CN111678456A - 温度与应变同时测量的ofdr装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种温度与应变同时测量的OFDR装置及其测量方法，该装置包括线性扫频激光器、光纤分束器、双参量测量光路、温度测量光路、辅助干涉仪、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、数据采集卡和计算机。将待测件上布设的双参量传感光纤及温度传感光纤分别接入对应光路，由参考信号与测量信号频谱的互相关运算得到对应频移量。以温度频移量对双参量频移量进行补偿并结合频移系数，分别得到温度变化及应变。本发明能单独解调出温度变化、应变，实现温度与应变的同时测量，测量精度高，操作方便，尤其适用于变温环境中的应变测量。

Description

温度与应变同时测量的OFDR装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及光学测量领域，尤其涉及一种温度与应变同时测量的OFDR装置及其测量方法。

背景技术

温度与应变监测是光纤传感技术最重要的两大应用领域。目前已有的各种光纤传感器，基本上都是直接或间接利用温度和应变改变相关光学参量，通过解调光学参量的变化获取待测量。如温度和应变会引起光栅中心波长的改变，通过解调光纤光栅传感器波长的漂移获取温度变化或应变值。由于温度和应变对大多数光学参量均有影响，难以有效区分，因此在变温且施加荷载的环境中进行传感测量时，一直存在着交叉敏感问题，无法准确获取单一的温度变化或应变。

由于拥有特殊的结构，基于光子晶体的光纤传传感器能实现温度、应变单参量的测量或双参量的同时测量，但是这类传感器对外界环境的响应不够准确，测量精度较低；光纤光栅传感测量中，利用双参量矩阵法、双光栅叠加法等虽能有效解决交叉敏感的问题，但是由于引入了另外的传感器，测试系列变得十分复杂；还有一类利用温度或应变对两种模式干涉影响不一致制成的双参量传感器，难以准确解调出有效的干涉模式且数值计算复杂。

OFDR技术是较为先进的一种光纤传感技术，能实现高精度温度、应变测量。OFDR技术解调的瑞利散射信号对温度、应变均敏感，在实际应用中同样需要解决交叉敏感的问题。通常通过布设一根温度补偿光纤以消除温度对应变测量的影响，但是常见的OFDR装置为单-测量通道，需要频繁插拔接头分别测量补偿光纤及测量光纤中的信号，操作不便，费时费力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对目前光纤传感技术难以有效区分温度和应变，测量精度不高，提出一种温度与应变同时测量的OFDR装置及其测量方法，能单独解调出温度变化、应变，实现温度与应变的同时测量。

提供一种温度与应变同时测量的OFDR装置，其特征在于，包括线性扫频激光器、光纤分束器、双参量测量光路、温度测量光路、辅助干涉仪、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、数据采集卡和计算机，其中：

所述线性扫频激光器，用于提供线性扫频光；

所述光纤分束器，将激光器输出的扫频光分为五束，分别进入双参量测量光路、温度测量光路及辅助干涉仪；

所述双参量测量光路，用于将双参量传感光纤中反射回来的测量光与参考光发生拍频干涉，产生第一拍频信号；

所述温度测量光路，用于将温度传感光纤中反射回来的测量光与参考光发生拍频干涉，产生第二拍频信号；

所述辅助干涉仪用于产生第三拍频信号，作为外部时钟触发所述数据采集卡；

所述数据采集卡，分别对第一拍频信号、第二拍频信号进行等频率间隔采样；

所述第一光电探测器，将所述双参量测量光路产生的第一拍频信号转化为电信号；

所述第二光电探测器，将所述温度测量光路产生的第二拍频信号转化为电信号；

所述第三光电探测器，将所述辅助干涉仪产生的第三拍频信号转化为电信号；

所述计算机，与所述数据采集卡进行数据通信，对采集到的信号进行运算处理，分别解调出温度变化及应变，该计算机还控制所述扫频激光器的工作。

接上述技术方案，所述双参量测量光路包括第一光纤环形器、双参量传感光纤、第一光纤耦合器，所述第一光纤环形器的第一端口连接所述光纤分束器的一个输出端，该第一光纤环形器的第二端口与所述双参量传感光纤连接，该第一光纤环形器的第三端口与所述第一光纤耦合器的其中一个输入端连接，以上连接作为信号臂；所述双参量传感光纤中反射回来的测量光在该信号臂中产生并传输；所述第一光纤耦合器的另一个输入端与所述光纤分束器的一个输出端连接作为参考臂，参考光在该参考臂中传输并与测量光在第一光纤耦合器处发生拍频干涉，产生第一拍频信号。

