CN105698871B - 基于光频域反射的分布式应变温度同时测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光频域反射的分布式应变温度测量系统，该系统包括可调谐激光器、1:99光分束器、主干涉仪系统、基于辅助干涉仪的光源相位监测系统和计算机处理单元；其中主干涉仪系统包括两个马赫曾德尔干涉仪，位于采用两种不同直径包层的两种光纤并列在一起为传感光纤，由于同直径包层的光纤温度、应变系数不同，利用矩阵运算可以得到在温度应变同时变化的温度和应变值，实现了消除光频域反射中温度应变传感交叉敏感的效果。

Description

基于光频域反射的分布式应变温度同时测量装置及方法
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感仪器技术领域，尤其涉及一种基于光频域反射的分布式应变温度同时测量装置及方法。
背景技术
高精度高空间分辨率的分布式应变传感广泛应用于民生、国防安全等多个领域中，如飞行器、航天器、船舶、国防装备、工业设备、桥梁涵洞等重点部位的结构健康监控，利用光频域反射中单模光纤瑞利散射光谱移动可实现高精度高空间分辨率的分布式温度应变传感。但在实际应用中温度、应变同时变化，其都会引起瑞利散射光谱移动，即交叉敏感问题。需要采用新的方法克服交叉敏感问题。
发明内容
基于上述现有技术和存在的问题，本发明提出了一种光频域反射中消除温度应变传感交叉敏感系统，基于光频域反射中单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变温度测量，采用两种不同直径包层的光纤并列在一起为传感光纤，由于同直径包层的光纤温度、应变系数不同，利用矩阵运算可以得到在温度应变同时变化的温度和应变值，实现了消除光频域反射中温度应变传感交叉敏感的效果。
本发明提出了一种基于光频域反射的分布式应变温度同时测量装置，该装置包括可调谐激光器、1:99光分束器、主干涉仪系统、基于辅助干涉仪的光源相位监测系统、采集装置和计算机处理单元；其中：
所述可调谐激光器，用于为测量装置提供光源，实现线性扫描；
所述1:99光分束器，将可调谐激光器的出射光由所述1:99光分束器的一端口进入，并以1:99的比例分别从所述1:99光分束器的另外两个端口分配到基于辅助干涉仪的光源相位监测系统和主干涉仪系统；
所述基于辅助干涉仪的光源相位监测系统，用于实时采集输出光的相位信息，其结构包括隔离器、50:50耦合器、第一、第二法拉第旋转镜、延迟光纤和探测器，其中：隔离器，用于防止来自50:50耦合器的反射光进入可调谐激光器；50:50耦合器，用于光干涉；光通过隔离器后进入50:50耦合器的端口二，从50:50耦合器的端口三、四出射，分别被基于辅助干涉仪的光源相位监测系统的两臂的第一、第二法拉第旋转镜反射，并返回到50:50耦合器的端口三、四，两束光在50:50耦合器中发生干涉，干涉光从50:50耦合器的端口一出射，出射光由探测器采集；
所述主干涉仪系统(33)，采用干涉原理测量两种传感光纤中背向瑞利散射，其结构包括两个马赫曾德尔干涉仪，分别用于测量一种传感光纤中背向瑞利散射，利用分束器分开，其中：每个马赫曾德尔干涉仪分别包括环行器、50:50分束器、50:50耦合器、偏振控制器、传感光纤和第一、第二偏振分束器以及第一、第二平衡探测器；所述采集装置将两个马赫曾德尔干涉仪中第一、第二平衡探测器、第一、第二偏振分束器输出模拟电信号转换数字信号传送到计算机处理单元；所述计算机处理单元，对采集的干涉信号进行数据处理，得到应变测量结果；其中，马赫曾德尔干涉仪的结构包括：光从50:50分束器的端口一进入，经过50:50分束器的端口二进入设置于参考臂的偏振控制器，经过50:50分束器的端口三进入设置于测试臂的环行器的端口一，从环行器的端口三进入作为待测光纤的传感光纤，而传感光纤的背向瑞利散射光从环行器的端口三进入，从环行器的端口二出射；参考臂上的参考光与测试臂上传感光纤的背向瑞利散射光通过50:50耦合器的端口一、二进入该耦合器进行合束，形成拍频干涉，并从50:50耦合器的端口三、四出射；出射光信号分别接入第一、第二偏振分束器的c端，第一、第二偏振分束器的s端接入第一平衡探测器，第一、第二偏振分束器的p端接入第二平衡探测器；
