CN106092394A - 基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统及方法,所述系统包括输出黑体辐射光的黑体辐射光源，对黑体辐射光进行干涉的光纤法珀传感器，对干涉光进行解调的光谱分析装置；所述方法包括靠近被测对象设置黑体辐射光源，通过黑体辐射光源向贴附固定在被测对象上的光纤法珀传感器输出黑体辐射光，光纤法珀传感器将黑体辐射光调制成黑体辐射光干涉光，并输出给光谱分析装置，光谱分析装置对黑体辐射干涉光进行解调，测出被测对象应变值。本发明在无外接光源条件下用于高温应变测量，且能获得更精准的高温应变测量结果。

Description

基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统及方法

技术领域

本发明涉及应变测量和温度测量技术领域，具体涉及一种基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统及方法。

背景技术

应变，是指材料在外力和非均匀温度场等因素作用下，产生变形的程度。高温应变测量，是指对工作温度高于500℃的被测对象进行的应变测量，如对工作状态下的飞机发动机、核动力发动机、超临界发电机进行的应变测量。

基于电阻应变片的应变电测系统，在高于500℃的温度环境下，受电磁辐射干扰后，电阻应变片的测试稳定性较差，存活率也较低，且电阻应变片的电阻值受温度影响较大。

基于光纤法珀传感器的应变光测系统，采用宽带光源产生入射光，以光纤作为入射光传输介质，以光纤法布里-珀罗传感器(Optical Fiber Fabry-Perot Sensor，简称光纤法珀传感器)对入射光进行多次反射，将入射光调制成多光束干涉光，并输出给光谱仪解调，光谱仪解调干涉光，测出珐珀腔腔长，基于珐珀腔腔长变化，测出被测对象的应变值

在光纤测量技术领域，宽带光源是光纤测量系统的必须组件。在其他条件相同的情况下，宽带光源产生的宽带入射光，光谱范围越宽，光纤测量系统的测量精度更高，测量结果更准确。

因此，对基于光纤法珀传感器的应变光测系统进行入射光供给改进，是光纤测量技术领域期望解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能用于高温应变测量的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统及方法，以便于获得更准确的高温应变测量结果。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统，包括：

黑体辐射光源，包括黑体发光装置，和将黑体发光装置产生的黑体辐射光输出的辐射光输出光纤，辐射光输出光纤为耐高温光纤；

光纤法珀传感器，光纤法珀传感器具有第一传导光纤和第二传导光纤，第一传导光纤和第二传导光纤均为耐高温光纤；辐射光输出光纤输出的黑体辐射光，经第一传导光纤或者第二传导光纤，进入光纤法珀传感器，在法珀腔发生多次反射后，被调制成黑体辐射干涉光，黑体辐射干涉光经第一传导光纤输出；

光谱分析装置，光谱分析装置与第一传导光纤通过连接光纤连接；光谱分析装置对第一传导光纤输出的黑体辐射干涉光，进行解调，得出光纤法珀传感器的法珀腔腔长。

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于光纤法珀传感器的高温应变测量方法，包括：

靠近被测对象设置黑体辐射光源，通过黑体辐射光源向贴附固定在被测对象上的光纤法珀传感器输出黑体辐射光；

光纤法珀传感器将黑体辐射光调制成黑体辐射光干涉光，并输出给光谱分析装置；

光谱分析装置对黑体辐射干涉光进行解调，测出被测对象应变值。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

图1示出了本发明的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统的应变测量实施示意图。

图2示出了辐射光输出光纤与第二传导光纤连接的本发明的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统的结构示意图。

图3示出了辐射光输出光纤与第一传导光纤连接的本发明的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统的结构示意图。

图4示出了采用第二传导光纤为辐射光输出光纤的本发明的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统的结构示意图。

图5示出了本发明的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统的一种光谱分析装置的结构示意图。

图6示出了采用同一光纤法珀传感器实现温度和应变测量的本发明的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统的结构示意图。

图7示出了本发明的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统的第一实施例的结构示意图。

图8示出了本发明的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统的第二实施例的结构示意图。

图9示出了本发明的基于光纤法珀传感器的高温应变测量方法的流程图。

图10示出了不同温度的黑体辐射光源产生的黑体辐射光的光谱曲线。

图11示出了不同温度的黑体辐射光源产生的黑体辐射光经光纤法珀传感器调制后形成的黑体辐射干涉光的光谱曲线。

图12示出了光楔解调后形成的黑体辐射干涉光的光谱曲线。

其中，附图标记与部件名称之间的对应关系如下：光纤法珀传感器10，导管11，第一传导光纤12，第二传导光纤13，光谱分析装置20，扩束透镜21，光楔22，CCD阵列传感器23，连接光纤30，黑体辐射光源40，黑体发光装置41，辐射光输出光纤42，光环行器50，光电测温装置60，光纤耦合器70，被测对象80，高温环境90，基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统100。

具体实施方式

基于光纤法珀传感器的应变光测系统，其光纤法珀传感器被贴附固定在被测对象上，当被测被测对象产生应变，则光纤法珀传感器也产生相应变形，也即光纤法珀传感器的腔长发生变化；应变光测时，宽带光源产生的入射光，入射进光纤法珀传感器的珐珀腔，在法珀腔发生多次反射后，被调制成多束干涉光，并输出给光谱仪，光谱仪对干涉光进行解调，通过解调得出基于干涉光波长-光强的光谱曲线。由于珐珀腔为光学腔，其输出的干涉光光强和波长为法珀腔腔长的函数，法珀腔腔长发生变化，则输出的干涉光光强和波长分布也发生相应变化，可基于干涉光波长-光强的光谱曲线，得出法珀腔腔长，再根据腔长变化量确定被测对象的应变值。

