CN105783999A - 一种光频域反射中参考光纤消除温度应变交叉敏感方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光频域反射中参考光纤消除温度应变交叉敏感方法，本发明通过采用一根传感光纤取一段传感温度及应变，即作为温度应变传感光纤；相邻一段传感光纤不用胶与待测物体紧贴，其只传感温度，即作为参考光纤，温度应变传感光纤与参考光纤相结合作为一段完整的传感光纤；对温度应变传感光纤与参考光纤分别产生的互相关峰的移动量进行相减运算，即可以得到温度应变同时变化时的应变值，实现了对温度应变参量的同时测量，克服了现有温度应变传感中的交叉敏感问题，满足了实际应用中的多种需要。

Description

一种光频域反射中参考光纤消除温度应变交叉敏感方法
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感仪器技术领域，尤其涉及一种光频域反射中参考光纤消除温度应变交叉敏感方法。
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，例如：对飞行器、航天器、船舶、国防装备、工业设备、以及桥梁涵洞等重点部位的结构质量进行监控，利用光频域反射中单模光纤瑞利散射光谱的移动可实现高精度高空间分辨率的分布式温度应变传感。
发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：
在实际应用中温度、应变同时变化，都会引起瑞利散射光谱的移动，即交叉敏感问题。故需要采用新的方法克服交叉敏感问题，满足实际应用中的需要。
发明内容
本发明提供了一种光频域反射中参考光纤消除温度应变交叉敏感方法，本发明采用参考光纤对温度与应变进行区分，克服了现有温度应变传感中的交叉敏感问题，实现了对温度应变参量的同时测量，详见下文描述：
一种光频域反射中参考光纤消除温度应变交叉敏感方法，所述应变交叉敏感方法利用一根传感光纤同时测量温度应变与单一温度，所述应变交叉敏感方法包括以下步骤：
(1)在传感光纤中由温度应变传感段经背向瑞利散射形成拍频干涉信号，对拍频干涉信号进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到传感光纤中各个位置的距离域信息；通过移动窗依次选取传感光纤中的各个位置；
其中，所述传感光纤包括：采用传感光纤的一段传感温度及应变，作为温度应变传感光纤；相邻一段光纤不用胶与待测物体紧贴，只传感温度，作为参考光纤；
(2)对上述所述温度应变传感光纤与所述参考光纤，均进行两次步骤(1)中的操作，一次为被测段无温度与应变变化作为参考信号，另一次为施加温度与应变作为测量信号；
(3)参考信号和测量信号都利用移动窗选取温度应变传感光纤与参考光纤的距离域信息，分别对所述距离域信息利用复数傅里叶反变换再转换到光频域，分别得到参考信号和测量信号的本地光频域信息；
(4)分别对所述参考信号和测量信号的本地光频域信息进行互相关运算，对于所述温度应变传感光纤，互相关峰的移动量反映温度与应变对背向瑞利散射的双重作用量；对于所述参考光纤，互相关峰的移动量仅反映温度变化量；
(5)对两个互相关峰的移动量进行减运算，即可得出温度应变同时变化时的应变值。
其中，所述温度应变传感光纤、与所述参考光纤相邻。
本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明通过采用一根传感光纤取一段传感温度及应变，即作为温度应变传感光纤；相邻一段传感光纤不用胶与待测物体紧贴，其只传感温度，即作为参考光纤，温度应变传感光纤与参考光纤相结合作为一段完整的传感光纤；对温度应变传感光纤与参考光纤分别产生的互相关峰的移动量进行相减运算，即可以得到温度应变同时变化时的应变值，实现了对温度应变参量的同时测量，克服了现有温度应变传感中的交叉敏感问题，满足了实际应用中的多种需要。
附图说明
图1是一种光频域反射中参考光纤消除温度应变交叉敏感方法的流程图；
