CN103674086A - 基于布里渊散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于布里渊散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的装置与方法：本发明利用拉丝塔技术以单脉冲激光能量连动态续刻写超低反射率全同弱光纤光栅，得到大容量光纤光栅阵列传感光纤，m根光纤与2×m光开关连接作为传感探头；通过高速CCD波长解调模块和布里渊频移外差解调模块分别得到各光纤光栅的反射中心波长λ_i和布里渊频移ν_i；利用布里渊频移和光栅的温度与应变参数求解，得到各位置处温度与应变大小。本发明克服了布里渊传感技术精度低、速度慢等缺点，简化了大容量弱光栅阵列光纤成缆的复杂性和可操作性，克服了光纤光栅温度与应变的交叉敏感性，还可以提高分布式传感的检测精度。

Description

基于布里渊散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种准分布式的全同弱光纤光栅传感及其解调技术，具体地指一种基于布里渊散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的方法及装置。

背景技术

温度与应变是大型系统结构健康检查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，温度则对诸如混凝土大坝、基坑等大体积结构影响较大，温度与应力作用往往导致结构内部出现微裂纹等损伤。由于温度与应变的交叉敏感，同时准确地测量大型结构的温度与应变在工程上一直是个难题。

准分布式的光纤光栅传感系统能够测量温度与应变，具有定位准确、测量精度高、解调速度快的优点，可应用范围很广。然而传统的光纤光栅传感系统使用高反射率光栅通过光纤熔接机进行串接，一般通过波分复用进行解调，传感单元容量小，焊点多，焊点与光纤光栅涂覆层位置处抗机械张力远少于光纤本身，造成传感系统可靠性差。布里渊光纤传感通过检测背向的自发或受激布里渊散射光来实现分布式温度与应变的测量，传感距离长，但是解调速度慢、测量精度低。上述两种传感系统也均对温度与应变两物理量交叉敏感，因此在实际应用中很难分离出来，给测量带来了很多的不便。目前解决温度与应变交叉敏感问题通常是使用参考光纤，即在同一环境中，通过使该参考光纤不受温度或应变影响，然后测量该参考光纤的温度或应变后，通过参考其温度或应变，测量出另外光纤的应变或温度，如公开号为CN102607621A的中国发明专利申请《同时检测温度和应变的分布式光纤布里渊传感装置和方法》，其通过两根光纤同时检测温度与应变，因此要求两根光纤具有相同的温度与应变，这限制了工程应用。在实际工程应用中，相关研究学者将高精度的光纤光栅传感与布里渊分布式技术简单组合在一起对结构进行应变检测，除布设分布式传感光纤外，还需要在结构重要位置安装高精度的局部光栅传感器，该检测系统布设相对困难，线路复杂且布设成本高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于布里渊散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的方法及装置，能够克服上述现有光纤光栅准分布式传感中传感单元容量小、光纤光栅与光纤熔接点位置引入的插入损耗大、其抗机械强度不能满足工程要求的不足，以及分布式布里渊光纤传感响应慢、测量精度低的不足，本发明具有容量大、无焊点、光纤光栅强度与光纤相同，并可同时检测传感区域的温度与应变，检测精度、检测速度和可靠性高等特点。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种基于布里渊散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的方法，包括如下步骤：

1）在单模光纤拉丝过程中利用拉丝塔技术连动态续刻写N个反射率在0.01%～1%的全同弱光纤光栅，得到大容量光纤光栅阵列传感光纤，m根大容量光纤光栅阵列传感光纤与2×m光开关连接，作为传感探头；

2）宽带光源的激光接入第二SOA光开关，经脉冲发生器调制成周期性高消光比的脉冲信号，脉冲信号经第二三端口环形器、2×m光开关后，进入所选择的一根大容量光纤光栅阵列传感光纤，产生的反射信号经2×m光开关回到第二三端口环形器，再经放大、滤波处理后进入高速CCD波长解调模块，解调得到各光纤光栅的反射中心波长λ_i（i=1，2，……N）；