接上述技术方案，所述辅助干涉仪包括光纤隔离器、第五光纤耦合器、光纤线圈、第一法拉第反射镜、第二法拉第反射镜；

所述光纤隔离器的输出端连接第五光纤耦合器的输入端，该第五光纤耦合器的其中一个输出端依次连接所述光纤线圈、所述第一法拉第反射镜，另一输出端直接连接所述第二法拉第反射镜；该第五光纤耦合器的第三输出端连接所述第三光电探测器；两光路中反射回来的光在所述第五光纤耦合器处发生拍频干涉，产生第三拍频信号。

本发明还提供了一种温度与应变同时测量的方法，该方法基于上述技术方案的温度与应变同时测量的OFDR装置，该方法包括以下步骤：

（1）取两根同批次普通光纤，一根作为双参量传感光纤，另一根经过应变屏蔽处理后作为温度传感光纤；应变屏蔽处理时，将光纤穿入直径为光纤3-4倍的毛细套管中，套管完成后轻轻拉扯光纤一端进行检查，确认光纤能在套管中自由滑动；

（2）在待测件测量部位平行布设双参量传感光纤及温度传感光纤，两种光纤均以同种胶水固定，布设过程中控制刷胶用量及刷胶均匀度，尽量保证两种光纤所处胶层厚度一致；

（3）将两种光纤分别接入对应光路，参考状态及测量状态下分别进行一次测量，两次测量中，双参量测量光路、温度测量光路产生的第一拍频、第二拍频信号由各自光电探测器转化成电信号后送入计算机分析处理；

（4）对于第一拍频信号，将两次采集信号进行非均匀快速傅里叶变换及非均匀快速反傅里叶变换，得到双参量传感光纤每一位置参考信号和测量信号的瑞利散射光谱，将两者进行互相关运算，得到各个位置的互相关峰偏离值，即双参量频移量v ₁ 。

（5）对于第二拍频信号，重复上述过程，得到温度传感光纤每一位置的温度频移量v ₂ ；

（6）重复步骤（3）-（5），对双参量传感光纤及温度传感光纤上的传感点进行定位以确定两种光纤上传感点之间的对应关系，定位时，采用快速制冷喷剂使待测起始位置的温度急剧变化，采集双参量传感光纤及温度传感光纤中的测量信号，解调得到该位置对应的两种光纤上的传感点；

（7）根据步骤（6）得到的传感点，将双参量传感光纤及温度传感光纤上的传感点逐个对应，以温度频移量对双参量频移量进行补偿，得到每个传感点的应变频移量为v ₁ -v ₂ ；结合频移系数，得到精准的温度变化及应变。

接上述技术方案，步骤（2）的布设过程中控制刷胶用量及刷胶均匀度，尽量保证两种光纤所处胶层厚度一致。

接上述技术方案，步骤（6）中，定位时，采用快速制冷喷剂使待测起始位置的温度急剧变化。

本发明产生的有益效果是：本发明提供了一种温度与应变同时测量的OFDR装置及其测量方法，通过双参量测量光路、温度测量光路分别采集双参量传感光纤、温度传感光纤中的信号，由参考信号与测量信号频谱的互相关运算得到双参量频移量、温度频移量。以温度频移量对双参量频移量进行补偿并结合频移系数，分别得到温度变化及应变。本发明能有效区分温度、应变，解决交叉敏感温度；仅需单次测量就能同时获取温度、应变，操作方便，简单易行。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明第一种实施例温度与应变同时测量的OFDR装置的结构示意图；

图2是本发明第二种实施例温度与应变同时测量的OFDR装置的结构示意图；

图3是待测件上某一位置对应传感点的频移量补偿示意图。

图1中，1为线性扫频激光器，2为光纤分束器，3为第一光纤环形器，4为双参量传感光纤、5为第一光纤耦合器，6为第二光纤环形器，7为温度传感光纤，8为第二光纤耦合器，9为光纤隔离器，10为第五光纤耦合器，11为第二法拉第反射镜，12为光纤线圈，13为第一法拉第反射镜，14为第一光纤探测器，15为第二光电探测器，16为第三光电探测器，17为数据采集卡，18为计算机。