图2是一种基于光频域反射中利用参考光纤实现温度应变传感装置的示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：可调谐激光器；4：1:99光分束器；
11：计算机；21：调谐信号控制模块；
24：基于辅助干涉仪的时钟触发系统；25：主干涉仪；
2：探测器；5：第一50:50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；3：50:50分束器；
12：偏振控制器；13：环形器；
14：第二50:50耦合器；15：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：通用接口总线(GPIB)控制模块；
22：参考臂；23：测试臂；
26：温度应变传感光纤；27：参考光纤；
28：待测物体。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
一种光频域反射中参考光纤消除温度应变交叉敏感方法，参见图1，该应变交叉敏感方法具体包括以下步骤：
101：在传感光纤中由温度应变传感段经背向瑞利散射形成拍频干涉信号，对拍频干涉信号进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到传感光纤中各个位置的距离域信息；通过移动窗依次选取传感光纤中的各个位置；
其中，传感光纤包括：温度应变传感光纤和参考光纤，采用一根传感光纤取一段传感温度及应变，即作为温度应变传感光纤；相邻一段光纤不用胶与待测物体紧贴，其只传感温度，即作为参考光纤，温度应变传感光纤与参考光纤相结合作为一段完整的传感光纤。
102：对传感光纤中的温度应变传感光纤与参考光纤，均进行两次上述操作，一次为被测段无温度与应变变化作为参考信号，另一次为施加温度与应变作为测量信号；
103：参考信号和测量信号都利用移动窗选取温度应变传感光纤与参考光纤的距离域信息，分别对距离域信息利用复数傅里叶反变换再转换到光频域，分别得到参考信号和测量信号的本地光频域信息；
104：分别对参考信号和测量信号的本地光频域信息进行互相关运算，对于温度应变传感段，互相关峰的移动量反映温度与应变对背向瑞利散射的双重作用量；对于参考光纤，互相关峰的移动量仅反映温度变化量；
105：对两个互相关峰的移动量进行减运算，即可得出温度应变同时变化时的应变值。
综上所述，本发明实施例通过采用一根光纤取一段传感温度及应变，即作为温度应变传感光纤；相邻一段只传感温度，即作为参考光纤，将温度应变传感光纤与参考光纤相结合作为一段完整的传感光纤；对温度应变传感光纤与参考光纤分别产生的互相关峰的移动量进行相减运算，即可以得到温度应变同时变化时的应变值，本方法克服了现有温度应变传感中的交叉敏感问题。
下面结合具体的应变传感装置对上述的方案进行详细的描述，详见下文描述：
其中，本发明实施例中应用到的应变传感装置，如图2所示。该应变传感装置包括：可调谐激光器1、1:99光分束器4、计算机11、GPIB控制模块21、基于辅助干涉仪的时钟触发系统24、主干涉仪25。
基于辅助干涉仪的时钟触发系统24包括：探测器2、第一50:50耦合器5、时钟倍频电路模块6、延迟光纤7、第一法拉第旋转镜8、第二法拉第旋转镜9和隔离器10。基于辅助干涉仪的时钟触发系统24用于实现等光频间距采样，其目的是抑制光源的非线性扫描。
主干涉仪25包括：50:50分束器3、偏振控制器12、环形器13、第二50:50耦合器14、传感光纤15、第一偏振分束器16、第二偏振分束器17、第一平衡探测器18、第二平衡探测器19、采集装置20、参考臂22和测试臂23。主干涉仪25是光频域反射仪的核心，其为改进型马赫泽德干涉仪。
