CN102147299A - 光纤拉曼与光栅共线融合传感方法 - Google Patents

Abstract

光纤拉曼与光栅共线融合传感方法，属于智能监测技术领域。其特征是：直接采用一根写有光纤光栅的光纤作为光纤共线传感探头，并通过光开关将光纤共线传感探头与拉曼测温解调仪和光纤光栅解调仪连接建立光纤拉曼与光栅共线融合传感系统。系统测试时，光纤共线传感探头同时感测拉曼分布式温度场和光纤光栅局部应变和温度，并采用拉曼测温值对光纤光栅应变测试进行温度补偿以及利用光纤光栅测温值对拉曼测温值进行校正。本发明的效果和益处是实现温度应变多参量同时测试，降低了传感器工程布设成本和传感线路的复杂性，具有重大的工程应用价值。

Description

光纤拉曼与光栅共线融合传感方法

技术领域

本发明属于智能监测技术领域，涉及到的是一种分布式测温和局部应变测试的光纤拉曼与光栅共线融合传感方法。

背景技术

应力和温度一直是结构健康监测的两个关键测试参量。结构局部关键位置的应力状态直接关系到结构的安全服役状态，如局部应力过大导致微裂纹，甚至导致结构失效。温度对诸如混凝土大坝、基坑等大体积结构影响比较大，温度应力作用往往导致结构内部出现微裂纹等损伤。此外，温度影响还会导致应力传感器(如光纤光栅传感器、光纤布里渊传感器等)测试的不确定性。目前用于应力和温度测试的主要技术有传统电测技术、光纤光栅传感技术(FBG)、分布式光纤布里渊传感技术(BOTDR)和光纤拉曼测温技术(ROTDR)等。结构安全监测依赖可靠的测试手段，传统电测传感器的耐久性和抗干扰能力以及覆盖范围不满足工程需要。光纤传感器具有体积小、精度高、耐久性好、分布式大范围覆盖、绝对测量等优点，已成为重大工程结构最为理想的安全监测传感元件。然而，这些单一的光纤传感技术无法满足土木工程的测试要求。例如，布里渊分布式技术存在空间分辨率低、精度较低以及成本过高等问题；高精度的点式光纤光栅具有覆盖范围小的缺点；拉曼分布式测试技术仅仅对温度敏感，测试参量过于单一。如果融合局部光纤光栅传感技术和分布式光纤布里渊或拉曼传感技术的优点，有望形成一种兼顾全尺度的较高精度测试和局部高精度、高稳定性测试的共线技术，将为大跨、长距离的重大工程结构提供一种方便、可靠、低成本的智能传感网络系统，具有重要的工程推广价值。欧进萍、周智等人融合局部光纤光栅和光纤布里渊分布式传感技术的优点，提出全尺度分布式与局部高精度共线的光纤传感方法(ZL200810064168.3)，实现了温度和应变双参量的测试。该共线传感方法虽然一定程度上解决了在一根耐久性材料封装共线光纤探头上实现了温度和应变同时测量，但是也存在一定的局限性：不方便对应力测试进行绝对温度补偿(即不需要获知应变感知元件的温度灵敏度系数的温度补偿方法)，且精度较低。主要原因是光纤布里渊的测试精度较低，导致光纤光栅应变测试温度补偿精度较低。拉曼测温技术可以对光纤沿线的温度场进行全尺度测试，已在输油管、储油罐以及隧道等探温火灾预警方面得到了很好的示范。但是遗憾的是温度仅仅是安全监测的一个重要参量，增加单一拉曼测温传感器会大大增加整个监测系统传感器的布设成本(通常，该成本为系统的50％)。若光纤拉曼测温技术采用普通单模光纤作为其温度传感器，而光纤光栅测试系统中，单模光纤仅仅作为其信号传输，因此，如果将光纤光栅传输光纤直接作为光纤拉曼测温传感探头，有望在不额外布设温度传感探头的前提下，同时获得结构的温度场信息和关键位置应力信息。此外，将多点光栅与拉曼温度测试融合，还可以实现另外两个功能：拉曼的温度测试结果可以作为光栅应变测试的温度补偿数据，而光栅的高精度温度测试数据可以为拉曼温度测试的校正。这样，既能扩大测试效果，也能极大节约成本，特别适合工程应用。目前尚没有关于光纤光栅和光纤拉曼共线融合系统的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种光纤拉曼与光栅共线融合传感方法，解决了光纤拉曼和光纤光栅单一传感技术无法满足温度应变多参量同时测试的问题。

本发明的技术方案是：直接采用一根写有光纤光栅的光纤作为光纤共线传感探头，并通过光开关将光纤共线传感探头与拉曼测温解调仪和光纤光栅测试系统建立光纤拉曼与光栅共线融合传感系统；系统测试时，光纤共线传感探头将感测到分布式温度信号传递给拉曼测温解调仪，同时光纤共线传感探头将光纤光栅位置处局部应变和温度信号传递给光纤光栅解调仪。实际工程应用中，光纤共线传感探头可以采用耐久性材料(如FRP、PP等)封装光纤光栅部分，光纤部分采用耐久性好的套管保护，如铠装光缆等。

