CN105444686A - 实时非线性光学应变仪系统 - Google Patents
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Abstract
实时非线性光学应变仪系统。一种用于测量应变的系统包括具有固定在两个固定点之间的中心部分的光纤。第一光源输出第一频率的光，第二光源输出第二不同频率的光。这两个光源均耦合至光纤的第一端。后向散射检测器也耦合至所述第一端以从光纤接收回波光信号并且基于所述回波光信号输出信号。前向散射检测器耦合至光纤的第二端以从光纤接收前向光信号并且基于前向光信号输出信号。处理器接收来自后向散射检测器和前向散射检测器的信号并且基于所接收的信号生成与两个固定点之间的应变成比例的输出信号。
Description
技术领域
本公开总体涉及光纤应变(strain)测量系统，更具体地讲，涉及一种具有非线性源信号的光纤应变测量系统。
背景技术
在传统基于光纤的应变测量系统中，源信号被引导至光纤中，因为光纤中施加的应变或者因为由于在光纤上施加的机械变化所引起的偏振重配置，所以发生回波信号。在这些传统系统中回波信号的信噪比不太理想，这是因为回波信号的大小远小于线性源信号的大小。在这些系统中可将布拉格光栅写入光纤中以生成更大的回波信号，但是回波信号的信噪比仍低于所期望的。另外，在传统基于光纤的应变测量系统中源信号的波长通常在预定范围上变化，监测回波信号以检测峰值，应变测量信号对应于检测到峰值时的源信号的波长。这种类型的系统针对各个测量施加了与使源信号在工作波长范围上扫过源信号所需的时间对应的延迟。
因此，需要一种基于光纤的应变测量系统，其回波信号具有更高的信噪比。另外，需要一种实时地提供测量信号的基于光纤的应变测量系统。
发明内容
在一个方面，提供一种测量两个固定点之间的应变的系统。光纤具有第一端、第二端以及固定在两个固定点之间的中心部分。第一光源输出具有第一频率的光信号并且耦合至光纤的第一端。第二光源输出具有不同于第一频率的第二频率的光信号并且也耦合至光纤的第一端。后向散射检测器耦合至光纤的第一端以用于从光纤接收回波光信号并且基于所述回波光信号输出信号。前向散射检测器耦合至光纤的第二端以用于从光纤接收前向光信号并且基于所述前向光信号输出信号。处理器耦合以接收来自后向散射检测器和前向散射检测器的信号。所述处理器被配置为基于来自后向散射检测器和前向散射检测器的信号生成与结构上的两个点之间的应变成比例的输出信号。
在另一实施方式中，第一光源、第二光源和后向散射检测器可经由3:1耦合器(103)耦合至光纤。另外，后向散射检测器可包括频率控制元件，该频率控制元件被配置为具有与基于第一频率和第二频率所计算的响应频率对应的频率，所计算的响应频率不同于第一频率和第二频率。另外，前向散射检测器可包括频率控制元件，该频率控制元件被配置为具有与基于第一频率和第二频率所计算的响应频率对应的频率，所计算的响应频率不同于第一频率和第二频率。另外，光纤的中心部分可包括布拉格光栅，该布拉格光栅被配置为按照与基于第一频率和第二频率所计算的响应频率对应的频率反射光，所计算的响应频率不同于第一频率和第二频率。另外，第一光源可包括被配置为具有第一预定强度的强度控制元件、被配置为具有第一预定偏振的偏振控制元件以及被配置为具有与第一频率对应的频率的频率控制元件。另外，第二光源可包括被配置为具有第二预定强度的强度控制元件、被配置为具有第二预定偏振的偏振控制元件以及被配置为具有与第二频率对应的频率的频率控制元件。另外，第一预定强度可与第二预定强度相同。另外，第一预定偏振可与第二预定偏振相同。
在另一方面，提供一种测量两个固定点之间的应变的系统。光纤具有第一端、第二端以及固定在两个固定点之间的中心部分。第一光源输出具有第一频率的光信号并且耦合至光纤的第一端。第二光源输出具有不同于第一频率的第二频率的光信号并且也耦合至光纤的第一端。后向散射检测器耦合至光纤的第一端以用于从光纤接收回波光信号并且基于回波光信号输出信号。处理器耦合以从后向散射检测器接收信号。所述处理器被配置为基于来自后向散射检测器的信号生成与结构上的两个点之间的应变成比例的输出信号。
在另一方面，提供一种测量两个固定点之间的应变的系统。光纤具有第一端、第二端以及固定在两个固定点之间的中心部分。第一光源输出具有第一频率的光信号并且耦合至光纤的第一端。第二光源输出具有不同于第一频率的第二频率的光信号并且也耦合至光纤的第一端。前向散射检测器耦合至光纤的第二端以用于从光纤接收前向光信号并且基于前向光信号输出信号。处理器耦合以从前向散射检测器接收信号。所述处理器被配置为基于来自前向散射检测器的信号生成与结构上的两个点之间的应变成比例的输出信号。
