CN105783763A - 一种高精度动态光纤应变传感装置及其传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种高精度动态光纤应变传感装置，装置的激光器经环形器连接耦合器，所述耦合器的其中一个分光口经传感光纤与该耦合器的另一个入射口相连，所述耦合器的另一个分光口连接参考光纤，所述参考光纤末端安装法拉第旋镜，所述环形器的返回端连接数据采集模块，所述数据采集模块与计算机相连，所述激光器和数据采集模块与同步触发模块连接。本发明高精度动态光纤应变传感装置结构简单，解调简单，受环境影响小，可以稳定的工作，具有很高的精度，并且可以动态的实现应变传感。

Description

一种高精度动态光纤应变传感装置及其传感方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及应变传感领域。

背景技术

光纤传感由于具有灵敏度高、响应速度快、终端结构简单、抗电磁干扰强等优点，已经被广泛应用在周界安防和建筑健康监测等领域。其中，干涉型光纤传感技术具有很高的灵敏度，近几年，基于干涉原理的光纤应变传感系统吸引了很多学者的研究。现有的光纤应变传感技术存在计算量大，精度不高，以及易受环境影响而无法稳定工作的不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种结构简单的高精度动态光纤应变传感装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种高精度动态光纤应变传感装置，装置的激光器经环形器连接耦合器，所述耦合器的其中一个分光口经传感光纤与该耦合器的另一个入射口相连，所述耦合器的另一个分光口连接参考光纤，所述参考光纤末端安装法拉第旋镜，所述环形器的返回端连接数据采集模块，所述激光器和数据采集模块与同步触发模块连接。

所述数据采集模块连接计算机。

所述激光器为窄线宽波长可调稳频激光器。

所述耦合器为2×2的3dB耦合器。

所述传感光纤和参考光纤长度不相等。

基于所述高精度动态光纤应变传感装置的传感方法：

1)激光器输出扫频激光；

2)激光器输出激光的同时，同步触发模块驱动数据采集模块采集环形器输出的每一个频率的激光产生的干涉信号；

3)在一个扫频周期内采集到的干涉信号记为一组；

4)通过对不同时刻的两组干涉信号做互相关运算，找出互相关系数最大时对应的频率差；

5)获得传感光纤探测到的应变。

激光器1的第i个扫频周期的扫频激光产生的干涉信号记为一组I_i(ν)；

同步触发模块触发激光器输出第i+1个扫频周期的扫频激光产生的干涉信号记为一组I_i+1(ν)；

计算I_i(ν)和I_i+1(ν)的互相关系数：

R(Δν_i+1)＝corrcoef(I_i(v+Δν_i+1),I_i+1(v))

corrceof(*,*)表示互相关系数运算，Δν_i+1＝-v,-v+1,...,v，找出R(Δν_i+1)最大时对应的Δν_i+1记为Δν'_i+1，按下式计算探测的应变：

$\frac{L_{\mathrm{\ϵ},i+1}}{L}=(\frac{\mathrm{\Δ}L\·{{\mathrm{\Δv}}^{\′}}_i}{v\·\mathrm{\ξ}}+\frac{\mathrm{\Δ}L\·{{\mathrm{\Δv}}^{\′}}_{i+1}}{v\·\mathrm{\ξ}})/L$

其中L_ε,i+1是第i+1次探测到的光纤形变，L是用于探测应变的传感光纤的长度，ΔL是传感光纤和参考光纤的长度差，v是激光器发出的激光的频率，ξ是光纤的应变光学校正系数。

本发明高精度动态光纤应变传感装置结构简单，解调简单，受环境影响小，可以稳定的工作，具有很高的精度，并且可以动态的实现应变传感。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为高精度动态光纤应变传感装置结构示意图；

上述图中的标记均为：1、激光器；2、环形器；3、耦合器；4、参考光纤；5、法拉第旋镜；6、传感光纤；7光隔离器；8、同步触发模块；9、数据采集模块；10、计算机。

具体实施方式

如图1所示，高精度动态光纤应变传感装置包括激光器1、环形器2、耦合器3、参考光纤4、法拉第旋镜5、传感光纤6、光隔离器7、同步触发模块8、数据采集模块9和计算机10。激光器1为窄线宽波长可调稳频激光器，耦合器3为2×2的3dB耦合器，传感光纤6和参考光纤4长度不相等，二者长度之差依据实际应用而定(如4米)。

激光器1经环形器2连接耦合器3，耦合器3的其中一个分光口经传感光纤6与另一个入射口相连，传感光纤6上安装有光隔离器7，耦合器3的另一个分光口连接参考光纤4，参考光纤4末端安装法拉第旋镜5，环形器2的返回端连接数据采集模块9，数据采集模块9连接计算机10，同步触发模块8连接波长可调激光器1和数据采集模块9。