应变测量，包括被测对象工作温度为-100℃以下的超低温应变测量，被测对象工作温度为-100～-30℃的低温应变测量，被测对象工作温度为-30～60℃的常温应变测量，被测对象工作温度为60～300℃的中温应变测量，被测对象工作温度为300℃以上的高温应变测量。实际应用中，绝大多数应变测量为常温应变测量和中温应变测量，高温应变测量涉及很少，即使有，也通常是被测对象工作温度为480℃以下的高温测量。

入射光，作为应变光测系统的探测媒介，其光谱特性和供给的稳定性，直接关系到应变光测系统应变测量的准确性。

要提高被测对象的应变值测量的准确性，现有的观点是，由于宽带光源是光测系统唯一可使用的工作光源，因此，唯一能提高应变测量准确性方法是，采用光谱输出范围更宽、偏振度更低的宽带光源代替原有的宽带光源。但宽带光源输出的入射光的光谱范围越宽，偏振度越低，其市售价格也越高，且市售价格的提高幅度远大于参数等级的提升幅度，也即入射光等级的小幅提升，会带来应变光测系统使用成本的大幅增加。

发明人在实现本发明的过程中发现，之所以采用宽带光源作为工作光源，其根本原因并非在于只有宽带光源才能作为光纤法珀传感器的工作光源，而是由于绝大多数应变测量，被测对象的工作温度在0～300℃之间，即使是高温测量，被测对象的工作温度，也多在480℃以下。在0～480℃的工作环境下，电力是最稳定的工作光源能量来源。

从理论上讲，只要光源输出光的光谱范围、偏振度达到预定要求，该光源均可作为应变光测系统的工作光源。

但由于工作光源设计和生产厂商，仅作为应变光测系统的组件配套方。对于组件配套方来说，良好通用性的组件，具有很低的制造、维护成本，良好的市场竞争力，获取的利润也更高，因此，工作光源设计和生产厂商，在设计工作光源时，更多考虑的是工作光源的通用性。当用户对工作光源有更高要求时，工作光源设计和生产厂商，仅需在现有设计的基础上，作较小的改动，就可实现定制生产，并获得更高的销售价格。因此，工作光源设计和生产厂商，没有必要也没有动力去研究非电力能源的工作光源。

发明人在实现本发明的过程中发现，黑体吸收热辐射后，能将热辐射能量转换成黑体辐射光，相较于宽带光，黑体辐射光的光谱范围要宽很多，偏振度也能达到应变光测系统的要求。

但仅只有当黑体输出的黑体辐射光的光强达到预定值后，该黑体辐射光才能作为光测系统的入射光。发明人进行多次试验后发现：如果黑体所处环境的温度低于480℃，黑体输出的黑体辐射光的光强不能满足应变光测系统的要求，只有当黑体所处环境的温度高于500℃，黑体输出的黑体辐射光的光强才能满足应变光测系统的要求。

如图1所示，发明人在上述新认识的基础上，提供一种基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统100，其可用于对高温环境90进行应变测量。在本发明实施例中，高温环境90的工作温度高于500℃。该高温应变测量系统，包括光纤法珀传感器10、黑体辐射光源40、光谱分析装置20及连接光纤30。其中，

上述黑体辐射光源40，包括黑体发光装置41，和将黑体发光装置41产生的黑体辐射光输出的辐射光输出光纤42，辐射光输出光纤42为耐高温光纤；黑体发光装置41靠近高温环境90设置；

上述光纤法珀传感器10，其具有第一传导光纤12和第二传导光纤13，第一传导光纤12和第二传导光纤13均为耐高温光纤；光纤法珀传感器10，贴附固定在高温环境90的被测对象80上，其第二传导光纤13连接辐射光输出光纤42；

上述光谱分析装置20，通过连接光纤30连接光纤30法珀传感器10的第一传导光纤12；

术语“耐高温光纤”，是指在高于500℃的温度环境下，可以长期使用的光纤，其可以是石英光纤，也可以是蓝宝石光纤，还可以是光子晶体光纤。

术语“黑体辐射光”，是指黑体发光装置41将热辐射能量转换成光能，发出的辐射光，黑体辐射光中有可见光，也有红外光。在高于500℃的温度环境下，黑体发光装置41所处环境的温度越靠近500℃，红外光成分占比越大，越远离500℃，可见光成分占比越大。

于本发明实施例中，与光谱分析装置20光纤连接的光纤法珀传感器10，可以是一个，例如一个设置在高温环境90的被测对象80上的光纤法珀传感器10，通过其对高温环境90进行单点应变测量。当然，与光谱分析装置20光纤连接的光纤法珀传感器10，也可以是多个，例如多个分布式设置在高温环境90的被测对象80上的光纤法珀传感器10，通过多个光纤法珀传感器10对高温环境90进行多点应变测量。

黑体辐射光源40的黑体发光装置41吸收入射热辐射，将热辐射能量转换成黑体辐射光，黑体辐射光由辐射光输出光纤42输出，经第二传导光纤13入射到光纤法珀传感器10的法珀腔，在法珀腔发生多次反射后，被调制成黑体辐射干涉光，黑体辐射干涉光由第一传导光纤12输出，经连接光纤30入射到光谱分析装置20，光谱分析装置20对黑体辐射干涉光进行解调，解调出珐珀腔腔长，再根据珐珀腔腔长变化量确定被测对象80的应变值。