另外，本公开包括根据以下条款的实施方式：
条款1、一种测量两个固定点之间的应变的系统，该系统包括：
光纤，该光纤具有第一端、第二端以及固定在所述两个固定点之间的中心部分；
第一光源，该第一光源输出具有第一频率的光信号并且耦合至所述光纤的所述第一端；
第二光源，该第二光源输出具有不同于所述第一频率的第二频率的光信号并且耦合至所述光纤的所述第一端；
后向散射检测器，该后向散射检测器耦合至所述光纤的所述第一端以用于从所述光纤接收回波光信号并且基于所述回波光信号输出信号；
前向散射检测器，该前向散射检测器耦合至所述光纤的所述第二端以用于从所述光纤接收前向光信号并且基于所述前向光信号输出信号；以及
处理器，该处理器耦合以接收来自所述后向散射检测器和所述前向散射检测器的所述信号，所述处理器被配置为基于来自所述后向散射检测器和所述前向散射检测器的所述信号生成与所述两个固定点之间的所述应变成比例的输出信号。
条款2、根据条款1所述的系统，其中，所述第一光源、所述第二光源和所述后向散射检测器经由3:1耦合器耦合至所述光纤。
条款3、根据条款1所述的系统，其中，所述后向散射检测器包括频率控制元件，该频率控制元件被配置为具有与基于所述第一频率和所述第二频率所计算的响应频率对应的频率，所计算的响应频率不同于所述第一频率和所述第二频率。
条款4、根据条款1所述的系统，其中，所述前向散射检测器包括频率控制元件，该频率控制元件被配置为具有与基于所述第一频率和所述第二频率所计算的响应频率对应的频率，所计算的响应频率不同于所述第一频率和所述第二频率。
条款5、根据条款1所述的系统，其中，所述光纤的所述中心部分包括布拉格光栅，该布拉格光栅被配置为按照与基于所述第一频率和所述第二频率所计算的响应频率对应的频率反射光，所计算的响应频率不同于所述第一频率和所述第二频率。
条款6、根据条款1所述的系统，其中，所述第一光源包括被配置为具有预定强度的强度控制元件、被配置为具有预定偏振的偏振控制元件以及被配置为具有与所述第一频率对应的频率的频率控制元件。
条款7、根据权利要求条款1所述的系统，其中，所述第二光源包括被配置为具有预定强度的强度控制元件、被配置为具有预定偏振的偏振控制元件以及被配置为具有与所述第二频率对应的频率的频率控制元件。
条款8、一种测量两个固定点之间的应变的系统，该系统包括：
光纤，该光纤具有第一端、第二端以及固定在所述两个固定点之间的中心部分；
第一光源，该第一光源输出具有第一频率的光信号并且耦合至所述光纤的所述第一端；
第二光源，该第二光源输出具有不同于所述第一频率的第二频率的光信号并且耦合至所述光纤的所述第一端；
后向散射检测器，该后向散射检测器耦合至所述光纤的所述第一端以用于从所述光纤接收回波光信号并且基于所述回波光信号输出信号；以及
处理器，该处理器耦合以接收来自所述后向散射检测器的所述信号，所述处理器被配置为基于来自所述后向散射检测器的所述信号生成与所述两个固定点之间的所述应变成比例的输出信号。
条款9、根据条款8所述的系统，其中，所述第一光源、所述第二光源和所述后向散射检测器经由3:1耦合器耦合至所述光纤。
条款10、根据条款8所述的系统，其中，所述后向散射检测器包括频率控制元件，该频率控制元件被配置为具有与基于所述第一频率和所述第二频率所计算的响应频率对应的频率，所计算的响应频率不同于所述第一频率和所述第二频率。
条款11、根据条款8所述的系统，其中，所述光纤的所述中心部分包括布拉格光栅，该布拉格光栅被配置为按照与基于所述第一频率和所述第二频率所计算的响应频率对应的频率反射光，所计算的响应频率不同于所述第一频率和所述第二频率。
条款12、根据条款8所述的系统，其中，所述第一光源包括被配置为具有预定强度的强度控制元件、被配置为具有预定偏振的偏振控制元件以及被配置为具有与所述第一频率对应的频率的频率控制元件。
条款13、根据权利要求条款8所述的系统，其中，所述第二光源包括被配置为具有预定强度的强度控制元件、被配置为具有预定偏振的偏振控制元件以及被配置为具有与所述第二频率对应的频率的频率控制元件。