图2中，19为第三光纤耦合器，20为第三光纤环形器，21为光开关，22为第四光纤耦合器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明第一实施例的温度与应变同时测量的OFDR装置，包括线性扫频激光器1、光纤分束器2、双参量测量光路、温度测量光路、辅助干涉仪、第一光电探测器14、第二光电探测器15、第三光电探测器16、数据采集卡17和计算机18。

线性扫频激光器1发出的扫频光经由光纤分束器2分别进入双参量测量光路、温度测量光路及辅助干涉仪。双参量测量光路中产生的第一拍频信号由第一光电探测器14转化为电信号。温度测量光路中产生的第二拍频信号由第二光电探测器15转化为电信号。辅助干涉仪产生的第三拍频信号由第三光电探测器转化为电信号并作为数据采集卡17的外部时钟，触发其对第一、第二拍频信号进行等频率间隔采样。采集到的信号输送给计算机18进行分析处理，同时该计算机还控制扫频激光器1工作。

双参量测量光路包括第一光纤环形器3，双参量传感光纤4，第一光纤耦合器5。光纤分束器2分出的光分别进入第一光纤环形器3的1端口及第一光纤耦合器5的一个输入端，前者为测量光，后者为参考光。测量光由第一光纤环形器3的2端口进入双参量传感光纤4，反射回来的光经由环形器3端口出射，进入第一光纤耦合器5并与参考光在此处发生拍频干涉，产生第一拍频信号。

温度测量光路包括第二光纤环形器6，温度传感光纤7，第二光纤耦合器8。光纤分束器2分出的光分别进入第二光纤环形器6的1端口及第二光纤耦合器8的一个输入端，前者为测量光，后者为参考光。测量光由第二光纤环形器6的2端口进入温度传感光纤7，反射回来的光经由环形器3端口出射，进入第二光纤耦合器8并与参考光在此处发生拍频干涉，产生第二拍频信号。

辅助干涉仪包括光纤隔离器9，第五光纤耦合器10，光纤线圈12，第一法拉第反射镜13，第二法拉第反射镜11。光纤分束器2分出的光通过光纤隔离器9后经由第五光纤耦合器10分为两束。一束被第二法拉第反射镜11直接反射回来；另一束经过光纤线圈12后被第一法拉第反射镜13反射回来与前述反射光发生拍频干涉，产生第三拍频信号。

进一步地，图1的实施例是以测量两根传感光纤为例。如需同时测量N根传感光纤中的温度或应变，则装置应包含N个传感光纤测量光路，此时光纤分束器2变换为1*(2N+1),光电探测器的个数为N+1个。例如，在待测件表面布设了5根传感光纤，四根用于双参量测量，一根用于温度测量，则此时光纤分束器2为1*11光纤分束器，分出的光分别进入5个传感光纤测量光路及辅助干涉仪，6个光电探测器用以将上述6条光路的光信号转化为电信号。

本发明第二实施例的温度与应变同时测量的OFDR装置如图2所示。图2装置其他部分与图1基本一致，只是将双参量测量光路与温度传感光路合并为一条光路，合并后的光路包括第三光纤耦合器19，第三光纤环形器20，1*2光开关21，双参量传感光纤4，温度传感光纤7，第四光纤耦合器22。第三光纤耦合器19出射的光中一束作为参考光直接进入第四光纤耦合器22，一束作为测量光进入第三光纤环形器20的1端口并由其2端口出射进入1*2光开关21。光开关21用于光路切换使得测量光分别进入双参量传感光纤4、温度传感光纤7。反射回来的光通过第三光纤环形器20的3端口，进入第四光纤耦合器22，并分别在此与参考光发生拍频干涉，产生第一、第二拍频信号。

同样地，图2实施例是以测量两根传感光纤为例。如需同时测量N根传感光纤中的温度或应变，则1*2光开关21应调整为1*N光开关，用于连接多根传感光纤。

在进行温度、应变同时测量时，步骤主要包括：首先在待测位置平行布设双参量传感光纤及温度传感光纤。两根光纤需为同类型同批次生产的光纤，用作双参量传感的光纤无需处理，用作温度传感的光纤需进行应变屏蔽处理。处理时，将光纤穿入直径为光纤3-4倍的毛细套管中。完成后轻轻拉扯光纤一端进行检查，确认光纤能在套管中自由滑动。布设过程中，为消除胶水的影响，应严格控制刷胶用量及刷胶均匀度，保证两根光纤所处胶层厚度一致。