与此同时，窄线宽光源的激光接入第一SOA光开关，经脉冲发生器调制成周期性高消光比的脉冲信号，脉冲信号的脉宽τ对应于大容量光纤光栅阵列传感光纤中全同弱光纤光栅之间的间隔；脉冲信号经第一三端口环形器、2×m光开关后，进入所选择的一根大容量光纤光栅阵列传感光纤，产生的背向布里渊散射信号经2×m光开关回到第一三端口环形器，再经放大、滤波处理后进入布里渊频移外差解调模块，得到各光纤光栅处的布里渊频移ν_i（i=1，2，……N）；

3）某大容量光纤光栅阵列传感光纤上各光纤光栅的反射中心波长λi和布里渊频移νi满足如下公式：

λ_i=λ_i0+C_TΔT_i+C_εΔε_i   （1）

v_i=v_i0+K_TΔT_i+K_εΔε_i   （2）

式中，λ_i0为初始的第i个光纤光栅的反射波长，C_T和C_ε分别为光纤光栅的温度和应变系数，v_i0为初始的第i个光纤光栅位置处的布里渊频移，K_T和K_ε分别为光纤布里渊频移的温度和应变系数，C_T、C_ε、K_T和K_ε提前通过测量大容量光纤光栅阵列传感光纤标定获得，联立（1）、（2），得到第i个光纤光栅处光纤的温度变化量ΔT_i和应变变化量Δε_i

${\mathrm{\ΔT}}_i=\frac{K_{\mathrm{\ϵ}}}{K_{\mathrm{\ϵ}}{C}_T-C_{\mathrm{\ϵ}}{K}_T}{\mathrm{\Δ\λ}}_i-\frac{C_{\mathrm{\ϵ}}}{K_{\mathrm{\ϵ}}{C}_T-C_{\mathrm{\ϵ}}{K}_T}{\mathrm{\Δv}}_i---\left(3\right)$

${\mathrm{\Δ\ϵ}}_i=\frac{K_T}{K_T{C}_{\mathrm{\ϵ}}-C_T{K}_{\mathrm{\ϵ}}}{\mathrm{\Δ\λ}}_i-\frac{C_T}{K_T{C}_{\mathrm{\ϵ}}-C_T{K}_{\mathrm{\ϵ}}}{\mathrm{\Δv}}_i---\left(4\right)$

其中，Δλ_i=λ_i-λ_i0，Δv_i=v_i-v_i0。

上述技术方案的所述步骤1）中，采用准分子激光器在拉丝塔系统上光纤拉丝时，同时以单脉冲激光动态连续刻写光栅，然后进行二次涂敷和紫外光固化；所述光纤光栅的间隔通过拉丝速度和准分子激光器的脉冲频率进行控制。

上述技术方案的所述步骤2）中，设定窄线宽光源的工作波长与大容量光纤光栅阵列传感光纤中光纤光栅的中心波长相差5～10nm，用于避免散射信号与反射信号相互影响。

上述技术方案的所述步骤2）中，根据脉冲发生器向第二SOA光开关和第一SOA光开关发出的信号的时间差t_d计算出光纤光栅在大容量光纤光栅阵列传感光纤中的编号R：R=c·t_d/2n，其中c为光速，n为大容量光纤光栅阵列传感光纤的纤芯折射率。