GPIB控制模块21输入端与计算机11相连；GPIB控制模块21输出端与可调谐激光器1相连；可调谐激光器1与1:99光分束器4的a端口相连；1:99光分束器4的b端口与隔离器10的一端相连；1:99光分束器4的c端口与50:50分束器3的a端口相连；隔离器10的另一端与相连第一50:50耦合器5的b端口相连；第一50:50耦合器5的a端口与探测器2的一端相连；第一50:50耦合器5的c端口与第一法拉第旋转镜8相连；第一50:50耦合器5的d端口通过延迟光纤7与第二法拉第旋转镜9相连；探测器2的另一端与时钟倍频电路模块6的输入端相连；时钟整形电路模块6的输出端与采集装置20的输入端相连；50:50分束器3的b端口通过参考臂22与偏振控制器12的输入端相连；50:50分束器3的c端口通过测试臂23与环形器13的a端口相连；偏振控制器12的输出端与第二50:50耦合器14的a端口相连；环形器13的b端口与第二50:50耦合器14的b端口相连；环形器13的c端口与传感光纤15相连；第二50:50耦合器14的c端口与第一偏振分束器16的输入端相连；第二50:50耦合器14的d端口与第二偏振分束器17的输入端相连；第一偏振分束器16的输出端分别与第一平衡探测器18的输入端、第二平衡探测器19的输入端相连；第二偏振分束器17的输出端分别与第一平衡探测器18的输入端、第二平衡探测器19的输入端相连；第一平衡探测器18的输出端与采集装置20的输入端相连；第二平衡探测器19的输出端与采集装置20的输入端相连；采集装置20的输出端与计算机11相连。
装置工作时，计算机11通过GPIB控制模块21控制可调谐激光器1控制调谐速度、中心波长、调谐启动等；可调谐激光器1的出射光由1:99光分束器4的a端口进入，并以1:99的比例从1:99光分束器4的b端口经过隔离器10进入第一50:50耦合器5的b端口，光从第一50:50耦合器5的b端口进入，从第一50:50耦合器5的c和d端口出射，分别被两臂的第一法拉第旋转镜8和第二法拉第旋转镜9反射，返回到第一50:50耦合器5的c、d端口，两束光在第一50:50耦合器5中发生干涉，从第一50:50耦合器5的a端口输出；第一50：50耦合5器从a端口的出射光进入探测器2，探测器2将探测到的光信号转换为干涉拍频信号传输至时钟整形模块6，时钟整形模块6干涉拍频信号整形为方波，整形后的信号传输至采集装置20，作为采集装置20的外部时钟信号。
可调谐激光器1的出射光由1:99光分束器4的a端口进入，从1:99光分束器4的c端口进入50:50分束器3的a端口；经过50：50分束器3从b端口进入参考臂22中的偏振控制器12，从c端口进入测试臂23上的环行器13的a端口；光从环行器13的a端口进入，从环行器13的c端口进入传感光纤15，而测量与参考光纤的背向散射光从环行器13端口c端口进入，从环行器13端口b端口输出；参考臂22中的偏振控制器12输出的参考光通过第二50:50耦合器14的a端口与环行器13上的背向散射光通过第二50:50耦合器14的b端口进形合束，形成拍频干涉并从第二50:50耦合器14的c端口和d端口输出至第一偏振分束器16和第一偏振分束器17，第一偏振分束器16和第一偏振分束器17通过第一平衡探测器18和第二平衡探测器19对应采集两个偏振分束器输出的正交方向的信号光，第一平衡探测器18和第二平衡探测器19将输出的模拟电信号传输至采集装置20，采集装置20在时钟整形模块6形成的外部时钟信号作用下将采集到的模拟电信号传输至计算机11。
GPIB控制模块21用于计算机11通过其控制可调谐激光器1。
可调谐激光器1用于为光频域反射系统提供光源，，其光频能够进行线性扫描。
隔离器10防止辅助干涉仪中第一50:50耦合器5的b端口的反射光进入激光器。
第一50:50耦合器5用于光干涉。
延迟光纤7用于实现非等臂的拍频干涉，能够根据拍频和延迟光纤长度得到光频。
第一法拉第旋转镜8和第二法拉第旋转镜9用于为干涉仪提供反射，且能够消除干涉仪的偏振衰落现象。
偏振控制器12作用是调节参考光偏振态，使其在偏振分束时两个正交方向上光强基本一致。
第二50:50耦合器14完成对信号进行偏振分束，消除偏振衰落噪声的影响。
计算机11：对采集装置20采集的干涉信号进行数据处理，实现基于光纤瑞利散射光谱移动量的分布式温度应变传感。
其中，本发明实施例中应用到的传感光纤15包括：温度应变传感光纤26、参考光纤27、待测物体28。