于本发明实施例中，光纤法珀传感器10,可以是线型复合腔式光纤法珀传感器，也可以是本征型光纤法珀传感器，还可以是非本征型光纤珐珀传感器。

为了使光纤法珀传感器10具有良好的应变测量能力，光纤法珀传感器10，优选为非本征型光纤珐珀传感器。

非本征型光纤珐珀传感器，包括一根导管11，和分别从导管11两端插入到导管11中的第一传导光纤12和第二传导光纤13，导管11内第一传导光纤12和第二传导光纤13之间具有腔体间隙，该腔体间隙也即是珐珀腔。

非本征型光纤珐珀传感器制作时，根据导管11内腔的规格尺寸，选用两根能与导管11插套配合的光纤，将它们的插入端的端面切平，再将端面加工为可以作为反射面的镜面；然后将两根光纤从导管11两端分别插入，确保导管11内的两根光纤的同轴、端面平行，且在导管11内形成具有预定腔长的密封珐珀腔，珐珀腔两侧的两根光纤分别和导管11通过粘接或焊接加以固定。

相对于线型复合腔式光纤法珀传感器和本征型光纤法珀传感器，非本征型光纤珐珀传感器，是目前光测系统使用最多的光纤法珀传感器，其测量精度更高、工作可靠性更好。

于本发明实施例中，黑体辐射光源40的黑体发光装置41，是指能吸收绝大部分入射热辐射，入射热辐射很难产生反射和透射，并将热辐射能量转换成黑体辐射光的装置。黑体辐射光源40的辐射光输出光纤42，是指黑体发光装置41产生的黑体辐射光输出的光纤。黑体发光装置41具有辐射光输出光纤42接口。其中，

辐射光输出光纤42可以是单独光纤，也可以直接采用光纤法珀传感器10的第二传导光纤13作为辐射光输出光纤42。

辐射光输出光纤42为单独光纤，黑体发光装置41通过辐射光输出光纤42向光纤法珀传感器10输出黑体辐射光的第一种实施方式为：如图2所示，辐射光输出光纤42与光纤法珀传感器10的第二传导光纤13连接，黑体发光装置41产生的黑体辐射光由辐射光输出光纤42输出，经第二传导光纤13直接入射到光纤法珀传感器10的法珀腔。

辐射光输出光纤42为单独光纤，黑体发光装置41通过辐射光输出光纤42向光纤法珀传感器10输出黑体辐射光的第二种实施方式为：如图3所示，还需要在光谱分析装置20与光纤法珀传感器10之间设置光环行器50。光环行器50通过连接光纤30分别与辐射光输出光纤42、光纤法珀传感器10的第一传导光纤12、光谱分析装置20连接，且与辐射光输出光纤42连接的连接光纤30，与光纤法珀传感器10的第一传导光纤12连接的连接光纤30、与光谱分析装置20连接的连接光纤30顺次占据光环行器50的三个端口。辐射光输出光纤42输出的黑体辐射光，就可从光纤法珀传感器10的第一传导光纤12入射到光纤法珀传感器10的法珀腔，调制后形成的黑体辐射干涉光也能从第一传导光纤12输出给光谱分析装置20。

于本发明实施例中，光环行器50，具有多个光纤连接端口1-3，光信号由任一端口输入时，都能按图示的数字顺序从下一端口以很小的损耗输出，其他的端口为与光信号输入端口不相通的端口。

直接采用光纤法珀传感器10的第二传导光纤13作为辐射光输出光纤42，黑体发光装置41通过第二传导光纤13向光纤法珀传感器10输出黑体辐射光的实施方式为：如图4所示，将光纤法珀传感器10的第二传导光纤13直接连接黑体发光装置41的输出光纤接口，黑体发光装置41产生的黑体辐射光，直接通过第二传导光纤13入射到光纤法珀传感器10的珐珀腔。

于本发明实施例中，光纤法珀传感器10的第一传导光纤12与连接光纤30的连接方式、辐射光输出光纤42与连接光纤30的连接方式、及辐射光输出光纤42与光纤法珀传感器10的第二传导光纤13的连接方式，可以是通过具有v型槽的光纤冷接实现光纤冷接，也可以是通过适配器连接，还可以是通过光纤熔接机实现熔接。

为了提高光纤连接点的连接质量，降低光纤连接点的光损耗，上述光纤之间优选的连接方式为熔接。

术语“熔接”，是指采用光纤熔接机，将两根要连接起来的光纤的纤芯对准，再通过光纤熔接机的电极放电，产生高压放电电弧，将接头处的光纤熔化，冷却后，两根光纤就连接起来。

于本发明实施例中，黑体发光装置41，可以是涂层黑体结构，也可以套管状黑体结构。

涂层黑体结构的黑体发光装置41，为涂覆在辐射光输出光纤42尾纤外周的黑体涂层，另一种实施方式如下：如果将光纤法珀传感器10的第二传导光纤13作为辐射光输出光纤42，那么黑体发光装置41为涂覆在该传导光纤尾纤外周的黑体涂层。

套管状黑体结构的黑体发光装置41，为套设在辐射光输出光纤42尾纤上的桶状黑体套管，另一种实施方式如下：如果将光纤法珀传感器10的第二传导光纤13作为辐射光输出光纤42，那么黑体发光装置41，为套设在该传导光纤尾纤上的桶状黑体套管。