条款14、根据条款8所述的系统，其中，所述第一光源包括被配置为具有第一预定强度的强度控制元件、被配置为具有第一预定偏振的偏振控制元件以及被配置为具有与所述第一频率对应的频率的频率控制元件；其中，所述第二光源包括被配置为具有第二预定强度的强度控制元、被配置为具有第二预定偏振的偏振控制元件以及被配置为具有与所述第二频率对应的频率的频率控制元件；其中，所述第一预定强度与所述第二预定强度相同；并且其中，所述第一预定偏振与所述第二预定偏振相同。
条款15、一种测量两个固定点之间的应变的系统，该系统包括：
光纤，该光纤具有第一端、第二端以及固定在所述两个固定点之间的中心部分；
第一光源，该第一光源输出具有第一频率的光信号并且耦合至所述光纤的所述第一端；
第二光源，该第二光源输出具有不同于所述第一频率的第二频率的光信号并且耦合至所述光纤的所述第一端；
前向散射检测器，该前向散射检测器耦合至所述光纤的所述第二端以用于从所述光纤接收前向光信号并且基于所述前向光信号输出信号；以及
处理器，该处理器耦合以接收来自所述前向散射检测器的所述信号，所述处理器被配置为基于来自所述前向散射检测器的所述信号生成与所述两个固定点之间的所述应变成比例的输出信号。
条款16、根据条款15所述的系统，其中，所述前向散射检测器包括频率控制元件，该频率控制元件被配置为具有与基于所述第一频率和所述第二频率所计算的响应频率对应的频率，所计算的响应频率不同于所述第一频率和所述第二频率。
条款17、根据条款15所述的系统，其中，所述光纤的所述中心部分包括布拉格光栅，该布拉格光栅被配置为按照与基于所述第一频率和所述第二频率所计算的响应频率对应的频率反射光，所计算的响应频率不同于所述第一频率和所述第二频率。
条款18、根据条款15所述的系统，其中，所述第一光源包括被配置为具有预定强度的强度控制元件、被配置为具有预定偏振的偏振控制元件以及被配置为具有与所述第一频率对应的频率的频率控制元件。
条款19、根据权利要求条款15所述的系统，其中，所述第二光源包括被配置为具有预定强度的强度控制元件、被配置为具有预定偏振的偏振控制元件以及被配置为具有与所述第二频率对应的频率的频率控制元件。
条款20、根据权利要求条款15所述的系统，其中，所述第一光源包括被配置为具有第一预定强度的强度控制元件、被配置为具有第一预定偏振的偏振控制元件以及被配置为具有与所述第一频率对应的频率的频率控制元件；其中，所述第二光源包括被配置为具有第二预定强度的强度控制元、被配置为具有第二预定偏振的偏振控制元件以及被配置为具有与所述第二频率对应的频率的频率控制元件；其中，所述第一预定强度与所述第二预定强度相同；并且其中，所述第一预定偏振与所述第二预定偏振相同。
所讨论的特征、功能和优点可在各种实施方式中独立地实现，或者可在其它实施方式中组合，其进一步的细节可参考以下描述和附图看出。
附图说明
以下详细描述作为示例给出而非旨在将本公开仅限于此，以下详细描述将结合附图来最佳地理解，附图中：
图1是根据本公开的一方面的实时非线性光学应变仪系统的框图；
图2是l根据本公开的一方面的光源的框图；以及
图3是根据本公开的一方面的散射检测器的框图。
具体实施方式
在本公开中，贯穿附图相似的标号指代相似的元件，附图示出了本公开的各种示例性实施方式。
本文所公开的系统将源信号施加到基于光纤的传感器，所述源信号由两个不同的信号的组合构成，各个信号具有不同的波长。这在第三可预测不同波长处导致回波信号(前向和后向二者)。该回波信号将取决于并指示光纤中所引起的应变，这是因为这种应变增加了光纤的局部非线性。该非线性系统的信噪比远大于传统线性系统的信噪比，这是因为回波信号的波长不同于两个组合的源信号的波长。对于线性系统，根据下式(1)，偏振与输入光信号所关联的电场线性相关：
P(ω)＝χ*E(ω)(1)
在式(1)中，P(ω)表示材料偏振，E(ω)表示电场，χ表示光纤材料响应。P(ω)、E(ω)和χ全部是矢量。相比之下，对于非线性系统，根据下式(2)，偏振与输入光信号所关联的电场之间的关系包括高阶(非线性)效应：
P2(ω1+ω2)＝χ2*E1(ω1)*E2(ω2)(2)
在这种情况下，E1(ω1)和E2(ω2)是与两个输入光信号关联的电场，P2(ω1+ω2)是二阶偏振，χ2表示光纤响应，并且由于二阶效应，χ2为矩阵而非矢量。存在可应用的许多其它非线性关系，包括例如基于具有诸如2ω1-ω2的关系的输入信号产生的三阶效应。