激光器1输出扫频激光，同步触发模块8同时驱动数据采集模块9采集环形器2输出的每一个频率的激光产生的干涉信号，在一个扫频周期内采集到的干涉信号记为一组，计算机10通过对不同时刻的两组干涉信号做互相关运算，找出互相关系数最大时对应的频率差，进而解调出传感光纤6探测到的应变

具体来说：

开启同步触发模块8，触发波长可调激光器1输出扫频激光，同时触发数据采集模块9采集环形器2输出的每一个频率的激光产生的干涉信号，激光器1的第i个扫频周期的扫频激光产生的干涉信号记为一组I_i(ν)，然后同步触发模块8触发激光器1输出第i+1个周期的扫频激光，按照上述方法采集另一组干涉信号记为I_i+1(ν)，按下式计算I_i(ν)和I_i+1(ν)的互相关系数：

R(Δν_i+1)＝corrcoef(I_i(v+Δν_i+1),I_i+1(v))

corrceof(*,*)表示互相关系数运算，Δν_i+1＝-v,-v+1,...,v，找出R(Δν_i+1)最大时对应的Δν_i+1记为Δν'_i+1，按下式计算探测的应变：

$\frac{L_{\mathrm{\ϵ},i+1}}{L}=(\frac{\mathrm{\Δ}L\·{{\mathrm{\Δv}}^{\′}}_i}{v\·\mathrm{\ξ}}+\frac{\mathrm{\Δ}L\·{{\mathrm{\Δv}}^{\′}}_{i+1}}{v\·\mathrm{\ξ}})/L$

其中L_ε,i+1是第i+1次探测到的光纤形变，L是用于探测应变的传感光纤6的长度，ΔL是传感光纤6和参考光纤4的长度差，v是激光器1发出的激光的频率，ξ是传感光纤6的应变光学校正系数。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高精度动态光纤应变传感装置，其特征在于：装置的激光器经环形器连接耦合器，所述耦合器的其中一个分光口经传感光纤与该耦合器的另一个入射口相连，所述耦合器的另一个分光口连接参考光纤，所述参考光纤末端安装法拉第旋镜，所述环形器的返回端连接数据采集模块，所述激光器和数据采集模块与同步触发模块连接。

2.根据权利要求1所述的高精度动态光纤应变传感装置，其特征在于：所述数据采集模块连接计算机。

3.根据权利要求1所述的高精度动态光纤应变传感装置，其特征在于：所述激光器为窄线宽波长可调稳频激光器。

4.根据权利要求1所述的高精度动态光纤应变传感装置，其特征在于：所述耦合器为2×2的3dB耦合器。

5.根据权利要求1所述的高精度动态光纤应变传感装置，其特征在于：所述传感光纤和参考光纤长度不相等。

6.基于权利要求1-5中任一项所述高精度动态光纤应变传感装置的传感方法，其特征在于：

1)激光器输出扫频激光；

2)激光器输出激光的同时，同步触发模块驱动数据采集模块采集环形器输出的每一个频率的激光产生的干涉信号；

3)在一个扫频周期内采集到的干涉信号记为一组；

4)通过对不同时刻的两组干涉信号做互相关运算，找出互相关系数最大时对应的频率差；

5)获得传感光纤探测到的应变。

7.根据权利要求6所述的传感方法，其特征在于：

激光器1的第i个扫频周期的扫频激光产生的干涉信号记为一组I_i(ν)；

同步触发模块触发激光器输出第i+1个周期的扫频激光，光产生的干涉信号记为一组I_i+1(ν)；

计算I_i(ν)和I_i+1(ν)的互相关系数：

R(Δν_i+1)＝corrcoef(I_i(v+Δν_i+1),I_i+1(v))

corrceof(*,*)表示互相关系数运算，Δν_i+1＝-v,-v+1,...,v，找出R(Δν_i+1)最大时对应的Δν_i+1记为Δν'_i+1，按下式计算探测的应变：

$\frac{L_{\mathrm{\ϵ},i+1}}{L}=(\frac{\mathrm{\Δ}L\·{{\mathrm{\Δv}}^{\′}}_i}{v\·\mathrm{\ξ}}+\frac{\mathrm{\Δ}L\·{{\mathrm{\Δv}}^{\′}}_{i+1}}{v\·\mathrm{\ξ}})/L$

其中L_ε,i+1是第i+1次探测到的光纤形变，L是用于探测应变的传感光纤的长度，ΔL是传感光纤和参考光纤的长度差，v是激光器发出的激光的频率，ξ是光纤的应变光学校正系数。