为了提高桶状黑体套管的黑体辐射光输出光强，桶状黑体套管，优选为单向开口的圆柱状腔筒结构。相较于其他结构的桶状黑体套管，圆柱状腔筒结构的黑体发光装置41能吸收更多的热辐射，输出的黑体辐射光的光强更高。

于本发明实施例中，在单点应变测量时，只需配置一个黑体辐射光源40，在多点应变测量时，可以为每个光纤法珀传感器10配置一个黑体辐射光源40，也可以是多个光纤法珀传感器10共用一个黑体辐射光源40，还可以是将多个光纤法珀传感器10分组，每组共用一个黑体辐射光源40。

于本发明实施例中，黑体辐射光源40的辐射光输出光纤42，及光纤法珀传感器10的两根传导光纤，可以是铠装光纤，也可以是非铠装光纤。

为了提高上述光纤在高温高压环境下的耐用性和使用寿命，优选为铠装光纤。铠装光纤，具有不锈钢软管保护套或者不锈钢网丝保护层，能对光纤的纤芯进行有效保护。

于本发明实施例中，光谱分析装置20,为对入射黑体辐射干涉光按照光调制原理进行调制，解调出光纤法珀传感器10的珐珀腔腔长的装置。后续处理设备，如计算机，根据测量到的珐珀腔腔长变化量确定被测对象80的应变值。光谱分析装置20，可以是光谱分析仪，也可以图5示出的一种光谱分析装置20。

如图5所示，该光谱分析装置20，包括顺次布置的扩束透镜21、光楔22、CCD阵列传感器23；其中，

扩束透镜21，对入射黑体辐射干涉光进行扩束。

光楔22，对扩束后的黑体辐射干涉光进行解调，提高黑体辐射干涉光信号的对比度，使解调出的黑体辐射干涉光，在基于黑体辐射干涉光波长-光强的光谱曲线中，干涉光存在尖锐光强峰，光强峰的干涉光为厚度与与珐珀腔腔长尺寸相同的光楔22处出射的干涉光，因此采用光楔22对扩束后的黑体辐射干涉光进行解调，有利于提高解调精度。

光楔22可以是透射式光楔22，也可以是反射式光楔22。相对于透射式光楔22，反射式光楔22更能提高黑体辐射干涉光解调信号的对比度。

CCD阵列传感器23，接收光楔22解调后的黑体辐射干涉光信号，并对其进行数值化处理。于本发明实施例中，CCD阵列传感器23，为高速图像数字化器件，其广泛应用于摄像机、照相机、及图像扫描设备。

扩束透镜21、光楔22、CCD阵列传感器23，在功能上相互支持，在使用上协同配合，从整体上，根本消除光谱仪存在光谱解调精度和速度，受限于光谱仪本身的光谱响应范围、光谱分辨率及光谱扫描速度的技术问题。同时，相对于价格昂贵的光谱仪，图5示出的光谱分析装置20，在获得成本、使用成本及维护成本上均更低廉。

可以理解，图5所示的结构仅为示意，光谱分析装置20还可包括比图5中所示更多或者更少的组件，或者具有与图5所示不同的配置。

本发明实施例，在高温应变测量时，黑体发光装置41，吸收被测对象80的热辐射，将热辐射能量转换成黑体辐射光，由辐射光输出光纤42输出，经光纤法珀传感器10的第一传导光纤12或者第二传导光纤13入射到珐珀腔，在法珀腔发生多次反射后，被调制成黑体辐射干涉光，黑体辐射干涉光经第一传导光纤12、连接光纤30入射到光谱分析装置20，光谱分析装置20对黑体辐射干涉光解调，解调出珐珀腔腔长，再根据珐珀腔腔长变化量确定被测对象80的应变值。

图1所示意的本发明的实施例，为以黑体辐射光源40为工作光源的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统100的实施例。从本发明实施例的上述实施过程可以看出：在被测对象80工作温度高于500℃的情况下，本发明直接采用制作和使用成本均很低的黑体发光装置41吸收热辐射，将热辐射能转换成比宽带光光谱范围宽得多的黑体辐射光，并以稳定的光强为光纤法珀传感器10提供入射光，从而实现价格昂贵的宽带光源的替代。

基于上述实施例中各组件的各种实施方式，及组件之间连接关系和配合关系的各种实施方式，本领域技术人员，在没有做出创造性劳动的前提下，进行相应的组合，得出本发明以黑体辐射光源40为工作光源的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统100的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

发明人在实现本发明的过程中发现，高温应变测量时，不仅被测对象80应变会带来光纤法珀传感器10的珐珀腔腔长变化，光纤法珀传感器10本身的热膨胀也会带来珐珀腔腔长变化。因此，需要对测量到的被测对象80应变值进行修正。

对测量到的被测对象80应变值进行修正，现有的方法是，在被测量基体上额外加装一个用于测量被测对象80温度的光纤法珀传感器10，及与其配合的温度测量装置，在进行被测对象80应变测量的同时对被测对象80温度进行测量，依据测量得到的被测对象80温度，对测量到的被测对象80应变值进行补偿修正。

在对高温被测对象80进行单点应变测量时，额外加装一个用于测量被测对象80温度的法珀传感器，及与其配合的温度测量装置，在操作上比较麻烦，不过还可实施；但要对高温被测对象80进行多点应变测量时，就需要额外加装多个用于测量被测对象80温度的法珀传感器，及与其配合的温度测量装置，可实施性很差，甚至不可能实现。

