CN102519379B - 基于啁啾光栅的应变-温变双参量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于啁啾光栅的应变-温变双参量测量方法，该测量方法通过在光纤上刻写凸字形啁啾光栅，凸字形啁啾光栅的啁啾系数为P，啁啾光栅沿光纤轴向长度为L，啁啾光栅整体谱宽P×L，啁啾光栅中间L/3～2L/3区域反射率高于两侧，形成一个凸字形反射谱，m个凸字形反射谱连续排列，形成连续谱列；进而获得啁啾光栅的应变量ε_z，啁啾光栅的温变量ΔT及点温变化位置z′，本发明首次利用凸字形啁啾光纤光栅受到轴向应变变化和点温突变影响时光谱变化情况，同时测量点温变化和轴向应变两个参量，实现了真正意义上的光栅式传感器对温度和应变的毫米级分布式测量，大大提高了高阶应变的测量能力和温变位置的精确度。

Description

基于啁啾光栅的应变-温变双参量测量方法

技术领域

本发明涉及基于啁啾光栅的应变-温变双参量测量方法，属于传感器技术领域。

背景技术

光纤光栅传感器具有体积小、重量轻、复用能力强、灵敏度高等优点受到广泛欢迎。但是传统的光纤光栅受到本身长度等条件制约，对于精确位置的应变和温度变化无法探测，只能实现准分布探测，而无法达到真正意义上的分布式测量。啁啾光纤光栅作为一种重要的光纤器件，已被广泛地应用于滤波、色散补偿、脉冲整型以及光纤传感技术等领域中。人们已经提出了多种实现啁啾光纤光栅的方法，主要有直接制备的方法和基于周期性光栅的间接实现方法。直接制备的方法主要有相位掩膜法、光纤弯曲法、非相似波前干涉法、二次曝光法、锥形法等。

英国南安普顿大学，北京理工大学简水生课题组先后报道了成功写制超长光栅，这说明光栅制造工艺的成熟和进步，但目前还没有利用一个长啁啾光栅分布式同时测量温度-应变两种参量的报道。

另外，在实际的测量环境中，光纤光栅常常需要埋入复合材料中进行实际测量，其所受到的外场作用往往是非均匀外场，这样会导致光纤光栅发生外力啁啾。在外场的作用下，外力啁啾后的光纤光栅的反射光谱在发生漂移的同时光谱的形状也会发生相应的变化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供基于啁啾光栅的应变-温变双参量测量方法，该方法首次利用凸字形啁啾光纤光栅受到轴向应变变化和点温突变影响时光谱变化情况，同时测量点温变化和轴向应变两个参量，实现了真正意义上的光栅式传感器对温度和应变的毫米级分布式测量。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

基于啁啾光栅的应变-温变双参量测量方法，包括如下步骤：

(1)在光纤上刻写凸字形啁啾光栅，所述凸字形啁啾光栅的啁啾系数为P，啁啾光栅沿光纤轴向长度为L，啁啾光栅整体谱宽P×L，啁啾光栅中间L/3～2L/3区域反射率高于两侧，形成一个凸字形反射谱，m个凸字形反射谱连续排列，形成连续谱列；

(2)获得啁啾光栅的应变量ε_z，具体方法如下：

(a)设凸字形反射谱连续谱列起始波长为λ，则凸字形反射谱连续谱列中m个拐点处的波长值依次为λ+PL/m、λ+2PL/m.......λ+PL；

(b)计算凸字形反射谱连续谱列中m个拐点处的应变量ε_zi，i为正整数，且i∈m：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zi}}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Bi}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Bi}}\×(1-P_e)}$

其中：P_e为有效弹光系数，硅纤介质中P_e＝0.22；

Δλ_Bi为布拉格波长的变化量；

λ_Bi为布拉格波长，即凸字形反射谱连续谱列中m个拐点处的波长λ+PL/m和λ+2PL/m.......λ+PL；

(c)将由步骤(b)计算得出的凸字形反射谱连续谱列中m个拐点处的应变量ε_zi和起始点的应变量带入沿光纤方向的应变计算公式：

ε_z＝K_mz^m+K_m-1z^m-1+…+K₁z+K₀

联立求得系数K₀、K₁......K_m；

其中z为沿凸字形反射谱连续谱列的位置数值；

(d)再将系数K₀、K₁......K_m带入应变计算公式ε_z＝K_mz^m+K_m-1z^m-1+…+K₁z+K₀，即可求得沿凸字形反射谱连续谱列方向任意位置的应变参量ε_z；

