CN109827601B - 一种基于特种光纤的干涉式温度与应力双参数测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤光学测量技术领域，具体公开了一种基于特种光纤的干涉式温度与应力双参数测量系统，包括信号解调部分、网络拓扑结构和测量部分，信号解调部分包括宽谱光源、第一连接光纤、第二连接光纤、第三连接光纤、第一光纤环形器、第二光纤环形器、调节臂、光电探测器、数据采集卡和计算机；网络拓扑结构由光开关或多路分路器构成并且以树状结构连接形成；测量部分包括多个相同的特种光纤传感器，每个特种光纤传感器包括第四连接光纤、第二分光器、特种光纤和第二反射器。上述测量系统，能够对温度和应力进行一体式测量。

Description

一种基于特种光纤的干涉式温度与应力双参数测量系统

技术领域

本发明属于光纤光学测量技术领域，尤其涉及一种基于特种光纤的干涉式温度与应力双参数测量系统。

背景技术

温度和应力是建筑物结构健康监测中一项重要的监测内容，通过对建筑物施工及使用过程中的温度和应力监测，可以准确地反应建筑物在施工及运营期间的受力、变形、温度、热涨等性能参数变化，并通过计算可以有效的评估建筑物的老化、损伤位置和程度，对建筑物的结构健康情况、可靠性、耐久性和可承载能力等性能进行综合评估，为建筑物的后期维修、养护及管理提供评定依据。

目前基于光纤光学的温度、应力监测技术主要有光纤布拉格光栅(FBG)和布里渊光时域分析仪(BOTDA)技术。FBG以其测量精度高、结构简单、安装方便、抗电磁干扰、耐酸碱腐蚀等优点，广泛应用于建筑物的结构健康检测中。BOTDA测量尺度可达到数十公里，且可以实现分布式测量，同时也具有安装方便、抗电磁干扰、耐酸碱腐蚀等优点，被广泛应用于输油管道、桥梁、隧道等大型建筑的结构健康监测中。但以上两种方法都有一定的局限性，其中FBG为单点式测量，当测量对象为有限长区域时，不能对总体形变进行准确测量，BOTDA虽然可以实现分布式测量，但其对有限长区域的形变测量，是将各个测量点的数据进行求和分析，无法进行直接测量，且设备成本高，解调设备使用寿命短。在上述情况下，探索出一种既能分布式测量又能对总体形变进行准确测量的测量系统越来越重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于特种光纤的干涉式温度与应力双参数测量系统，以解决现有技术中不能分布式测量或对总体形变进行测量的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种基于特种光纤的干涉式温度与应力双参数测量系统，包括信号解调部分、网络拓扑结构和测量部分，信号解调部分包括宽谱光源、第一连接光纤、第二连接光纤、第三连接光纤、第一光纤环形器、第二光纤环形器、调节臂、光电探测器、数据采集卡和计算机，调节臂包括定长光纤、第一分光器、自聚焦光纤准直器、第一反射器和步进电机；宽谱光源连接到第一光纤环形器的一号端口，第一光纤环形器的二号端口与网络拓扑结构连接，第一光纤环形器的三号端口通过第一连接光纤与第二光纤环形器的一号端口连接，第二光纤环形器的二号端口通过第二连接光纤与第一分光器的输入端连接，第一分光器的输出端与自聚焦光纤准直器通过定长光纤连接，自聚焦光纤准直器与第一反射器之间形成空气光程；第一反射器固定在能够做直线运动的步进电机上，步进电机由计算机控制，第二光纤环形器的三号端口与光电探测器的输入端连接，光电探测器的输出端与数据采集卡连接，数据采集卡与计算机连接；

网络拓扑结构由光开关或多路分路器构成并且以树状结构连接形成，一级多路分路器或光开关的输入端与第一光纤环形器的二号端口连接，一级多路分路器或光开关的输出端分别连接二级多路分路器或光开关的输入端……以此类推，最后(n-1)级多路分路器或光开关的输出端分别连接n级多路分路器或光开关的输入端，n级多路分路器或光开关与测量部分连接；