所述传感光纤采用两种不同包层直径的两种光纤构成，并且产生瑞利散射光谱频移，当实际测量中温度、应变同时变化时，温度变化ΔT和应变变化Δε，依据下面关系得到：
其中，传感光纤的温度传感系数KT1和KT2，应变传感系数KS1和KS2，第一、第二传感光纤的瑞利散射光谱频移分别为Δf1和Δf2。
本发明还提出了利用上述基于光频域反射的分布式应变温度同时测量装置的一种基于光频域反射的分布式应变温度同时测量方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、将可调谐激光器的出射光由所述1:99光分束器的一端口进入，并以1:99的比例分别从所述1:99光分束器的另外两个端口分配到基于辅助KS1KT2-KT1KS2≠0干涉仪的光相位监测系统和主干涉仪系统；
步骤2、利用基于辅助干涉仪的光源相位监测系统实时采集输出光相位信息；
步骤(3)、利用主干涉仪系统采用干涉原理测量两种传感光纤中背向瑞利散射，其中，作为待测光纤的传感光纤采用两种不同包层直径的光纤构成，主干涉仪系统测量到两种传感光纤中背向瑞利散射信号传送给计算机，利用计算机对其进行互相关数据处理，得到背向瑞利散射光谱频移。
利用计算机解调出的第一、第二传感光纤的瑞利散射光谱频移，分别在不同温度和应变下对两种不同包层直径的单模光纤进行标定，得到瑞利散射光谱频移在不同温度的标定曲线和瑞利散射光谱频移在不同应变的标定曲线；
利用瑞利散射光谱频移在不同温度的标定曲线得到两种光纤的温度传感系数KT1和KT2，利用瑞利散射光谱频移在不同应变的标定曲线得到应变传感系数KS1和KS2；
当实际测量中温度、应变同时变化时，利用基于光频域反射的分布式应变温度同时测量装置解调出传感光纤瑞利散射光谱频移为Δf1和Δf2，则对应的温度变化为ΔT，应变变化为Δε，利用下面关系得到：
步骤4、对采集的干涉信号进行数据处理，得到应变测量结果。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明提供的采用不同包层直径的光纤即标准光纤和细径光纤实现了温度应变参量的同时测量，构成所述传感光纤的两种光纤不限于标准光纤和细径光纤，凡满足两种光纤的温度传感系数KT1和KT2及应变传感系数KS1和KS2存在关系式：KS1KT2-KT1KS2≠0，即可实现温度变化和应变变化参量的同时测量。
附图说明
图1是一种基于光频域反射中光纤瑞利散射光谱移动应变温度同时传感系统的结构示意图；
附图标记如下：
1、可调谐激光器； 2、探测器；
3、第一50:50分束器； 4、1:99光分束器；
5、第二50:50耦合器； 6、时钟整形电路模块；
7、延迟光纤； 8、第一法拉第旋转镜；
9、第二法拉第旋转镜； 10、隔离器；
11、计算机； 12、偏振控制器；
13、第一环形器； 14、第三50:50耦合器；
15、第一传感光纤； 16、第一偏振分束器；
17、第二偏振分束器； 18、第一平衡探测器；
19、第二平衡探测器； 20、采集装置；
21、第一分束器 221、第一参考臂
231、第一测试臂 24、第二50:50分束器
25、第二环形器 222、第二参考臂
232、第二测试臂 26、偏振控制器；
27、第四50:50耦合器； 28、第三偏振分束器；
29、第四偏振分束器； 30、第三平衡探测器；
31、第四平衡探测器； 32、第二传感光纤
33、主干涉仪系统
34、基于辅助干涉仪的光源相位监测系统
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式，进一步详述本发明的技术方案。
如图1所示，本发明的光频域反射中消除温度应变传感交叉敏感系统包括：可调谐激光器1、1:99光分束器4、主干涉仪系统33、基于辅助干涉仪的光源相位监测系统34和计算机处理单元11；其中：