发明人在实现本发明的过程中发现，光纤法珀传感器10贴附固定在被测对象80上，黑体发光装置41靠近被测对象80设置，光纤法珀传感器10、黑体发光装置41和被测对象80温度基本一致，且正相关；黑体发光装置41产生的黑体辐射光，其类型和光强，与被测对象80温度直接相关。如果采用光电测温装置60将黑体辐射光或者黑体辐射光干涉光信号转换成电信号，就能测出被测对象80温度；依据测量到的被测对象80温度，消除光纤法珀传感器10本身的热膨胀也会带来珐珀腔腔长变化，就能得到准确的被测对象80应变值。

如图6所示，发明人基于上述新认识，在以黑体辐射光源40为工作光源的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统100的实施例的基础上，提供一种采用同一光纤法珀传感器10实现温度和应变测量的高温应变测量系统的实施例。

该高温应变测量系统，在以黑体辐射光源40为工作光源的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统100中，增加光纤耦合器70和光电测温装置60，将光纤耦合器70设置在光纤法珀传感器10与光谱分析装置20之间，光纤耦合器70与光谱分析装置20、光电测温装置60、光纤法珀传感器10分别通过连接光纤30连接；光纤耦合器70将传递给光谱分析装置20的黑体辐射光干涉光分路给光电测温装置60，光谱分析装置20基于黑体辐射光干涉光解调出被测对象80的应变值，光电测温装置60基于黑体辐射光干涉光测出被测对象80的温度。

于本发明实施例中，光纤耦合器70，利用不同光纤面紧邻光纤芯区中导波能量的相互交换作用，将传递给光谱分析装置20的黑体辐射光干涉光分路给光电测温装置60。光纤耦合器70，为光纤通信技术领域的常用光器件。

本发明实施例中，光电测温装置60的光电转换器件吸收了光辐射能量后温度升高，光电转换器件的电导率发生改变，通过测量电导率变化，测出黑体发光装置41的温度，也即测出被测对象80的温度。

光电测温装置60，可以是光电探测器、光电偶、光电温度测温仪、红外测温传感器中的一种，当然，还可以是其他结构的光电测温装置。

相对于现有实现温度和应变双测量的应变测量系统，采用同一光纤法珀传感器10实现温度和应变测量的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统100的本发明实施例，基于相同的黑体辐射光干涉光测量被测对象80温度和应变值，被测对象80温度和应变值直接关联，更能有效除消光纤法珀传感器10本身的热膨胀带来的珐珀腔腔长变化影响，测量得到的被测对象80应变值更准确；同时，本发明的实施例，在结构上更简单，实施上更容易。

基于上述实施例中各组件的各种实施方式，及组件之间连接关系和配合关系的各种实施方式，本领域技术人员，在没有做出创造性劳动的前提下，进行相应的组合，可以得出本发明采用同一光纤法珀传感器10实现温度和应变测量的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统100的所有其他实施例。

下面将结合实际应用，参照本发明实施例附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

第一实施例

所述第一实施例以飞机发动机被测对象80应变测试为例，对本发明的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统100进行说明。

飞机发动机被测对象80的工作温度一般大于900℃，其中，军用发动机的被测对象80的工作温度通常在1400～1900℃之间。由于飞机发动机被测对象80的工作温度较高，应变测量时，需要消除光纤法珀传感器10本身的热膨胀带来的珐珀腔腔长变化对被测对象80应变值测量的影响。

因此，用于飞机发动机被测对象80的高温应变测量系统，如图7所示，包括：

光纤法珀传感器10，为非本征型光纤珐珀传感器，其第一传导光纤12和第二传导光纤13，均为能在高达1600℃的高温环境90中长期使用的蓝宝石光纤；

黑体辐射光源40，其辐射光输出光纤42为能在高达1600℃的高温环境90中长期使用的蓝宝石光纤；其黑体发光装置41，为套接在辐射光输出光纤42尾纤上的桶状黑体套管；辐射光输出光纤42同非本征型光纤珐珀传感器的第二传导光纤13连接；

光谱分析装置20，如图5所示，包括顺次布置的扩束透镜21、光楔22、CCD阵列传感器23；

光电测温装置60，为光电探测器；

光纤耦合器70，通过连接光纤30分别与非本征型光纤珐珀传感器的第一传导光纤12、光谱分析装置20、光电测温装置60连接；

在本发明的第一实施例中，桶状黑体套管结构的黑体发光装置41，可直接套接固定在第二传导光纤13，也即以第二传导光纤13作为辐射光输出光纤42。

对飞机发动机被测对象80进行高温应变测量的过程为：

首先，将非本征型光纤珐珀传感器，贴附固定在飞机发动机的被测对象80上，将黑体发光装置41靠近飞机发动机的被测对象80设置，当然也可以将黑体发光装置41直接贴附固定在飞机发动机的被测对象80上。

高温应变测量时，黑体发光装置41吸收飞机发动机被测对象80的热辐射，产生黑体辐射光，由辐射光输出光纤42输出，经第二传导光纤13入射进非本征型光纤珐珀传感器的珐珀腔，在法珀腔发生多次反射后，被调制成黑体辐射干涉光，黑体辐射干涉光经第一传导光纤12、出，在光纤耦合器70处被分成两路，一路输出给光谱分析装置20，另一路输出给光电探测器。

进入光谱分析装置20的黑体辐射干涉光，顺次通过扩束透镜21、光楔22、CCD阵列传感器23，扩束透镜21对黑体辐射干涉光进行扩束，光楔22对扩束后的黑体辐射干涉光进行解调，在基于黑体辐射干涉光波长-光强的光谱曲线中，得出光强峰值对应的波长，也即得到法珀腔腔长信息；CCD阵列传感器23对光楔22解调后的可见黑体辐射干涉光信号进行数值化处理，并输出给后续处理计算机，计算机通过处理得到珐珀腔腔长变化量，通过珐珀腔腔长变化量，得出飞机发动机的被测对象80的初测应变值。