测量部分包括多个相同的特种光纤传感器，每个特种光纤传感器包括第四连接光纤、第二分光器、特种光纤和第二反射器，第二分光器的输入端与n级多路分路器或光开关通过第四连接光纤连接，第二分光器的输出端与第二反射器之间通过特种光纤连接；第二分光器、特种光纤和第二反射器固定在待测的建筑物上。

本技术方案的工作原理在于：宽谱光源发出的光经过第一光纤环形器的一号端口被耦合到第一光纤环形器中，并由二号端口射出；射出的光进入到一级多路分路器或者光开关的输入端，最终经过n级多路分路器或者光开关的输出端射出，射出的光通过第四连接光纤入射到第二分光器处，并在第二分光器处分成两部分。其中一部分光被反射回第四连接光纤，并通过网络拓扑结构，从第一光纤环形器的二号端口入射。另一部分光透射过第二分光器，通过特种光纤后，经第二反射器反射，再通过特种光纤，然后依次通过第二分光器、第四连接光纤和网络拓扑结构，从第一光纤环形器的二号端口入射，最后从第一光纤环形器的三号端口射出。

从第一光纤环形器的三号端口射出的光经过第一连接光纤，并从第二光纤环形器的一号端口射入，由第二光纤环形器的二号端口进入第一分光器中，进入第一分光器的光被分成两部分。一部分光被反射进入第二光纤环形器二号端口。另一部分光由自聚焦光纤准直器投射到第一反射器，经第一反射器反射后，这部分光重新耦合入自聚焦光纤准直器，经由第一分光器入射到第二光纤环形器二号端口。由第二光纤环形器二号端口入射的光从第二光纤环形器三号端口射出，并射入到光电探测器中，光电探测器将光信号转化为相应的电信号传给数据采集卡，数据采集卡再将电信号传给计算机。

将第一分光器到第二分光器之间的光程定义为L_A，第二分光器到第二反射器之间的光程定义为L_B，第一分光器到第一反射器之间的光程定义为L_C。当L_A+L_B＝L_A+L_C时，光电探测器就可以得到相干信号。当光程L_B发生改变时，光程L_C也将发生相应的变化，计算机记录下步进电机的位置变化，即实现了对特种光纤传感器中第二分光器到第二反射器间光程的测量。由于光程L_A是共有光程，所以光程L_A不会对测量产生影响，使得导引光纤能够任意延伸而不会对测量产生误差。

根据测量出的特种光纤传感器中第二分光器到第二反射器之间光程，计算出相应的温度和应力。

本技术方案的有益效果在于：(1)本发明采用第一分光器和第二分光器，实现了对透射光和反射光的分光比的良好控制，消除了光纤对测量的影响，极大的降低了环境因素对测量的影响。(2)通过引入特种光纤，实现了单一光纤的温度、应力双参数一体式测量。(3)本发明设置网络拓扑结构，实现了远距离测量，设置多个特种光纤传感器，实现了多点式测量，具有结构稳定、环境适应性好、可移植性好、适合于工程化等优势。(4)本方案通过测量第二分光器到第二反射器之间光程，还能够对土体的沉降进行实时的测量、监控。并且沉降测量精度可达5微米，测量的精度非常高。

进一步，还包括温度和应力的计算方式，根据特种光纤快轴和慢轴的特性，第二分光器到第二反射器之间的光程定义为L_BF和L_BS；建立特种光纤光程与温度和应力的响应方程：

L_BF＝aT+bσ，

L_BS＝cT+dσ，

其中T为温度，σ为应力，a，b，c，d为特种光纤的固有参数。

波片中传播速度快的光矢量方向为快轴，传播速度慢的光矢量方向为慢轴，特种光纤的快轴与慢轴对温度和应力的响应是不同的，因此根据测量出来的L_BF和L_BS，建立二元一次方程，即可求得此时的温度和应力。本方法计算简便，不需要进行复杂的运算就可以求得待测点的温度和应力。