现在参照图1，实时非线性光学应变仪系统100包括光纤101，光纤101被配置为在被固定到在两个预定固定点113、114之间的结构的中心部分102中检测沿着光纤101纵向施加的任何应变。例如，光纤101的每一端可在永久结构(例如，飞机、桥、风能螺旋卷等)中固定就位，并且可根据本公开使用系统100来检测光纤101中由于两个固定点113、114之间的距离的任何改变而引起的任何应变。布拉格光栅可被写入中心部分102内的光纤101中，以增加响应频率处的信号电平(以及信噪比)，但不是必须的。
系统100包括第一光学光源108和第二光学光源107(各自在下面描述)。第一光学光源108优选耦合至光纤105的第一端，第二光学光源107优选耦合至单独的光纤106的第一端。光纤106、105的第二端优选耦合至三合一耦合器103，该三合一耦合器103继而耦合至光纤101的第一端。后向散射检测器109也经由单独的光纤104耦合至三合一耦合器104以从光纤101接收回波光信号。如本领域普通技术人员将容易认识到的，存在许多另选方式来将第一光学光源108、第二光学光源107和后向散射检测器109耦合至光纤101的第一端，所有这些另选方式均落入本公开的范围内。最后，前向散射检测器112优选耦合至光纤101的第二(远)端以从光纤101接收前向光信号。在目前优选的实施方式中，输出应变信号(下面讨论)基于后向散射检测器109和前向散射检测器112二者的输出。在一个另选实施方式中，前向散射检测器112被省略，输出应变信号仅基于后向散射检测器109的输出。在另一另选实施方式中，后向散射检测器109被省略，输出应变信号仅基于前向散射检测器112的输出。处理器110耦合至后向散射检测器109和前向散射检测器112以从其接收信号。处理器110基于来自后向散射检测器109和前向散射检测器112的信号生成输出信号111。
现在参照图2，各个光学光源108、107被配置为提供固定波长、固定偏振和固定强度的光。例如，各个发光元件201、202可各自输出不同波长ω1、ω2的光。发光元件201、202可以是随光纤系统一起使用的任何传统光源，例如发光二极管或激光二极管。各个发光元件201、201优选设置有相应的强度控制元件203、204、偏振控制元件205、206和频率控制元件207、208，以使得相应输出信号209、210将具有精确和预定的强度、偏振和频率(波长)。在一些情况下，在第一光学光源108和第二光学光源107之间将仅频率不同。强度控制可包括用于降低强度的宽带滤波器，或者可具体地指特定频率陷波滤波器，其旨在使检测器能够以线性方式起作用的强度水平下降。偏振控制通常利用偏振敏感光学介质(例如，薄膜偏振器或者更复杂的方案，例如Glan-Thompson偏振器系统或Glan-air偏振器系统)的组合来进行。另外，针对偏振选择性可使用基于布儒斯特角(Brewster’sangle)的光学器件。频率控制在简单的情况下可通过频率依赖滤色器或介质滤光器来实现，在更复杂的情况下可通过分光光度计来实现，所述分光光度计通常由以所关注的频率或带宽操作的衍射光栅组成。
现在参照图3，前向散射检测器112和后向散射检测器109中的每一个按照相同的方式构造，并且包括相应的强度控制元件301、302、偏振选择元件303、304、频率(波长)选择元件305、306和检测器307、308。当两个单独的且不同的光信号209、210被一起施加到光纤101时，由光纤101上所引起的应变导致的回波信号(前向和后向二者)将发生在与两个施加的光信号209、210不同的频率(波长)处。如本领域普通技术人员将容易认识到的，通过将两个单独控制的信号E1(ω1)、E2(ω2)施加到光纤101，光纤材料响应将引起二阶效应，从而导致不同频率(波长)的响应信号。由于响应信号的特性可基于施加的信号来计算，所以强度控制元件301、302、偏振选择元件303、304、频率(波长)选择元件305、306中的每一个可被选择以匹配所计算的响应频率。结果，提供给相应检测器307、308的信号将与光纤材料响应成比例，并且将基于施加到光纤101的任何原因而改变。光纤101中生成的应变将导致微观层面的机械位移。在一些情况下这些机械位移将导致缺陷，即，光纤中的微观破损。在不太严重的情况下它们可能仅仅导致构成光纤的材料的微观排序或失序。这些微观改变将导致局部水平的超极化率的改变，随后将自身显现为光纤的二阶或三阶非线性磁化率的宏观改变。由于所关注的信号对那些非线性磁化率的改变作出响应，所以应变的微观改变导致所测量的二阶和三阶非线性信号的改变。