光电探测器，在波长范围内，对入射到其内的黑体辐射干涉光探测积分强度，解调出黑体辐射光源40的温度。依据光电探测器解调出被测对象80温度，对初测应变值进行补偿修正，得到准确的被测对象80应变值。

本第一实施例提供的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统100，由于采用非本征型光纤珐珀传感器，其具有很高的测量精度和良好的工作可靠性高，可以有效提高应变值测量的准确性；由于采用可在高达1600℃的高温环境90中长期使用的蓝宝石光纤，作为非本征型光纤法珀传感器的两根传导光纤，及作为黑体辐射光源40的辐射光输出光纤42，因此，能高温应变测量系统具有良好的工作稳定性和较长的使用寿命；由于采用比光谱仪解调精度更高和解调速度更快的光谱分析装置20来处理黑体辐射光，且仅对光强高出许多的可见黑体辐射干涉光进行数值化处理，测量精度更高。由于基于同一个非本征型光纤珐珀传感器调制黑体辐射干涉光，再基于相同的黑体辐射光干涉光测量被测对象80温度和应变值，被测对象80温度和应变值直接关联，依据温度对初测应变值的补偿修正更有效。

当然，本发明第一实施例，不局限于对飞机发动机被测对象80进行高温应变测量，只要是工作温度高于500℃的被测对象80，如核动力发动机、超临界发电机，均可用其进行高温应变测量，测量方式可以是单点应变测量，也可以是多点应变测量。同时，光纤法珀传感器10也不局限于非本征型光纤珐珀传感器。

第二实施例

所述本第二实施例以超临界发电机被测对象80应变测试为例，对本发明的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统100进行说明。

超临界发电机被测对象80的工作温度一般大于570℃，通常在600～690℃之间。用于对超临界发电机被测对象80的高温应变测量系统，如图8所示，包括：

光纤法珀传感器10，为本征型光纤法珀传感器，其第一传导光纤12和第二传导光纤13，均为能在高达500℃的高温环境90中长期使用的石英铠装光纤；

黑体辐射光源40，其辐射光输出光纤42为能在高达500℃的高温环境90中长期使用的石英铠装光纤；其黑体发光装置41，为涂覆在辐射光输出光纤42尾纤外周的黑体涂层；

光谱分析装置20，如图5所示，由扩束透镜21、光楔22、CCD阵列传感器23顺次布置构成；

光环行器50，具有3个光纤连接端口1-3；

连接光纤30，包括光环行器50与辐射光输出光纤42、本征型光纤法珀传感器、连接光谱分析装置20分别连接的3根连接光纤30。

本发明第二实施例提供的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统100，其制作过程如下：

如图8所示，辐射光输出光纤42通过连接光纤30连接光环行器50的1号连接端口，本征型光纤法珀传感器通过连接光纤30连接光环行器50的2号连接端口，光谱分析装置20通过连接光纤30连接光环行器50的3号连接端口。

对超临界发电机被测对象80被测对象80进行高温应变测量的过程为：

首先，将本征型光纤珐珀传感器，贴附固定在超临界发电机的被测对象80上；将尾纤外周涂覆有黑体涂层的辐射光输出光纤42靠近被测对象80设置；

高温应变测量时，黑体涂层，吸收超临界发电机被测对象80的热辐射，产生黑体辐射光，黑体辐射光经辐射光输出光纤42、与辐射光输出光纤42相连的连接光纤30，从光环行器50的1号连接端口进入光环行器50，再经光环行器50的2号连接端口、连接光纤30、第一传导光纤12入射进非本征型光纤珐珀传感器的珐珀腔，在珐珀腔内被调制成黑体辐射干涉光，黑体辐射干涉光经第一传导光纤12输出，经连接光纤30进入光环行器50的2号连接端口，再经光环行器50的3号连接端口、连接光纤30入射进光谱分析装置20。

进入光谱分析装置20的黑体辐射干涉光，顺次通过扩束透镜21、光楔22、CCD阵列传感器23，扩束透镜21对黑体辐射干涉光进行扩束，光楔22对扩束后的黑体辐射干涉光进行解调，在基于黑体辐射干涉光波长-光强的光谱曲线中，得出光强峰值对应的波长，也即得到法珀腔腔长信息；CCD阵列传感器23对光楔22解调后的可见黑体辐射干涉光信号进行数值化处理，并输出给后续处理计算机，计算机通过处理得出超临界发电机的被测对象80的应变值。

本发明第二实施例，实施时，如果应变值测量精度和准确性很高，可参照本发明第一实施例的方案，采用同一个本征型光纤珐珀传感器同时解调出被测对象80的温度和应变值，依据测量到的温度对初测应变值进行有效补偿修正。

本第二实施例提供的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统100，由于采用可在高达500℃的高温环境90中长期使用的石英铠装光纤，作为本征型光纤法珀传感器的两根传导光纤，及作为黑体辐射光源40的辐射光输出光纤42，因此，能确保高温应变测量系统能进行高温应变测量；由于采用比光谱仪解调精度更高和解调速度更快的光谱分析装置20来处理黑体辐射光，从整体上提高光谱分析装置20的光谱解调精度和速度。