进一步，第二分光器到第二反射器之间的光程比第一分光器到第一反射器之间的光程长5-6cm。由于第一反射器是安装在步进电机上的，步进电机在做扫描运动的过程中，可以保证步进电机能够扫描到中间位置，这样恰好使步进电机上的第一反射器在扫描过程中可以找到两者的等光程位置。

附图说明

图1为本发明一种基于特种光纤的干涉式温度与应力双参数测量系统实施例一的总体结构示意图；

图2为图1中测量的原理图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：宽谱光源1、第一光纤环形器2、一级多路分路器3、二级多路分路器4、第四连接光纤5、第二分光镜6、第二反射镜7、第一连接光纤8、第二光纤环形器9、第三连接光纤10、光电探测器11、第二连接光纤12、第一分光镜13、自聚焦光纤准直镜14、第一反射镜15、步进电机16、特种光纤17、定长光纤18。

实施例一

如附图1-2所示：一种基于特种光纤的干涉式温度与应力双参数测量系统，包括信号解调部分、网络拓扑结构和测量部分，信号解调部分包括宽谱光源1、第一连接光纤8、第二连接光纤10、第三连接光纤12、第一光纤环形器2、第二光纤环形器9、调节臂、光电探测器11、数据采集卡和计算机，调节臂包括定长光纤18、第一分光镜13、自聚焦光纤准直镜14、第一反射镜15和步进电机16；宽谱光源1连接到第一光纤环形器2的一号端口，第一光纤环形器2的二号端口与网络拓扑结构连接，第一光纤环形器2的三号端口通过第一连接光纤8与第二光纤环形器9的一号端口连接，第二光纤环形器9的二号端口通过第二连接光纤12与第一分光镜13的输入端连接，第一分光镜13的输出端与自聚焦光纤准直镜14通过定长光纤18连接，自聚焦光纤准直镜14与第一反射镜15之间形成空气光程；第一反射镜15固定在能够做直线运动的步进电机16上，步进电机16由计算机控制，第二光纤环形器9的三号端口与光电探测器11的输入端通过第三连接光纤10连接，光电探测器11的输出端与数据采集卡连接，数据采集卡与计算机连接；

网络拓扑结构由光开关或多路分路器构成并且以树状结构连接形成，一级多路分路器3或光开关的输入端与第一光纤环形器2的二号端口连接，一级多路分路器3或光开关的输出端分别连接二级多路分路器4或光开关的输入端……以此类推，最后(n-1)级多路分路器或光开关的输出端分别连接n级多路分路器或光开关的输入端，n级多路分路器或光开关与测量部分连接；

测量部分包括多个相同的特种光纤传感器，每个特种光纤传感器包括第四连接光纤5、第二分光镜6、特种光纤17和第二反射镜7，第二分光镜6的输入端与n级多路分路器或光开关通过第四连接光纤5连接，第二分光镜6的输出端与第二反射镜7之间通过特种光纤17连接；第二分光镜6、特种光纤17和第二反射镜7固定在待测的建筑物上。

具体实施过程如下：

宽谱光源1发出的光经过第一光纤环形器2的一号端口被耦合到第一光纤环形器2中，并由二号端口射出；射出的光进入到一级多路分路器3或者光开关的输入端，最终经过n级多路分路器或者光开关的输出端射出，射出的光通过第四连接光纤5入射到第二分光镜6处，并在第二分光镜6处分成两部分。其中一部分光被反射回第四连接光纤5，并通过网络拓扑结构，从第一光纤环形器2的二号端口入射。另一部分光透射过第二分光镜6，通过特种光纤17后，经第二反射镜7反射，再通过特种光纤17，然后依次通过第二分光镜6、第四连接光纤5和网络拓扑结构，从第一光纤环形器2的二号端口入射，最后从第一光纤环形器2的三号端口射出。