上述的光纤拉曼与光栅共线融合传感方法的实施步骤是：

①采用光开关将一根写有光纤光栅的光纤共线传感探头与拉曼测温解调仪和光纤光栅解调仪连接构建光纤拉曼与光栅共线融合传感系统；

②测试时，首先通过光开关切换将光纤共线传感探头与拉曼测温解调仪连接测试光纤共线传感探头的温度场；然后通过光开关切换将光纤共线传感探头与光纤光栅解调仪连接测量光纤光栅位置应变和温度信息；

③采用拉曼测温解调仪测量的分布式温度信号对光纤光栅解调仪器测量的局部应变信号进行温度补偿，消除温度变化导致光纤光栅应力测试的不确定性，提高应力测试的可靠性；

④采用光纤光栅解调仪器测量的局部温度信号对拉曼测温解调仪测量的分布式温度信号进行校正，进而提高拉曼测试温度的精度。

本发明的效果和益处是本光纤拉曼与光栅共线融合传感方法在一根写有光纤光栅的光纤共线传感探头上同时获得结构的温度场信息和关键位置应力信息，降低传感器布设成本和传感器布设线路的复杂性。对于已集成的光纤监测系统，其传输光纤作为拉曼温度探头可以对沿线上的光纤光栅应变传感器进行温度补偿，适合新建和已服役的健康监测系统的长期温度和应力同时测试，具有十分重要的工程应用价值。

附图说明

附图是光纤拉曼与光栅共线融合传感系统集成示意图。

图中：1拉曼测温解调仪；2光纤光栅解调仪；3光开关；4光纤光栅；5光纤共线传感探头。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

光纤拉曼与光栅共线融合传感方法采用的共线融合传感系统如附图所示。该系统包括：1拉曼测温解调仪、2光纤光栅解调仪、3光开关、4光纤光栅和5光纤共线传感探头。其中5光纤共线传感探头为一根写有4光纤光栅的单模光纤，4光纤光栅在光纤共线传感探头中的位置与结构局部关键应力热点位置对应。该光纤拉曼与光栅共线融合传感系统的构建方法：通过3光开关将5光纤共线传感探头与1拉曼测温解调仪和2光纤光栅解调仪连接。

光纤拉曼与光栅共线融合传感测试方法：

首先，通过3光开关切换，将5光纤共线传感探头与1拉曼测温解调仪连接，5光纤共线传感探头将感测的温度信息传递给1拉曼测温解调仪，1拉曼解调仪根据测量得到拉曼后向散射光光强R(T_R)得到5光纤共线传感探头沿线的温度场T_R：

$R\left(T_R\right)=\mathrm{\α}\·\exp \frac{-\mathrm{hcv}}{\mathrm{\κ}\·T_R}---\left(1\right)$

式中，α，h，c，ν，κ，T_R分别为温度系数，普朗克常数，真空中光速，拉曼频移量，波尔兹曼常数和待测温度。

然后，通过3光开关切换，将5光纤共线传感探头与2光纤光栅解调仪连接，5光纤共线传感探头将感测的局部应变和温度信息传递给2光纤光栅解调仪，2光纤光栅解调仪根据测量得到的1光纤光栅布喇格中心波长的变化得到5光纤共线传感探头光纤光栅位置处的应变ε和温度信息T：

λ(T，ε)＝λ₀(T₀，ε₀)+C′_TΔT+C″_εΔε(2)

式中，λ(T，ε)，λ₀(T₀，ε₀)分别为为某一工况下的光纤光栅中心波长和参考中心波长；C′_T，C″_ε分别为光纤光栅温度和应变感知系数。

最后，通过1拉曼测温解调仪测量的温度T_R值对2光纤光栅解调仪测量的应变值ε进行绝对温度补偿以及通过2光栅解调仪测量的温度值T对该1拉曼测温解调仪测量的温度值T_R进行校正。

Claims (4)

1.一种光纤拉曼与光栅共线融合传感方法，其特征是：直接采用一根写有光纤光栅(4)的光纤作为光纤共线传感探头(5)，并通过光开关(3)将光纤共线传感探头(5)与拉曼测温解调仪(1)和光纤光栅解调仪(2)连接建立光纤拉曼与光栅共线融合传感系统；系统测试时，光纤共线传感探头(5)将感测到的分布式温度信号传递给拉曼测温解调仪(1)，同时光纤共线传感探头(5)将光纤光栅(4)位置处的局部应变和温度信号传递给光纤光栅解调仪(2)。

2.根据权利要求1所述的一种光纤拉曼与光栅共线融合传感方法，其特征是：所述的传感探头采用拉曼测温解调仪(1)测量的分布式温度信号对光纤光栅解调仪(2)测量的局部应变信号进行温度补偿。

3.根据权利要求1所述的一种光纤拉曼与光栅共线融合传感方法，其特征是：所述的传感探头采用光纤光栅解调仪(2)测量的局部温度信号对拉曼测温解调仪(1)测量的分布式温度信号进行校正。

4.根据权利要求1、2和3所述的一种光纤拉曼与光栅共线融合传感方法，其特征是：所述的光纤作为光纤共线传感探头(5)中光纤光栅(4)在单模光纤中的位置与结构局部关键应力热点位置对应。

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