本发明提供的一种基于布里渊散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的装置，包括窄线宽光源、宽带光源、三个SOA光开关、脉冲发生器、两个三端口环形器、2×m光开关、m根大容量光纤光栅阵列传感光纤、两个掺铒光纤放大器、两个带通滤波器、布里渊频移外差解调模块、高速CCD波长解调模块和中央处理单元；所述窄线宽光源、第一SOA光开关、第一三端口环形器依次连接后接入2×m光开关的一个输入端，所述宽带光源、第二SOA光开关、第二三端口环形器依次连接后接入2×m光开关的另一个输入端；所述脉冲发生器分别与第一SOA光开关和第二SOA光开关连接，用于脉冲信号的调制；所述大容量光纤光栅阵列传感光纤为利用拉丝塔技术在单模光纤上连动态续刻写有多个反射率在0.01%～1%的全同弱光纤光栅的光纤，m根大容量光纤光栅阵列传感光纤与2×m光开关的m个输出端连接，作为传感探头；所述第一三端口环形器的第三端口、一个掺铒光纤放大器、一个带通滤波器和布里渊频移外差解调模块依次连接，用于对背向布里渊散射信号进行放大、滤波和解调；所述第二三端口环形器的第三端口、另一个掺铒光纤放大器、另一个带通滤波器、第三SOA光开关和高速CCD波长解调模块依次连接，用于对反射信号进行放大、滤波和解调；脉冲发生器还分别与第三SOA光开关和布里渊频移外差解调模块连接；布里渊频移外差解调模块和高速CCD波长解调模块的信号输入端分别与中央处理单元连接，用于温度和应变测量信号的处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1、采用了大容量光纤光栅阵列传感光纤，其在单模光纤拉丝过程中利用拉丝塔技术动态连续刻写多个反射率在0.01%～1%的全同弱光纤光栅，光栅本身的抗机械强度与光纤相同，无焊点，能够提供大应变、高精度传感，且由于使用了超低反射率的弱光栅，传感单元的数量可达数千个，从而克服了传统的强光栅串接技术导致的传感单元少、抗机械强度低，不能适应大应变传感变化的问题；现场操作方面，大容量光纤光栅阵列传感光纤的布设方便，无需光纤熔接，降低了系统的插入损耗；2、能够在无需参考光纤的情况下，同时测量温度和应变，降低了传感光纤的布设与安装成本，且计算方式简单、准确，解调速度块。

附图说明

图1为本发明基于布里渊散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的装置的结构示意暨工作原理图；

图中：1—窄线宽光源，2—宽带光源，3—第一SOA光开关，4—第二SOA光开关，5—脉冲发生器，7—第一三端口环形器，8—第二三端口环形器，9—2×m光开关，10—大容量光纤光栅阵列传感光纤，11、12—掺铒光纤放大器，13、14—带通滤波器，15—第三SOA光开关，16—布里渊频移外差解调模块，17—高速CCD波长解调模块，18—中央处理单元。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述：

如图1所示，本发明的一种基于布里渊散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的装置，包括窄线宽光源1、宽带光源2、三个SOA光开关3、4、15、脉冲发生器5、两个三端口环形器7、8、2×m光开关9、m根大容量光纤光栅阵列传感光纤10、两个掺铒光纤放大器11、12、两个带通滤波器13、14、布里渊频移外差解调模块16、高速CCD波长解调模块17和中央处理单元18。窄线宽光源1、第一SOA光开关3、第一三端口环形器7依次连接后接入2×m光开关9的一个输入端，宽带光源2、第二SOA光开关4、第二三端口环形器8依次连接后接入2×m光开关9的另一个输入端。脉冲发生器5分别与第一SOA光开关3和第二SOA光开关4连接，用于脉冲信号的调制。大容量光纤光栅阵列传感光纤10为利用拉丝塔技术在单模光纤上动态连续刻写有多个反射率在0.01%～1%的全同弱光纤光栅的光纤，m根大容量光纤光栅阵列传感光纤10与2×m光开关9的m个输出端连接，作为传感探头。第一三端口环形器7的第三端口、掺铒光纤放大器12、带通滤波器14和布里渊频移外差解调模块16依次连接，用于对背向布里渊散射信号进行放大、滤波和解调。第二三端口环形器8的第三端口、掺铒光纤放大器11、带通滤波器13、第三SOA光开关15和高速CCD波长解调模块17依次连接，用于对反射信号进行放大、滤波和解调。上述脉冲发生器5还分别与第三SOA光开关15和布里渊频移外差解调模块16连接。布里渊频移外差解调模块16和高速CCD波长解调模块17的信号输入端分别与中央处理单元18连接，用于温度和应变测量信号的处理。