通过提供非线性源信号，本文所公开的系统生成信噪比远高于具有线性源信号的传统系统的输出信号。另外，在本文所公开的系统中使用非线性源信号简化了检测电路，这是因为回波信号将具有预定波长，并且允许更响应及时(有效地实时)的测量信号。
尽管参照本公开的优选实施方式及其各个方面具体示出并描述了本公开，本领域普通技术人员将理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可进行各种改变和修改。所附权利要求书旨在被解释为包括本文所描述的实施方式、上述替代形式及其所有等同物。
Claims (8)
1.一种测量两个固定点之间的应变的系统(100)，该系统包括：
光纤(101)，该光纤具有第一端、第二端以及固定在所述两个固定点(113,114)之间的中心部分(102)；
第一光源(108)，该第一光源输出具有第一频率的光信号并且耦合至所述光纤(105)的所述第一端；
第二光源(107)，该第二光源输出具有不同于所述第一频率的第二频率的光信号并且耦合至所述光纤(106)的所述第一端；
后向散射检测器(109)，该后向散射检测器耦合至所述光纤(104)的所述第一端以用于从所述光纤接收回波光信号并且基于所述回波光信号输出信号；
前向散射检测器(112)，该前向散射检测器耦合至所述光纤(101)的所述第二端以用于从所述光纤接收前向光信号并且基于所述前向光信号输出信号；以及
处理器(110)，该处理器被耦合以接收来自所述后向散射检测器(109)和所述前向散射检测器(112)的所述信号，所述处理器被配置为基于来自所述后向散射检测器和所述前向散射检测器的所述信号生成与所述两个固定点之间的所述应变成比例的输出信号(111)。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一光源(108)、所述第二光源(107)和所述后向散射检测器(109)经由3:1耦合器(103)耦合至所述光纤。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述后向散射检测器(109)包括频率控制元件(306)，该频率控制元件被配置为具有与基于所述第一频率和所述第二频率所计算的响应频率对应的频率，所计算的响应频率不同于所述第一频率和所述第二频率。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述前向散射检测器包括频率控制元件(305)，该频率控制元件被配置为具有与基于所述第一频率和所述第二频率所计算的响应频率对应的频率，所计算的响应频率不同于所述第一频率和所述第二频率。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤的所述中心部分(102)包括布拉格光栅，该布拉格光栅被配置为按照与基于所述第一频率和所述第二频率所计算的响应频率对应的频率反射光，所计算的响应频率不同于所述第一频率和所述第二频率。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一光源(108)包括被配置为具有预定强度的强度控制元件(203)、被配置为具有预定偏振的偏振控制元件(205)以及被配置为具有与所述第一频率对应的频率的频率控制元件(207)。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二光源(107)包括被配置为具有预定强度的强度控制元件(204)、被配置为具有预定偏振的偏振控制元件(206)以及被配置为具有与所述第二频率对应的频率的频率控制元件(208)。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一光源(108)包括被配置为具有第一预定强度的强度控制元件(203)、被配置为具有第一预定偏振的偏振控制元件(205)以及被配置为具有与所述第一频率对应的频率的频率控制元件(207)；其中，所述第二光源(107)包括被配置为具有第二预定强度的强度控制元件(204)、被配置为具有第二预定偏振的偏振控制元件(206)以及被配置为具有与所述第二频率对应的频率的频率控制元件(208)；其中，所述第一预定强度与所述第二预定强度相同；并且其中，所述第一预定偏振与所述第二预定偏振相同。
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