将双参量传感光纤接入第一光纤环形器3的2端口，温度传感光纤接入第二光纤环形器6的2端口。参考状态下进行第一次测量，双参量测量光路、温度测量光路分别产生第一拍频、第二拍频信号，该信号作为参考信号。测量状态下进行第二次测量，产生的信号作为测量信号。

对于第一拍频信号，将两次采集信号进行非均匀快速傅里叶变换及非均匀快速反傅里叶变换，得到双参量传感光纤每一位置参考信号和测量信号的瑞利散射光谱。将两者进行互相关运算，得到各个位置的互相关峰偏离值，即双参量频移量v ₁ 。

对于第二拍频信号，重复上述过程，得到温度传感光纤每一位置的温度频移量v ₂ 。

重复上述步骤，对双参量传感光纤及温度传感光纤上的传感点进行定位以确定两种光纤上传感点之间的对应关系。定位时，采用快速制冷喷剂使待测起始位置的温度急剧变化，采集双参量传感光纤及温度传感光纤中的测量信号，解调得到该位置对应的两种光纤上的传感点。

根据上述传感点，将双参量传感光纤及温度传感光纤上的传感点逐个对应，以温度频移量对双参量频移量进行补偿，得到每个传感点的应变频移量为v ₁ -v ₂ 。结合频移系数，得到精准的温度变化及应变。

为了更清楚地解释温度频移量对双参量频移量的补偿，提供如图3所示的频移量补偿示意图。该示意图以待测件上某一位置对应的两种光纤上两个传感点为例，图中①为参考信号的频谱互相关峰，②为温度传感光纤上传感点测量信号与参考信号的频谱互相关峰，③为双参量传感光纤上传感点测量信号与参考信号的频谱互相关峰。②峰相对于①峰偏离了v ₂ ，即温度频移量为v ₂ ；③峰相对于①峰偏离了v ₁ ，即双参量频移量为v ₁ ，该频移量包括了温度频移量和应变频移量，则应变频移量为v ₁ -v ₂ 。

本领域的技术人员容易理解，此处所说明的附图及实施例仅用以说明本发明技术方案而非对其限制，凡不脱离本发明方案的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种温度与应变同时测量的OFDR装置，其特征在于，包括线性扫频激光器、光纤分束器、双参量测量光路、温度测量光路、辅助干涉仪、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、数据采集卡和计算机，其中：

所述线性扫频激光器，用于提供线性扫频光；

所述光纤分束器，将激光器输出的扫频光分为五束，分别进入双参量测量光路、温度测量光路及辅助干涉仪；

所述双参量测量光路，用于将双参量传感光纤中反射回来的测量光与参考光发生拍频干涉，产生第一拍频信号；

所述温度测量光路，用于将温度传感光纤中反射回来的测量光与参考光发生拍频干涉，产生第二拍频信号；

所述辅助干涉仪用于产生第三拍频信号，作为外部时钟触发所述数据采集卡；

所述数据采集卡，分别对第一拍频信号、第二拍频信号进行等频率间隔采样；

所述第一光电探测器，将所述双参量测量光路产生的第一拍频信号转化为电信号；

所述第二光电探测器，将所述温度测量光路产生的第二拍频信号转化为电信号；

所述第三光电探测器，将所述辅助干涉仪产生的第三拍频信号转化为电信号；

所述计算机，与所述数据采集卡进行数据通信，对采集到的信号进行运算处理，分别解调出温度变化及应变，该计算机还控制所述扫频激光器的工作。

2.如权利要求1所述的温度与应变同时测量的OFDR装置，其特征在于，所述双参量测量光路包括第一光纤环形器、双参量传感光纤和第一光纤耦合器，所述第一光纤环形器的第一端口连接所述光纤分束器的一个输出端，该第一光纤环形器的第二端口与所述双参量传感光纤连接，该第一光纤环形器的第三端口与所述第一光纤耦合器的其中一个输入端连接，以上连接作为信号臂；所述双参量传感光纤中反射回来的测量光在该信号臂中产生并传输；所述第一光纤耦合器的另一个输入端与所述光纤分束器的一个输出端连接作为参考臂，参考光在该参考臂中传输并与测量光在第一光纤耦合器处发生拍频干涉，产生第一拍频信号。