结合上述装置，本发明基于布里渊散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的具体操作为：

1）在单模光纤拉丝过程中采用248nm或者193nm的准分子激光器同时以单脉冲激光刻写N个反射率在0.01%～1%的全同弱光纤光栅，然后进行二次涂敷和紫外光固化，得到大容量光纤光栅阵列传感光纤10，m根大容量光纤光栅阵列传感光纤10与2×m光开关9连接，作为传感探头，光纤的插入损耗在0.2～0.4dB/km，取决于单模光纤的光敏性。该操作使得光栅的抗机械强度与光纤相同，不需要光纤熔接，插入损耗小，波长一致性好，传感单元数量大，测量精度高。光纤光栅的间隔通过拉丝速度和准分子激光器的频率进行控制；

2）宽带光源2的激光接入第二SOA光开关4，经脉冲发生器5调制成周期性高消光比（>30dB）的脉冲信号，脉冲信号经第二三端口环形器8、2×m光开关9后，进入所选择的一根大容量光纤光栅阵列传感光纤10，产生的反射信号经2×m光开关9回到第二三端口环形器8，再经放大、滤波处理后进入高速CCD波长解调模块17，解调得到各光纤光栅的反射中心波长λ_i（i=1，2，……N）；

与此同时，窄线宽光源1的激光接入第一SOA光开关3，经脉冲发生器5调制成周期性高消光比（>30dB）的脉冲信号，脉冲信号的脉宽τ对应于大容量光纤光栅阵列传感光纤10中全同弱光纤光栅之间的间隔ΔR，ΔR=cτ/2n,其中c为光速，n为大容量光纤光栅阵列传感光纤10的纤芯折射率，即设置整个布里渊传感系统的空间分辨率与大容量光纤光栅阵列传感光纤10的光栅间隔相同。本实施例中，窄线宽光源1的中心波长宽带光源2的工作波长为1550nm，宽带光源2的工作波长在1555～1560nm，使窄线宽光源1经过大容量光纤光栅阵列传感光纤10的光纤光栅后直接透射。脉冲信号经第一三端口环形器7、2×m光开关9后，进入所选择的一根大容量光纤光栅阵列传感光纤10，由于大容量光纤光栅阵列传感光纤10中光纤光栅对窄线宽光源1的激光没有任何反射，因此在大容量光纤光栅阵列传感光纤10中产生自发布里渊散射，利用OTDR（光时域反射仪）技术，背向布里渊散射信号经2×m光开关9回到第一三端口环形器7，再经放大、滤波处理后进入布里渊频移外差解调模块16，通过脉冲发生器5的信号S3和S4的延迟差，得到各光纤光栅处的布里渊频移ν_i（i=1，2，……N）。根据脉冲发生器5向第二SOA光开关4和第一SOA光开关3发出的信号S1和S2的时间差t_d则可计算出光纤光栅在大容量光纤光栅阵列传感光纤10中的编号R：R=c·t_d/2n，其中c为光速，n为大容量光纤光栅阵列传感光纤10的纤芯折射率；

3）某大容量光纤光栅阵列传感光纤10上各光纤光栅的反射中心波长λ_i和布里渊频移ν_i满足如下公式：

λ_i=λ_i0+C_TΔT_i+C_εΔε_i   （1）

v_i=v_i0+K_TΔT_i+K_εΔε_i   （2）

式中，λ_i0为初始的第i个光纤光栅的反射波长，C_T和C_ε分别为光纤光栅的温度和应变系数，v_i0为初始的第i个光纤光栅位置处的布里渊频移，K_T和K_ε分别为光纤布里渊频移的温度和应变系数，C_T、C_ε、K_T和K_ε提前通过测量大容量光纤光栅阵列传感光纤10标定获得，联立（1）、（2），得到第i个光纤光栅处光纤的温度变化量ΔT_i和应变变化量Δε_i

${\mathrm{\ΔT}}_i=\frac{K_{\mathrm{\ϵ}}}{K_{\mathrm{\ϵ}}{C}_T-C_{\mathrm{\ϵ}}{K}_T}{\mathrm{\Δ\λ}}_i-\frac{C_{\mathrm{\ϵ}}}{K_{\mathrm{\ϵ}}{C}_T-C_{\mathrm{\ϵ}}{K}_T}{\mathrm{\Δv}}_i---\left(3\right)$

