信息。

由于布拉格光纤光栅FBG的温度敏感性高，工作点随温度的变化而变化。一般FBG的温度灵敏度系数为10pm/℃，即环境温度变化1℃，FBG中心波长飘移10pm，FBG相关解调的工作区间不过200pm，若不采取相应的措施，10℃的环境温度会导致系统无法实现测量。过去解决途径一般是采取恒温措施，对FBG_F进行温度控制，但因为FBG_S的温度无法得到有效控制，不能从根本上解决环境温度造成的测量范围减小的问题。本发明采用中心波长可调谐的匹配光栅结构，设计了具有温度补偿功能的FBG振动传感器及其高速波长解调系统。通过闭环控制FBG_F的中心波长，使其随着温度造成FBG_S中心波长的变化而变化，保持两FBG中心波长差恒定，从而稳定了测量系统的静态工作点，达到解调系统对环境温度的自适应。

此外，在被测点的材料热膨胀系数已知的前提下，该系统还能同时测量FBG_S的环境温度，实现双参数同时测量。因为工作点自动跟踪应变测量的过程，其实就是建立控制调节量与温度变化一一对应的过程，解读控制调节量就可获得温度信息。

对照图6，在上述温度扰动实验中，从温度跟踪曲线可以看到，在整个温度变化循环过程中系统的跟踪输出调节电压与传感器的环境温度变化趋势有良好的一致性。在温度变化快时，系统输出的直流分量与目标值的偏差在70mV左右，为系统控制偏差最大处，当温度变化缓慢时，偏差仅为20mV左右。工作点控制偏差量使系统量程产生等同缩小。工作时系统输出动态范围为0～5V，在最恶劣的情况下，70mV控制精度误差将导致测量范围缩小1.4％，对测量精度影响非常小，可以忽略不计。而任何一个FBG环境温度的变化都将导致系统静态工作点漂移，输出的直流分量发生变化。通过闭环控制系统，在系统满量程输出为5V时，保证了系统输出的直流分量在2.5V左右，不随温度的变化而变化，从而保证了系统的动态范围。例如图2所示系统中，PZT驱动电压峰峰值为8.8V阶梯波时，输出信号的平均值在2.5V±0.07V范围内变化，请参见图7，保证系统的动态测量范围最大。PZT2能承受200V直流驱动电压，按电压温度灵敏度0.26℃/V计算，温度适应范围可达52℃。

Claims (5)

1.温度补偿光纤光栅动态应变测量方法，其特征在于采用传感布拉格光纤光栅和滤波布拉格光纤光栅为匹配光栅，通过PID闭环控制结构控制滤波布拉格光纤光栅中心波长，在温度变化时，使滤波布拉格光纤光栅中心波长随传感布拉格光纤光栅中心波长变化而变化，保持两者中心波长之差恒定，由此稳定所述测量系统的静态工作点，达到对环境温度的自适应。

2.根据权利要求1所述的温度补偿光纤光栅动态应变测量方法，其特征在于温度补偿光纤光栅动态应变测量系统的静态工作点选在系统输出值的1/2处。

3.根据权利要求1所述的温度补偿光纤光栅动态应变测量方法，其特征在于所述传感布拉格光纤光栅和滤波布拉格光纤光栅的中心波长之差0.6Δλ，Δλ为光栅反射谱的半高全宽。

4.温度补偿光纤光栅动态应变测量系统，其特征在于包括宽带光源、耦合器、传感布拉格光纤光栅、滤波布拉格光纤光栅、光电二极管、前置放大器、A/D数据转换器、计算机、电致伸缩材料及电致伸缩材料驱动电源，所述布拉格光纤光栅粘贴在电致伸缩材料上，宽带光源通过光纤连接第一耦合器一输入端，该耦合器的输出端通过光纤连接传感布拉格光纤光栅，第二耦合器一输入端与第一耦合器的另一个输入端连接，第二耦合器输出端通过光纤分别连接第三耦合器的一输入端和光电二极管的输入端，第三耦合器的输出端通过光纤连接滤波布拉格光纤光栅，第三耦合器的另一输入端连接光电二极管输入端，所述光电二极管输出端通过电信号连接线连接前置放大器的输入端，A/D数据转换器的输出端连接所述前置放大器的输出端，其输出端连接所述计算机对应输入端，计算机对输入信息处理后通过并行口及数据线将控制信号传输到电致伸缩材料的驱动电源对其输出电压进行控制。

5.根据权利要求4所述的温度补偿光纤光栅动态应变测量系统，其特征在于所述第一耦合器、第三耦合器是3dB耦合器，所述第二耦合器是1∶9耦合器。

Images