从第一光纤环形器2的三号端口射出的光经过第一连接光纤8，并从第二光纤环形器9的一号端口射入，从第二光纤环形器9的二号端口射出，并通过第二连接光纤12耦合到第一分光镜13中，进入第一分光镜13的光被分成两部分。一部分光被反射进入第二光纤环形器9二号端口。另一部分光由自聚焦光纤准直镜14投射到第一反射镜15，经第一反射镜15反射后，这部分光重新耦合入自聚焦光纤准直镜14，经由第一分光镜13入射到第二光纤环形器9二号端口。由第二光纤环形器9二号端口入射的光从第二光纤环形器9三号端口射出，并射入到光电探测器11中，光电探测器11将光信号转化为相应的电信号传给数据采集卡，数据采集卡再将电信号传给计算机。

将第一分光镜13到第二分光镜6之间的光程定义为L_A，第二分光镜6到第二反射镜7之间的光程定义为L_B，第一分光镜13到第一反射镜15之间的光程定义为L_C。当L_A+L_B＝L_A+L_C时，光电探测器11就可以得到相干信号。当光程L_B发生改变时，光程L_C也将发生相应的变化，计算机记录下步进电机16的位置变化，即实现了对特种光纤传感器中第二分光镜6到第二反射镜7间光程的实时测量。由于光程L_A是共有光程，所以光程L_A不会对测量产生影响，使得导引光纤能够任意延伸而不会对测量产生误差。

根据测量出的特种光纤传感器中第二分光镜6到第二反射镜7之间光程，计算出相应的温度和应力。

实施例二

根据特种光纤17的快轴和慢轴对温度和应力的响应不同，将第二分光镜6到第二反射镜7之间的光程定义为L_BF和L_BS；建立特种光纤17光程与温度和应力的响应方程：

L_BF＝aT+bσ，

L_BS＝cT+dσ，

其中T为温度，σ为应力，a，b，c，d为特种光纤17的固有参数。因此根据实施例一的测量方式测出L_BF和L_BS，即可根据上述响应方程计算出温度和应力，从而实现温度和应力的一体式测量。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (1)

1.一种基于特种光纤的干涉式温度与应力双参数测量系统，其特征在于：包括信号解调部分、网络拓扑结构和测量部分，信号解调部分包括宽谱光源、第一连接光纤、第二连接光纤、第三连接光纤、第一光纤环形器、第二光纤环形器、调节臂、光电探测器、数据采集卡和计算机，调节臂包括定长光纤、第一分光器、自聚焦光纤准直器、第一反射器和步进电机；宽谱光源连接到第一光纤环形器的一号端口，第一光纤环形器的二号端口与网络拓扑结构连接，第一光纤环形器的三号端口通过第一连接光纤与第二光纤环形器的一号端口连接，第二光纤环形器的二号端口通过第二连接光纤与第一分光器的输入端连接，第一分光器的输出端与自聚焦光纤准直器通过定长光纤连接，自聚焦光纤准直器与第一反射器之间形成空气光程；第一反射器固定在能够做直线运动的步进电机上，步进电机由计算机控制，第二光纤环形器的三号端口与光电探测器的输入端连接，光电探测器的输出端与数据采集卡连接，数据采集卡与计算机连接；

网络拓扑结构由光开关或多路分路器构成并且以树状结构连接形成，一级多路分路器或光开关的输入端与第一光纤环形器的二号端口连接，一级多路分路器或光开关的输出端分别连接二级多路分路器或光开关的输入端，以此类推，最后n-1级多路分路器或光开关的输出端分别连接n级多路分路器或光开关的输入端，n级多路分路器或光开关与测量部分连接；

测量部分包括多个相同的特种光纤传感器，每个特种光纤传感器包括第四连接光纤、第二分光器、特种光纤和第二反射器，第二分光器的输入端与n级多路分路器或光开关通过第四连接光纤连接，第二分光器的输出端与第二反射器之间通过特种光纤连接；第二分光器、特种光纤和第二反射器固定在待测的建筑物上；

第二分光器到第二反射器之间的光程比第一分光器到第一反射器之间的光程长5-6cm；

根据特种光纤快轴和慢轴的特性，第二分光器到第二反射器之间的光程定义为L_BF和L_BS；建立特种光纤光程与温度和应力的响应方程：

L_BF＝aT+bσ，

L_BS＝cT+dσ，

其中T为温度，σ为应力，a，b，c，d为特种光纤的固有参数。

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