可调谐激光器1，用于为系统提供光源，光频能够实现线性扫描；1:99光分束器4：可调谐激光器1的出射光由所述1:99光分束器4的4a端口进入，并以1:99的比例分别从所述1:99光分束器4的4b端口和4c端口分配到基于辅助干涉仪的光相位监测系统34和主干涉仪系统33；
基于辅助干涉仪的光源相位监测系统34，用于采集实时的光源输出光相位信息，其结构包括隔离器10、第二50:50耦合器5、第一法拉第旋转镜8和第二法拉第旋转镜9、延迟光纤7和探测器2；
隔离器10，用于防止第二50:50耦合器5的5b端口的反射光进入可调谐激光器1；第二50:50耦合器5，用于光干涉；光从第二50:50耦合器5的5b端口进入，从第二50:50耦合器5的5c端口和5d端口出射，分别被基于辅助干涉仪的光源相位监测系统34的两臂的第一法拉第旋转镜8和第二法拉第旋转镜9反射，并返回到第二50:50耦合器5的5c端口和5d端口，两束光在50:50耦合器5中发生干涉，从第二50:50耦合器5的5a端口输出；
第一法拉第旋转镜8和第二法拉第旋转镜9基于辅助干涉仪的光源相位监测系统34提供反射，并且能够消除偏振衰落现象；
延迟光纤7，用于实现非等臂的拍频干涉；
探测器2，用于采集第二50:50耦合器5a端口的出射光；
主干涉仪系统33包括两个马赫曾德尔干涉仪，利用第一分束器21分开，其中一个即第一马赫曾德尔干涉仪为第一环行器13、第一50:50分束器3，第三50:50耦合器14、偏振控制器12、第一传感光纤15和第一、第二偏振分束器16和17以及第一、第二平衡探测器18和19；另一个即马赫曾德尔干涉仪包含第二环行器25、第二分束器24，第四50:50耦合器27、偏振控制器26、第二传感光纤32和第三、第四偏振分束器28和29以及第三、第四平衡探测器30和31；采集装置20将两个马赫曾德尔干涉仪中第一、第二平衡探测器18、19、第一、第二偏振分束器28和29输出模拟电信号转换数字信号传送到计算机处理单元11。
第一马赫曾德尔干涉仪中第一50:50分束器3作用是干涉仪分束，光从第一50:50分束器3的3a端口进入，经过第一50:50分束器3的3b端口进入干涉仪参考臂22的偏振控制器12，经过第一50:50分束器3的3c端口进入干涉仪测试臂23的第一环行器13的13a端口；
马赫曾德尔干涉仪参考臂22上的偏振控制器12，用于调节参考光偏振态，使其在偏振分束时两个正交方向上光强一致；
马赫曾德尔干涉仪测试臂23上的第一环行器13：光从第一环行器13的13a端口进入，从第一环行器13的13c端口进入待测光纤15，而待测光纤15的背向瑞利散射光从第一环行器13的13c端口进入，从第一环行器13的13b端口输出；
第三50:50耦合器14，用于将参考臂上的参考光与测试臂上传感光纤15的背向瑞利散射光通过第三50:50耦合器14的14a端口和14b端口进入该耦合器进行合束，形成拍频干涉并从该第三50:50耦合器14的14c端口和14d端口输出；第三50:50耦合器14的14c端口和14d端口输出光信号分别接入第一、第二偏振分束器16和17的c端，第一、第二偏振分束器16和17的s端接入第一平衡探测器18，第一、第二偏振分束器16和17的p端接入第二平衡探测器19。
其中第二马赫曾德尔干涉仪中第二环行器25、第二分束器24，第四50:50耦合器27、偏振控制器26、第二传感光纤32和第三、第四偏振分束器28和29以及第三、第四平衡探测器30和31连接方式与第一马赫曾德尔干涉仪一样。
所述第一至第四偏振分束器16、17、28、29将光信号中偏振正交两路偏振光分开，分别以s端和p端输出。所述第一至第四平衡探测器18、19、30、31和探测器2将光信号转换为电信号；
采集装置20将第三、第四平衡探测器30、31和探测器2输出的模拟电信号采集到计算机处理单元11；其中，计算机处理单元11对采集装置20采集的干涉信号进行数据处理。
第一传感光纤15和第二传感光纤32采用两种不同包层直径的单模光纤作为光纤如一种采用标准光纤、一种采用细径光纤，第一传感光纤15和第二传感光纤32粘贴在待测物体时，应保证两种光纤紧靠。
本发明同时公布一种光频域反射中消除温度应变传感交叉敏感方法，该方法的步骤是：