当然，本发明第二实施例，不局限于对超临界发电机被测对象80进行高温应变测量，只要是工作温度高于500℃的被测对象80，且确保石英光纤能在该测量环境中至少完成一次测量任务，均可采用其进行高温应变测量，测量方式可以是单点应变测量，也可以是多点应变测量。

图9示出了本发明实施例提供的一种基于光纤法珀传感器的高温应变测量方法的流程图。请参阅图9，该高温应变测量方法包括：

步骤S110，靠近被测对象设置黑体辐射光源，通过黑体辐射光源向贴附固定在被测对象上的光纤法珀传感器输出黑体辐射光。

在本实施例中，被测对象为工作温度高于500℃的被测对象。黑体辐射光源的实施方式，及黑体辐射光源与光纤法珀传感器的连接关系和配合关系的实施方式，请参照本发明的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统的实施例。

在本实施例中，黑体辐射光源产生的黑体辐射光的光强为：

$B(\mathrm{\λ},T)=\mathrm{\α}\frac{2{\mathrm{hc}}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}\frac{1}{\exp \left(\frac{hc}{{\mathrm{\λK}}_{B}T}\right)-1}$

其中，B(λ,T)为黑体辐射光的光强，α为系数，h为普朗克常数，c为光速，K_B为玻尔兹曼常数，T为黑体辐射光源的热力学温度，λ为黑体辐射光波长。

基于黑体辐射光的光强，可以得出图10所示的不同温度的黑体辐射光源产生的黑体辐射光的光谱曲线。从图10中可以看出：温度越高的黑体辐射光源，产生的黑体辐射光的光强越高；在一定温度下，黑体辐射光源输出的某一波长的黑体辐射光的光强最大。图10中的相对光强为归一化后的光强。

步骤S120，光纤法珀传感器将黑体辐射光调制成黑体辐射光干涉光，并输出给光谱分析装置。

在本实施例中，光纤法珀传感器的实施方式，光纤法珀传感器与光谱分析装置的连接关系和配合关系的实施方式，请参照本发明的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统的实施例。

在本实施例中，光纤法珀传感器调制成的黑体辐射干涉光的光强为：

$I(\mathrm{\λ},T)=\mathrm{\α}\frac{2{\mathrm{hc}}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}\frac{1}{\exp \left(\frac{hc}{{\mathrm{\λK}}_{B}T}\right)-1}*\frac{{(1-R)}^2}{1+R^2-2Rcos\left(\frac{4\mathrm{\π}L}{\mathrm{\λ}}\right)}$

其中，I(λ,T)为光纤法珀传感器调制成的黑体辐射干涉光的光强，α为系数，h为普朗克常数，c为光速，K_B为玻尔兹曼常数，T为黑体辐射光源的热力学温度，λ为黑体辐射光波长，R为光纤法珀传感器的法珀腔端面反射率，L为法珀腔腔长。

基于黑体辐射干涉光的光强，可以得出图11所示的不同温度的黑体辐射光源产生的黑体辐射光经光纤法珀传感器调制成的黑体辐射干涉光的光谱曲线。从图中可以看出，黑体辐射光，经光纤法珀传感器调制形成黑体辐射干涉光，其光强变大；温度越高的黑体辐射光源产生的黑体辐射光，调制后，其形成黑体辐射干涉光的光强变化幅度越大。图11中的相对光强为归一化后的光强。

步骤S130，光谱分析装置对黑体辐射干涉光进行解调，测出被测对象应变值。

在本实施例中，光谱分析装置的实施方式，及光谱分析装置处理后的黑体辐射干涉光的后续处理实施方式，请参照本发明的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统的实施例。

在本实施例中，可以采用光谱仪解调黑体辐射干涉光，但由于光谱仪的使用成本较高，且光谱仪的光谱解调精度和速度，受限于光谱仪本身的光谱响应范围、光谱分辨率及光谱扫描速度。

为了提高黑体辐射干涉光的调精度和速度，对黑体辐射干涉光进行解调的步骤，优选的方案是：采用扩束透镜对入射黑体辐射干涉光进行扩束，采用光楔对扩束后的黑体辐射干涉光进行解调，采用CCD阵列传感器对光楔解调后的黑体辐射干涉光信号进行数值化处理。

在本实施例中，光楔对扩束后的黑体辐射干涉光进行解调，是指扩束后的黑体辐射干涉光，经过光楔的过程，也即是对扩束后的黑体辐射干涉光进行解调运算，解调运算得到的黑体辐射干涉光的光强为：

$I\left(x\right)={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{{\mathrm{\λ}}_{\max }}\mathrm{\α}\frac{2{\mathrm{hc}}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}\frac{1}{\exp \left(\frac{hc}{{\mathrm{\λK}}_{B}T}\right)-1}*\frac{{(1-R)}^2}{1+R^2-2Rcos\left(\frac{4\mathrm{\π}L}{\mathrm{\λ}}\right)}*\frac{{(1-R)}^2}{1+R^2-2R\cos \left(\frac{4\mathrm{\π}x\tan \mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)}d\mathrm{\λ}$

其中，I(x)为光楔解调得到的黑体辐射干涉光的光强，x为为黑体辐射干涉光出射点到光楔顶角点的距离，θ为光楔的偏向角，α为系数，h为普朗克常数，c为光速，K_B为玻尔兹曼常数，T为黑体辐射光源的热力学温度，λ为黑体辐射光波长，R为光纤法珀传感器的法珀腔端面反射率，L为法珀腔腔长。