(3)获得啁啾光栅的温变量ΔT及点温变化位置z′，具体方法如下：

(e)从点温变化时的凸字形反射谱连续谱列中找到尖锐的凹陷点，并计算凹陷点对应的点温变化位置z′，具体方法为：

从光谱仪读出点温变化时所述凹陷点对应的波长λ′_B，点温变化前所述凹陷点对应的波长为λ_B，且λ_B＝λ+P×z′，则点温变化位置z′处的布拉格波长的变化量Δλ_B＝λ′_B-λ_B，将Δλ_B＝λ′_B-λ_B与λ_B＝λ+P×z′代入下式：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zi}}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Bi}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Bi}}\×(1-P_e)};$

得到 ${\mathrm{\ϵ}}_z=\frac{{\mathrm{\λ}}_B^{\′}-{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B\×(1-P_e)}=\frac{{\mathrm{\λ}}_B^{\′}-(\mathrm{\λ}+P\×z^{\′})}{(\mathrm{\λ}+P\×z^{\′})\×(1-P_e)}$

联立公式与ε_z＝K_mz^m+K_m-1z^m-1+…+K₁z+K₀

即可求得点温变化位置z′；

其中：λ为凸字形反射谱连续谱列起始波长；P为凸字形啁啾光栅的啁啾系数；

(f)利用下式计算得到啁啾光栅的温变量ΔT，

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})\mathrm{\ΔT}$

其中：α为光纤材料的膨胀系数；

ξ为热光系数，硅纤中ξ＝6.67×10^-6℃^-1；

Δλ_B为点温变化位置z′处的布拉格波长的变化量；

λ_B为点温变化位置z′处的布拉格波长。

在上述基于啁啾光栅的应变-温变双参量测量方法中，步骤(1)中凸字形反射谱三段光栅反射率分别为D、E、D，其中D＜E，且D与E均在30％～80％之间。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明首次利用凸字形啁啾光纤光栅很好的解决了普通光纤光栅只能实现准分布测量的问题，与传统光纤光栅传感器相比，在不增加传感头重量的情况下，不仅可以探测毫米量级点温变化量和位置，实现真正意义上的分布式温度传感，还可以由光谱情况判断出所受轴向应变的情况；

(2)本发明应变-温变双参量测量方法在短长度的光纤上即可实现，将其应用于传感器可达到集成化程度高，体积小，质量轻，抗电磁干扰的效果；

(3)本发明应变-温变双参量测量方法利用凸字形啁啾光栅的拐点特性，实现了应变-温变双参量在线同时测量，并且将凸字形啁啾光栅连接形成连续谱列，可以实现高阶分布式应变-温变测量，大大提高了高阶应变的测量能力和温变位置的精确度；

(4)本发明应变-温变双参量测量方法实现了测量高阶应变及点温变化的双参量传感器，可用于分辨和测量毫米级长度物体的温度变化位置与变化量，同时可提供光栅所处位置的应变信息，具有较强的实用性和较广的应用范围。

附图说明

图1为本发明双参量测量方法示意图；

其中：凸字形啁啾光栅1、光纤环形器2、宽带光源3、光谱仪4；

图2为本发明凸字形反射谱连续谱列示意图；

图3为本发明中光栅在自由态和受到一次和二次轴向应变时反射光谱图；

图4为本发明中光栅在受到二次轴向应变的同时，局部温度发生变化后的光谱图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明是一种新型的应变-温变双参量测量方法，利用凸字形啁啾光栅局部温度发生变化后，部分栅格受到热光效应和膨胀系数影响，引起反射光谱局部发生变化；而受到轴向应变影响时，整个反射谱型发生变化。当有均匀分布的外场(应变或温度等)作用于光纤光栅时，光纤光栅的反射光谱会随着外场的作用相应的发生漂移但其光谱形状不会发生变化，外场的大小可以通过检测光纤光栅反射谱的起始波长的变化测得。但是，在实际的测量环境中，光纤光栅常常需要埋入复合材料中进行实际测量，其所受到的外场作用往往是非均匀外场，这样会导致光纤光栅发生再次啁啾现象。在外场的作用下，再次啁啾光纤光栅的反射光谱在发生漂移的同时光谱的形状也会发生相应的变化，这时需要考虑整个光谱形状的变化才能实现对外场的感测。通过考量反射谱，可获得光栅所处位置点温变化和应变情况。