${\mathrm{\Δ\ϵ}}_i=\frac{K_T}{K_T{C}_{\mathrm{\ϵ}}-C_T{K}_{\mathrm{\ϵ}}}{\mathrm{\Δ\λ}}_i-\frac{C_T}{K_T{C}_{\mathrm{\ϵ}}-C_T{K}_{\mathrm{\ϵ}}}{\mathrm{\Δv}}_i---\left(4\right)$

其中，Δλ_i=λ_i-λ_i0，Δv_i=v_i-v_i0。由（3）、（4）即可同时得到各测量位置点处的温度与应变大小。

本发明的核心一方面在于大容量光纤光栅阵列传感光纤10的设置，使得光栅本身的抗机械强度与光纤相同，无焊点，能够提供大应变、高精度传感，传感单元的数量可达数千个；另一方面在于布里渊频移外差解调模块16和高速CCD波长解调模块17的配置，能够通过对与温度和应变交叉敏感的反射中心波长和布里渊频移的测量，联立二元二次方程同时得到各测量位置点处的温度与应变大小。所以，其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神，例如：大容量光纤光栅阵列传感光纤10中光纤光栅的空间分辨率、数量等参数取决于用户需求，可通过拉丝速度和准分子激光器的频率进行控制，不限于实施例中的具体数值；窄线宽光源1和宽带光源2的工作波长也不限于上述具体数值，只要避免散射信号与反射信号重叠影响测量即可等。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (5)

1.一种基于布里渊散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）在单模光纤拉丝过程中利用拉丝塔技术动态连续刻写N个反射率在0.01%～1%的全同弱光纤光栅，得到大容量光纤光栅阵列传感光纤（10），m根大容量光纤光栅阵列传感光纤（10）与2×m光开关（9）连接，作为传感探头；

2）宽带光源（2）的激光接入第二SOA光开关（4），经脉冲发生器（5）调制成周期性高消光比的脉冲信号，脉冲信号经第二三端口环形器（8）、2×m光开关（9）后，进入所选择的一根大容量光纤光栅阵列传感光纤（10），产生的反射信号经2×m光开关（9）回到第二三端口环形器（8），再经放大、滤波处理后进入高速CCD波长解调模块（17），解调得到各光纤光栅的反射中心波长λ_i（i=1，2，……N）；

与此同时，窄线宽光源（1）的激光接入第一SOA光开关（3），经脉冲发生器（5）调制成周期性高消光比的脉冲信号，脉冲信号的脉宽τ对应于大容量光纤光栅阵列传感光纤（10）中全同弱光纤光栅之间的间隔；脉冲信号经第一三端口环形器（7）、2×m光开关（9）后，进入所选择的一根大容量光纤光栅阵列传感光纤（10），产生的背向布里渊散射信号经2×m光开关（9）回到第一三端口环形器（7），再经放大、滤波处理后进入布里渊频移外差解调模块（16），得到各光纤光栅处的布里渊频移ν_i（i=1，2，……N）；

3）某大容量光纤光栅阵列传感光纤（10）上各光纤光栅的反射中心波长λi和布里渊频移νi满足如下公式：

λ_i=λ_i0+C_TΔT_i+C_εΔε_i   （1）

v_i=v_i0+K_TΔT_i+K_εΔε_i   （2）

式中，λ_i0为初始的第i个光纤光栅的反射波长，C_T和C_ε分别为光纤光栅的温度和应变系数，v_i0为初始的第i个光纤光栅位置处的布里渊频移，K_T和K_ε分别为光纤布里渊频移的温度和应变系数，C_T、C_ε、K_T和K_ε提前通过测量大容量光纤光栅阵列传感光纤（10）标定获得，联立（1）、（2），得到第i个光纤光栅处光纤的温度变化量ΔT_i和应变变化量Δε_i