综上所述，本发明实施例将一根光纤分为两段，其中粘贴于待测物体28表面的一段既传感温度又传感应变的光纤作为温度应变传感光纤26，而另一段仅感应温度的光纤作为参考光纤27。参考光纤27对应的互相关峰的移动量即对应温度变化量，对温度应变传感光纤26与参考光纤27分别产生的互相关峰的移动量进行相减运算，即可以得到温度应变同时变化时的应变值，本方法克服了现有温度应变传感中的交叉敏感问题。
下面结合具体的实验数据对上述的方案进行可行性验证，详见下文描述：
本发明验证实验为采用同一传感光纤15，分别测量温度应变传感光纤段(即温度应变传感光纤26)和参考光纤段(即参考光纤27)，实现温度和应变同时变化时，利用本方法解调出温度变化值ΔT和应变变化值Δε。
根据前期测量同一传感光纤15的温度传感系数KT＝1.682GHz/℃。将传感光纤15粘贴在悬臂梁上，利用加热带对悬臂梁上粘贴的传感光纤15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的砝码得到，而加热带上真实的温度变化值由粘贴在加热带上的铂电阻温度传感器得到。利用本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，来验证本方法的有效性，实验数据见表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
0.99 0.99 0
2.03 2.31 -0.28
3.04 3.30 -0.26
3.99 4.29 -0.30
5.03 5.28 -0.25
6.02 6.27 -0.26
7.00 6.94 0.06
8.02 8.59 -0.57
9.03 9.58 -0.55
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 18.98 -3.98
30 9.61 20.39
45 20.59 24.41
60 39.57 20.43
75 74.57 0.43
90 93.55 -3.55
105 141.90 -35.90
120 111.17 8.83
135 130.15 4.85
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35.90με，验证了本方法的可行性。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
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 (2)

1.一种光频域反射中参考光纤消除温度应变交叉敏感方法，所述应变交叉敏感方法利用一根传感光纤同时测量温度应变与单一温度，其特征在于，所述应变交叉敏感方法包括以下步骤：
(1)在传感光纤中由温度应变传感段经背向瑞利散射形成拍频干涉信号，对拍频干涉信号进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到传感光纤中各个位置的距离域信息；通过移动窗依次选取传感光纤中的各个位置；
其中，所述传感光纤包括：采用传感光纤的一段传感温度及应变，作为温度应变传感光纤；相邻一段光纤不用胶与待测物体紧贴，只传感温度，作为参考光纤；
(2)对上述所述温度应变传感光纤与所述参考光纤，均进行两次步骤(1)中的操作，一次为被测段无温度与应变变化作为参考信号，另一次为施加温度与应变作为测量信号；
(3)参考信号和测量信号都利用移动窗选取温度应变传感光纤与参考光纤的距离域信息，分别对所述距离域信息利用复数傅里叶反变换再转换到光频域，分别得到参考信号和测量信号的本地光频域信息；
(4)分别对所述参考信号和测量信号的本地光频域信息进行互相关运算，对于所述温度应变传感光纤，互相关峰的移动量反映温度与应变对背向瑞利散射的双重作用量；对于所述参考光纤，互相关峰的移动量仅反映温度变化量；
(5)对两个互相关峰的移动量进行减运算，即可得出温度应变同时变化时的应变值。
2.根据权利要求1所述的一种光频域反射中参考光纤消除温度应变交叉敏感方法，其特征在于，所述温度应变传感光纤、与所述参考光纤相邻。
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