本发明实施例中所使用的啁啾光栅，长度为6cm，其栅格周期不是常数，而是线性变化的，设计该啁啾光栅每厘米长光栅对应反射谱啁啾1nm，使中间段光栅反射率增强，反射光谱形成凸字形结构，如图1所示为本发明双参量测量方法示意图，光栅的栅格结构和折射率分布如图1所示，当啁啾光栅上的某点温度发生变化，使该点栅格处的折射率和栅格长度发生变化，反射光谱产生局部变化；当啁啾光栅受到外部应力时，光谱的形状也发生变化。根据光谱情况适当计算，即可达到同时测定点温变化和轴向应变两个参量。

如图1所示，本发明双参量探测方式是将宽带光源3产生的光通过环形器2输入至写制好的凸字形啁啾光栅1中，凸字形啁啾光栅1反射后的光谱由光谱仪4进行感测。连接完毕后先进行特定温度不受轴向应变影响下的光谱测试，当光栅受到轴向应变或者局部温度发生变化后，由光谱仪4记录谱型，进行分析。

这种应变和点温变化双参量传感器，利用了温度和应变变化时反射光谱的变化，其特点是分布式测量温度，并可同时反应所处位置轴向应变场的特点。其传感原理如下：

光栅布拉格公式的数学表达式：

Δλ_B＝2n_effΛ (1)

其中n_eff为纤芯有效折射率，Λ为光栅栅格周期长度，Δλ_B为布拉格波长的变化量。能够引起纤芯折射率变化和光纤纤芯栅格周期变化的因素中最主要的温度和应变变化，经过分析整理，可获得下式：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})\mathrm{\ΔT}+(1-P_e){\mathrm{\ϵ}}_z---\left(2\right)$

式中α为光纤材料的膨胀系数，ξ为热光系数，硅纤中ξ＝6.67×10^-6℃^-1。温度变化引起的反射波长漂移主要取决于热光效应，占漂移量的95％。P为有效弹光系数，硅纤介质中P_e＝0.22，ε_z为考察点处轴向应变。栅格变化与轴向应变和应力的关系为

$\frac{\mathrm{\Δ\Λ}}{\mathrm{\Λ}}={\mathrm{\ϵ}}_z=\frac{{\mathrm{\σ}}_z}{E}=\frac{F}{\mathrm{AE}}---\left(3\right)$

式中σ_z为轴向应力，E＝73Gpa为光纤基底材料熔融硅的杨氏模量，F为轴向拉力，A＝12271μm为光纤横截面面积。

如图3所示为为本发明中光栅在自由态和受到一次和二次轴向应变时反射光谱图，当该凸字形啁啾光栅不受外场干扰时输出谱型如图Line1所示。啁啾系数Pnm/cm，啁啾光栅沿光纤轴向长度为Lcm，啁啾光栅整体谱宽P×Lnm，光栅中间L/3～2L/3区域反射率高于两侧，形成一个凸字形反射谱，当光栅在不受外场干扰时，三段光栅反射率分别为D、E、D，其中D＜E，且30％＜D与E＜80％。起始波长分别为λnm、λ+PL/3nm和λ+2PL/3nm。m个凸字形反射谱连续排列，形成连续谱列，如图2所示为本发明凸字形反射谱连续谱列示意图。

在一个凸字形反射谱中，当外加轴向应变恒定时，光谱整体发生漂移，而谱型不发生任何改变。当轴向应变为沿光栅方向的高阶函数时，光谱的强度及形状都会有所变化。图3中Line3所表示的即为光栅受到一次函数后光谱情况，可以看出，光谱的带宽发生明显变化，强度出现集体降低的情况，谱顶保持平整。当光栅受到二次函数影响后，光谱情况如Line2所示，三部分谱宽不同，且谱强度也随波长的不同而不同。