${\mathrm{\ΔT}}_i=\frac{K_{\mathrm{\ϵ}}}{K_{\mathrm{\ϵ}}{C}_T-C_{\mathrm{\ϵ}}{K}_T}{\mathrm{\Δ\λ}}_i-\frac{C_{\mathrm{\ϵ}}}{K_{\mathrm{\ϵ}}{C}_T-C_{\mathrm{\ϵ}}{K}_T}{\mathrm{\Δv}}_i---\left(3\right)$

${\mathrm{\Δ\ϵ}}_i=\frac{K_T}{K_T{C}_{\mathrm{\ϵ}}-C_T{K}_{\mathrm{\ϵ}}}{\mathrm{\Δ\λ}}_i-\frac{C_T}{K_T{C}_{\mathrm{\ϵ}}-C_T{K}_{\mathrm{\ϵ}}}{\mathrm{\Δv}}_i---\left(4\right)$

其中，Δλ_i=λ_i-λ_i0，Δv_i=v_i-v_i0。

2.根据权利要求1所述的基于布里渊散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的方法，其特征在于：所述步骤1）中，采用准分子激光器在拉丝塔系统上光纤拉丝时，同时以单脉冲激光动态连续刻写光栅，然后进行二次涂敷和紫外光固化；所述光纤光栅的间隔通过拉丝速度和准分子激光器的脉冲频率进行控制。

3.根据权利要求1所述的基于布里渊散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的方法，其特征在于：所述步骤2）中，设定窄线宽光源（1）的工作波长与大容量光纤光栅阵列传感光纤（10）中光纤光栅的中心波长相差5～10nm，用于避免散射信号与反射信号相互影响。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的基于布里渊散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的方法，其特征在于：所述步骤2）中，根据脉冲发生器（5）向第二SOA光开关（4）和第一SOA光开关（3）发出的信号的时间差t_d计算出光纤光栅在大容量光纤光栅阵列传感光纤（10）中的编号R：R=c·t_d/2n，其中c为光速，n为大容量光纤光栅阵列传感光纤（10）的纤芯折射率。

5.一种基于布里渊散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的装置，其特征在于：包括窄线宽光源（1）、宽带光源（2）、三个SOA光开关（3、4、15）、脉冲发生器（5）、两个三端口环形器（7、8）、2×m光开关（9）、m根大容量光纤光栅阵列传感光纤（10）、两个掺铒光纤放大器（11、12）、两个带通滤波器（13、14）、布里渊频移外差解调模块（16）、高速CCD波长解调模块（17）和中央处理单元（18）；所述窄线宽光源（1）、第一SOA光开关（3）、第一三端口环形器（7）依次连接后接入2×m光开关（9）的一个输入端，所述宽带光源（2）、第二SOA光开关（4）、第二三端口环形器（8）依次连接后接入2×m光开关（9）的另一个输入端；所述脉冲发生器（5）分别与第一SOA光开关（3）和第二SOA光开关（4）连接，用于脉冲信号的调制；所述大容量光纤光栅阵列传感光纤（10）为利用拉丝塔技术在单模光纤上动态连续刻写有多个反射率在0.01%～1%的全同弱光纤光栅的光纤，m根大容量光纤光栅阵列传感光纤（10）与2×m光开关（9）的m个输出端连接，作为传感探头；所述第一三端口环形器（7）的第三端口、一个掺铒光纤放大器（12）、一个带通滤波器（14）和布里渊频移外差解调模块（16）依次连接，用于对背向布里渊散射信号进行放大、滤波和解调；所述第二三端口环形器（8）的第三端口、另一个掺铒光纤放大器（11）、另一个带通滤波器（13）、第三SOA光开关（15）和高速CCD波长解调模块（17）依次连接，用于对反射信号进行放大、滤波和解调；脉冲发生器（5）还分别与第三SOA光开关（15）和布里渊频移外差解调模块（16）连接；布里渊频移外差解调模块（16）和高速CCD波长解调模块（17）的信号输入端分别与中央处理单元（18）连接，用于温度和应变测量信号的处理。

Images