基于光楔解调得到的黑体辐射干涉光的光强，可以得出图12所示的经光楔解调后的黑体辐射干涉光的光谱曲线。从图中可以看出，在基于黑体辐射干涉光波长-光强的光谱曲线中，厚度与与珐珀腔腔长尺寸相同的光楔处出射的干涉光,其光强峰非常尖锐，通过测量腔长处的光强峰值，就可解调出珐珀腔腔长。图12中的相对光强为归一化后的光强。

CCD阵列传感器对光楔解调后的黑体辐射干涉光信号进行数值化处理，再采用后续设备，如计算机，得到被测对象的应变值。

步骤S140，采用光电测温装置对黑体辐射干涉光进行测量，得到被测对象温度，根据被测对象温度对光谱分析装置测出的被测对象应变值进行补偿修正。

本实施例中，光电测温装置的实施方式，及光电测温装置获得黑体辐射干涉光的实施方式，请参照本发明的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统的实施例。如果光电测温装置为光电探测器，那么对光谱分析装置测出的被测对象应变值进行补偿修正的过程为：利用光电探测器探测黑体辐射干涉光在波长范围内的积分强度解调出黑体辐射光源的温度，黑体辐射光源温度与被测对象温度相同或者相近，依据黑体辐射光源温度对步骤S130测出的被测对象应变值进行补偿修正，得到准确的被测对象应变值。

本发明实施例提供的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统及方法，采用黑体辐射光源为光纤法珀传感器输出黑体辐射光，光纤法珀传感器将黑体辐射光调制成黑体辐射干涉光，光谱分析装置对黑体辐射干涉光解调，得到被测对象应变值。如此，在高温应变测量时，以成本很低且便于实施的方式，实现价格昂贵的宽带光源的替代，更重要的是，该系统及方法还可实现采用同一光纤法珀传感器对被测对象同时进行温度和应变测量，通过温度补偿修正应变测量结果，提高应变测量的准确性。

Claims (10)

1.基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统，其特征在于，包括：

黑体辐射光源，包括黑体发光装置，和将黑体发光装置产生的黑体辐射光输出的辐射光输出光纤，所述辐射光输出光纤为耐高温光纤；

光纤法珀传感器，所述光纤法珀传感器具有第一传导光纤和第二传导光纤，所述第一传导光纤和第二传导光纤均为耐高温光纤；所述辐射光输出光纤输出的黑体辐射光，经第一传导光纤或者第二传导光纤，进入光纤法珀传感器，在法珀腔发生多次反射后，被调制成黑体辐射干涉光，黑体辐射干涉光经第一传导光纤输出；

光谱分析装置，所述光谱分析装置与第一传导光纤通过连接光纤连接；所述光谱分析装置对第一传导光纤输出的黑体辐射干涉光，进行解调，得出光纤法珀传感器的法珀腔腔长。

2.根据权利要求1所述的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统，其特征在于，所述黑体发光装置，为涂覆在辐射光输出光纤尾纤外周的黑体涂层。

3.根据权利要求1所述的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统，其特征在于，所述黑体发光装置，为套设在辐射光输出光纤尾纤上的桶状黑体套管。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统，其特征在于，还包括设置在光纤法珀传感器与光谱分析装置之间的连接光纤上的光纤耦合器，和与光纤耦合器光纤连接的光电测温装置；所述光纤耦合器将传递给光谱分析装置的黑体辐射光干涉光分路给光电测温装置，所述光电测温装置对黑体辐射光干涉光进行温度测量。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统，其特征在于，所述光谱分析装置，包括顺次布置的扩束透镜、光楔、CCD阵列传感器；所述扩束透镜，对入射黑体辐射干涉光进行扩束；所述光楔，对扩束后的黑体辐射干涉光进行解调；所述CCD阵列传感器，对光楔解调后的黑体辐射干涉光信号进行数值化处理。

6.基于光纤法珀传感器的高温应变测量方法，其特征在于，包括：

靠近被测对象设置黑体辐射光源，通过黑体辐射光源向贴附固定在被测对象上的光纤法珀传感器输出黑体辐射光；

光纤法珀传感器将黑体辐射光调制成黑体辐射光干涉光，并输出给光谱分析装置；以及

光谱分析装置对黑体辐射干涉光进行解调，测出被测对象应变值。

7.根据权利要求6所述的基于光纤法珀传感器的高温应变测量方法，其特征在于，还包括采用光电测温装置对黑体辐射干涉光进行测量得到被测对象温度，根据被测对象温度对光谱分析装置测出的被测对象应变值进行补偿修正。

8.根据权利要求7所述的基于光纤法珀传感器的高温应变测量方法，其特征在于，所述采用光电测温装置对黑体辐射干涉光进行测量得到被测对象温度的步骤包括：

采用光电探测器探测黑体辐射干涉光在波长范围内的积分强度解调出黑体辐射光源的温度，所述黑体辐射光源温度与被测对象温度相同或者相近。

9.根据权利要求6至8中任意一项所述的基于光纤法珀传感器的高温应变测量方法，其特征在于，所述光谱分析装置对黑体辐射干涉光进行解调的步骤包括：

采用扩束透镜对入射黑体辐射干涉光进行扩束，采用光楔对扩束后的黑体辐射干涉光进行解调，采用CCD阵列传感器对光楔解调后的黑体辐射干涉光信号进行数值化处理。

10.根据权利要求9所述的基于光纤法珀传感器的高温应变测量方法，其特征在于，在采用CCD阵列传感器对光楔解调后的黑体辐射干涉光信号进行数值化处理后还包括步骤：

采用计算机得到被测对象应变值。