(一)、获得啁啾光栅的应变量ε_z，具体方法如下：

(1)设凸字形反射谱连续谱列起始波长为λ，则凸字形反射谱连续谱列中m个拐点处的波长值依次为λ+PL/m、λ+2PL/m.......λ+PL，见图2所示。

(2)计算凸字形反射谱连续谱列中m个拐点处的应变量ε_zi，i为正整数，且i∈m：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zi}}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Bi}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Bi}}\×(1-P_e)}---\left(4\right)$

其中：P_e为有效弹光系数，硅纤介质中P_e＝0.22；

Δλ_Bi为布拉格波长的变化量，即应变、温变变化时与变化前的布拉格波长的变化量；

λ_Bi为布拉格波长，即凸字形反射谱连续谱列中m个拐点处的波长λ+PL/m和λ+2PL/m.......λ+PL；

(3)将由步骤(2)计算得出的凸字形反射谱连续谱列中m个拐点处的应变量ε_zi和起始点的应变量带入沿光纤方向的应变计算公式：

ε_z＝K_mz^m+K_m-1z^m-1+…+K₁z+K₀ (5)

联立求得系数K₀、K₁......K_m；

其中z为沿凸字形反射谱连续谱列的位置数值；

(4)再将系数K₀、K₁......K_m带入应变计算公式(5)，即可求得沿凸字形反射谱连续谱列方向任意位置的应变参量ε_z。

(二)获得啁啾光栅的温变量ΔT及点温变化位置z′

(1)从点温变化时的凸字形反射谱连续谱列中找到尖锐的凹陷点，并计算凹陷点对应的点温变化位置z′，具体方法如下：

如图4所示为本发明中光栅在受到二次轴向应变的同时，局部温度发生变化后的光谱图，图中可以看出尖锐的凹陷点Q点。

从光谱仪读出点温变化时所述凹陷点对应的波长λ′_B，

点温变化前所述凹陷点对应的波长为λ_B，且λ_B＝λ+P×z′，

则点温变化位置z′处的布拉格波长的变化量Δλ_B＝λ′_B-λ_B，将Δλ_B＝λ′_B-λ_B与λ_B＝λ+P×z′代入上述公式(4)，得到：

${\mathrm{\ϵ}}_z=\frac{{\mathrm{\λ}}_B^{\′}-{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B\×(1-P_e)}=\frac{{\mathrm{\λ}}_B^{\′}-(\mathrm{\λ}+P\×z^{\′})}{(\mathrm{\λ}+P\×z^{\′})\×(1-P_e)}---\left(6\right)$

联立公式(6)与公式(5)

即联立与ε_z＝K_mz^m+K_m-1z^m-1+…+K₁z+K₀

即可求得点温变化位置z′；

其中：λ为凸字形反射谱连续谱列起始波长；P为凸字形啁啾光栅的啁啾系数。

(2)利用下式计算得到啁啾光栅的温变量ΔT，

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})\mathrm{\ΔT}---\left(7\right)$

其中：α为光纤材料的膨胀系数；

ξ为热光系数，硅纤中ξ＝6.67×10^-6℃^-1；

Δλ_B为点温变化位置z′处的布拉格波长的变化量；

λ_B为点温变化位置z′处的布拉格波长。

实施例1

本实施例中凸字形啁啾光栅中三段光栅反射率分别为43％、58％和43％。当光栅受到的为沿轴向方向一次函数形式的应变时，即ε_z＝K₁z+K₀，K为常数，K₀可以由z＝0时谱波长值求出，在图3中，起始波长与原谱波长重合，即K₀＝0。凸型光栅谱的三段谱展宽是完全相同的，因此以三段任意一段反射光谱波长结束值、光栅不受外力时的光谱波长结束值和光栅长度可计算出K值。如图3中Line3所示，以第一段光谱结束波长值为例，目前第一段谱波长结束值为1552.5nm，未受外界应变时为1552nm，z＝2cm可得K＝2e-4。当光栅受到的为沿轴向方向二次函数式的应变时，即ε_z＝K₂z²+K₁z+K₀，，三个未知参量K₂，K₁，K₀可由三段光谱的起始和结束波长与原谱波长求得。如图3中Line2所示可得：