1)、利用光频域反射系统解调出传感光纤15和32瑞利散射光谱频移，分别在不同温度和应变下对两种不同包层直径的单模光纤进行标定，即得到瑞利散射光谱频移在不同温度的标定曲线和瑞利散射光谱频移在不同应变的标定曲线；
2)、利用瑞利散射光谱频移在不同温度的标定曲线得到两种光纤的温度传感系数KT1和KT2，利用瑞利散射光谱频移在不同应变的标定曲线得到应变传感系数KS1和KS2；
3)、当实际测量中温度、应变同时变化时，利用光频域反射系统解调出两种光纤即第一、第二传感光纤15和32瑞利散射光谱频移为Δf1和Δf2，则对应的温度变化为ΔT，应变变化为Δε，利用下面关系得到：
采用不同包层直径的光纤即标准光纤和细径光纤实现，但本方法不限于只使用标准光纤和细径光纤实现，只要采用两种光纤的温度传感系数KT1和KT2及应变传感系数KS1和KS2存在KS1KT2-KT1KS2≠0，即可实现温度应变参量的同时测量。本方法采用采用标准通讯光纤(包层直径为125微米，加涂覆层为250微米)和细径单模光纤(包层直径为80微米，加涂覆层为160微米)作为传感光纤。
本发明验证实验为采用同包层直径的光纤即标准光纤和细径光纤实现温度和应变同时变化时，利用本发明中提出系统和方法解调出温度变化值ΔT和应变变化值Δε。根据前期测量细径光纤温度传感系数KT1＝3.4747GHz/℃，标准光纤温度传感系数KT2＝2.1385GHz/℃。细径光纤应变传感系数KS1＝0.1483GHz/με，标准光纤应变传感系数KS2＝0.0348GHz/με。将标准光纤和细径光纤同时粘贴在悬臂梁上，利用加热带对悬臂梁上的粘贴进行加热。由于悬臂梁上真实的应变变化值可以从施加在悬臂梁上砝码得到，而加热带上真实的温度变化值由贴在加热带上铂电阻温度传感器得到。利用本发明中提出系统和方法解调出温度变化值ΔT和应变变化值Δε与真实温度变化值与真实应变变化值进行比对，来验证本方法有效性见表1和表2。
表1、测量温度变化与真实温度变化对比
真实温度变化/℃ 测量温度变化/℃ 误差(测量值-真实值)/℃
0 0 0
1 0.81 -0.19
1.98 1.71 -0.27
3.02 3.15 0.13
4.04 4.16 0.12
5.03 5.18 0.15
6.05 5.87 -0.18
7.02 6.98 -0.04
8.08 8.10 0.02
9.06 8.89 -0.17
11.02 10.45 -0.57
表2、测量应变变化与真实温度变化对比
真实应变变化/με 测量应变变化/με 误差(测量值-真实值)/με
0 0 0
15 22.33 7.33
30 38.61 8.61
45 46.18 1.18
60 63.60 3.60
75 81.01 6.01
90 102.20 12.20
105 113.56 8.56
120 124.92 4.92
135 140.06 5.06
150 155.96 5.96
从表1和表2可以看到，温度变化的测量误差最大为0.57℃，应变变化测量误差为12.2με。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于光频域反射的分布式应变温度同时测量装置，其特征在于，该装置包括可调谐激光器、1:99光分束器、主干涉仪系统、基于辅助干涉仪的光源相位监测系统、采集装置和计算机处理单元；其中：
所述可调谐激光器，用于为测量装置提供光源，实现线性扫描；
所述1:99光分束器，将可调谐激光器的出射光由所述1:99光分束器的一端口进入，并以1:99的比例分别从所述1:99光分束器的另外两个端口分配到基于辅助干涉仪的光源相位监测系统和主干涉仪系统；
所述基于辅助干涉仪的光源相位监测系统，用于实时采集输出光的相位信息，其结构包括隔离器、50:50耦合器、第一、第二法拉第旋转镜、延迟光纤和探测器，其中：隔离器，用于防止来自50:50耦合器的反射光进入可调谐激光器；50:50耦合器，用于光干涉；光通过隔离器后进入50:50耦合器的端口二，从50:50耦合器的端口三、四出射，分别被基于辅助干涉仪的光源相位监测系统的两臂的第一、第二法拉第旋转镜反射，并返回到50:50耦合器的端口三、四，两束光在50:50耦合器中发生干涉，干涉光从50:50耦合器的端口一出射，出射光由探测器采集；