K₀＝0，K₁＝0.65e-5，K₂＝1.95e-5

带入ε_z＝K₂z²+K₁z+K₀，即可求得凸字形啁啾光栅中任意位置的应变量。

同理，光栅受到的为沿轴向方向三次函数式的应变，也可求得。

当光栅某点温度发生变化后，该光栅光谱出现局部变化，根据公式(4)、(5)及式(6)可计算出温度变化位置。除去应变导致的波长漂移，根据公式(7)即可求出温度变化量。如图4所示，所受应变量与图3中Line2所示一致，光谱仪读出的中间部位凹陷点波长为1552.75nm，求出温度变化位置为2.57cm；光谱仪读出的尖锐突起的波长位置1553.23nm，除去应变导致的波长漂移后，温度变化带来的波长漂移为0.4nm，温度变化量ΔT为40℃。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.基于啁啾光栅的应变-温变双参量测量方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)在光纤上刻写凸字形啁啾光栅，所述凸字形啁啾光栅的啁啾系数为P，啁啾光栅沿光纤轴向长度为L，啁啾光栅整体谱宽P×L，啁啾光栅中间L/3～2L/3区域反射率高于两侧，形成一个凸字形反射谱，m个凸字形反射谱连续排列，形成连续谱列；

(2)获得啁啾光栅的应变量ε_z，具体方法如下：

(a)设凸字形反射谱连续谱列起始波长为λ，则凸字形反射谱连续谱列中m个拐点处的波长值依次为λ+PL/m、λ+2PL/m.......λ+PL；

(b)计算凸字形反射谱连续谱列中m个拐点处的应变量ε_zi，i为正整数，且i∈m：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zi}}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Bi}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Bi}}\×(1-P_e)}$

其中：P_e为有效弹光系数，硅纤介质中P_e＝0.22；

Δλ_Bi为布拉格波长的变化量；

λ_Bi为布拉格波长，即凸字形反射谱连续谱列中m个拐点处的波长λ+PL/m和λ+2PL/m.......λ+PL；

(c)将由步骤(b)计算得出的凸字形反射谱连续谱列中m个拐点处的应变量ε_zi和起始点的应变量带入沿光纤方向的应变计算公式：

ε_z＝K_mz^m+K_m-1z^m-1+…+K₁z+K₀

联立求得系数K₀、K₁......K_m；

其中z为沿凸字形反射谱连续谱列的位置数值；

(d)再将系数K₀、K₁.......K_m带入应变计算公式ε_z＝K_mz^m+K_m-1z^m-1+…+K₁z+K₀，即可求得沿凸字形反射谱连续谱列方向任意位置的应变参量ε_z；

(3)获得啁啾光栅的温变量ΔT及点温变化位置z′，具体方法如下：

(e)从点温变化时的凸字形反射谱连续谱列中找到尖锐的凹陷点，并计算凹陷点对应的点温变化位置z′，具体方法为：

从光谱仪读出点温变化时所述凹陷点对应的波长λ′_B，点温变化前所述凹陷点对应的波长为λ_B，且λ_B＝λ+P×z′，则点温变化位置z′处的布拉格波长的变化量Δλ_B＝λ′_B-λ_B，将Δλ_B＝λ′_B-λ_B与λ_B＝λ+P×z′代入下式：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zi}}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Bi}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Bi}}\×(1-P_e)};$

得到 ${\mathrm{\ϵ}}_z=\frac{{\mathrm{\λ}}_B^{\′}-{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B\×(1-P_e)}=\frac{{\mathrm{\λ}}_B^{\′}-(\mathrm{\λ}+P\×z^{\′})}{(\mathrm{\λ}+P\×z^{\′})\×(1-P_e)}$

联立公式与ε_z＝K_mz^m+K_m-1z^m-1+…+K₁z+K₀

即可求得点温变化位置z′；

其中：λ为凸字形反射谱连续谱列起始波长；P为凸字形啁啾光栅的啁啾系数；

(f)利用下式计算得到啁啾光栅的温变量ΔT，

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})\mathrm{\ΔT}$

其中：α为光纤材料的膨胀系数；

ξ为热光系数，硅纤中ξ＝6.67×10^-6℃^-1；

Δλ_B为点温变化位置z′处的布拉格波长的变化量；

λ_B为点温变化位置z′处的布拉格波长。

2.根据权利要求1所述的基于啁啾光栅的应变-温变双参量测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中凸字形反射谱三段光栅反射率分别为D、E、D，其中D＜E，且D与E均在30％～80％之间。