所述主干涉仪系统(33)，采用干涉原理测量两种传感光纤中背向瑞利散射，其结构包括两个马赫曾德尔干涉仪分别用于测量一种传感光纤中背向瑞利散射，利用分束器分开，其中：每个马赫曾德尔干涉仪分别包括环行器、50:50分束器、50:50耦合器、偏振控制器、传感光纤和第一、第二偏振分束器以及第一、第二平衡探测器；所述采集装置将两个马赫曾德尔干涉仪中第一、第二平衡探测器、第一、第二偏振分束器输出模拟电信号转换数字信号传送到计算机处理单元；所述计算机处理单元，对采集的干涉信号进行数据处理，得到应变测量结果；其中，马赫曾德尔干涉仪的结构包括：光从50:50分束器的端口一进入，经过50:50分束器的端口二进入设置于参考臂的偏振控制器，经过50:50分束器的端口三进入设置于测试臂的环行器的端口一，从环行器的端口三进入作为待测光纤的传感光纤，而传感光纤的背向瑞利散射光从环行器的端口三进入，从环行器的端口二出射；参考臂上的参考光与测试臂上传感光纤的背向瑞利散射光通过50:50耦合器的端口一、二进入该耦合器进行合束，形成拍频干涉，并从50:50耦合器的端口三、四出射；出射光信号分别接入第一、第二偏振分束器的c端，第一、第二偏振分束器的s端接入第一平衡探测器，第一、第二偏振分束器的p端接入第二平衡探测器；
所述传感光纤采用两种不同包层直径的两种光纤构成，并且产生瑞利散射光谱频移，当实际测量中温度、应变同时变化时，温度变化ΔT和应变变化Δε，依据下面关系得到：
其中，传感光纤的温度传感系数KT1和KT2，应变传感系数KS1和KS2，第一、第二传感光纤的瑞利散射光谱频移分别为Δf1和Δf2。
2.如权利要求1所述的基于光频域反射的分布式应变温度同时测量装置，其特征在于，构成所述传感光纤的两种光纤不限于标准光纤和细径光纤，凡满足两种光纤的温度传感系数KT1和KT2及应变传感系数KS1和KS2存在关系式：KS1KT2-KT1KS2≠0，即可实现温度变化和应变变化参量的同时测量。
3.利用权利要求1所述的基于光频域反射的分布式应变温度同时测量装置的一种基于光频域反射的分布式应变温度同时测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤(1)、将可调谐激光器的出射光由所述1:99光分束器的一端口进入，并以1:99的比例分别从所述1:99光分束器的另外两个端口分配到基于辅助干涉仪的光源相位监测系统和主干涉仪系统；
步骤(2)、利用基于辅助干涉仪的光源相位监测系统实时采集输出光相位信息；
步骤(3)、利用主干涉仪系统采用干涉原理测量两种传感光纤中背向瑞利散射，其中，作为待测光纤的传感光纤采用两种不同包层直径的光纤构成，主干涉仪系统测量到两种传感光纤中背向瑞利散射信号传送给计算机，利用计算机对其进行互相关数据处理，得到背向瑞利散射光谱频移，
利用计算机解调出的第一、第二传感光纤的瑞利散射光谱频移，分别在不同温度和应变下对两种不同包层直径的单模光纤进行标定，得到瑞利散射光谱频移在不同温度的标定曲线和瑞利散射光谱频移在不同应变的标定曲线；
利用瑞利散射光谱频移在不同温度的标定曲线得到两种光纤的温度传感系数KT1和KT2，利用瑞利散射光谱频移在不同应变的标定曲线得到应变传感系数KS1和KS2；
当实际测量中温度、应变同时变化时，利用所述基于光频域反射的分布式应变温度同时测量装置解调出传感光纤瑞利散射光谱频移为Δf1和Δf2，则对应的温度变化为ΔT，应变变化为Δε，利用下面关系得到：
步骤(4)、对采集的干涉信号进行数据处理，得到应变测量结果。
4.如权利要求3所述的基于光频域反射的分布式应变温度同时测量方法，其特征在于，构成所述传感光纤的两种光纤不限于标准光纤和细径光纤，凡满足两种光纤的温度传感系数KT1和KT2及应变传感系数KS1和KS2存在关系式：KS1KT2-KT1KS2≠0，即可实现温度变化和应变变化参量的同时测量。
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