3.如权利要求1所述的温度与应变同时测量的OFDR装置，其特征在于，所述温度测量光路包括第二光纤环形器、温度传感光纤和第二光纤耦合器；所述第二光纤环形器的第一端口连接所述光纤分束器的一个输出端，该第二光纤环形器的第二端口与所述温度传感光纤连接，第二光纤环形器的第三端口与所述第二光纤耦合器其中一个输入端连接，以上连接作为信号臂；所述温度传感光纤中反射回来的测量光在该信号臂中产生并传输；所述第二光纤耦合器的另一个输入端与所述光纤分束器的一个输出端连接作为参考臂，参考光在该参考臂中传输并与测量光在第二光纤耦合器处发生拍频干涉，产生第二拍频信号。

4.如权利要求1所述的温度与应变同时测量的OFDR装置，其特征在于，所述双参量测量光路及温度测量光路合并为一个综合测量光路，该综合测量光路包括第三光纤耦合器、第三光纤环形器、1*2光开关、双参量传感光纤、温度传感光纤和第四光纤耦合器；

所述第三光纤耦合器的其中一个输出端与所述第三光纤环形器的第一端口连接，该第三光纤环形器的第二端口与所述1*2光开关输入端连接，所述第三光纤环形器的第三端口与所述第四光纤耦合器的一个输入端连接；所述1*2光开关的两个输出端分别连接双参量传感光纤及温度传感光纤，以上连接作为信号臂；所述第三光纤耦合器的另一个输出端直接与第四光纤耦合器的另一输入端连接作为参考臂；参考臂中传输的参考光通过所述1*2光开关的通道切换分别与所述双参量传感光纤中反射回来的第一测量光、所述温度传感光纤中反射回来的第二测量光发生拍频干涉，产生第一、第二拍频信号。

5.如权利要求1-3中任一项所述的温度与应变同时测量的OFDR装置，其特征在于，该OFDR装置用于对N根传感光纤中温度或应变的同时测量，所述光纤分束器为1*(2N+1)，所述光电探测器的数量为N+1,同时包括N个双参量测量光路和温度测量光路。

6.如权利要求4所述的温度与应变同时测量的OFDR装置，其特征在于，该OFDR装置用于N根传感光纤中温度或应变的同时测量，所述1*2光开关替换为1*N光开关，用于连接多根传感光纤。

7.如权利要求1-4中任一项所述的温度与应变同时测量的OFDR装置，其特征在于，所述辅助干涉仪包括光纤隔离器、第五光纤耦合器、光纤线圈、第一法拉第反射镜和第二法拉第反射镜；

所述光纤隔离器的输出端连接第五光纤耦合器的输入端，该第五光纤耦合器的其中一个输出端依次连接所述光纤线圈、所述第一法拉第反射镜，另一输出端直接连接所述第二法拉第反射镜；该第五光纤耦合器的第三输出端连接所述第三光电探测器；两光路中反射回来的光在所述第五光纤耦合器处发生拍频干涉，产生第三拍频信号。

8.一种温度与应变同时测量的方法，其特征在于，该方法基于权利要求1-4中任一项温度与应变同时测量的OFDR装置，该方法包括以下步骤：

（1）取两根同批次普通光纤，一根作为双参量传感光纤，另一根经过应变屏蔽处理后作为温度传感光纤；应变屏蔽处理时，将光纤穿入直径为光纤3-4倍的毛细套管中，套管完成后轻轻拉扯光纤一端进行检查，确认光纤能在套管中自由滑动；

（2）在待测件测量部位平行布设双参量传感光纤及温度传感光纤，两种光纤均以同种胶水固定；

（3）将两种光纤分别接入对应光路，参考状态及测量状态下分别进行一次测量，两次测量中，双参量测量光路和温度测量光路产生的第一拍频、第二拍频信号由各自光电探测器转化成电信号后送入计算机分析处理；

（4）对于第一拍频信号，将两次采集信号进行非均匀快速傅里叶变换及非均匀快速反傅里叶变换，得到双参量传感光纤每一位置参考信号和测量信号的瑞利散射光谱，将两者进行互相关运算，得到各个位置的互相关峰偏离值，即双参量频移量v1；

（5）对于第二拍频信号，重复上述过程，得到温度传感光纤每一位置的温度频移量v2；

（6）重复步骤（3）-（5），对双参量传感光纤及温度传感光纤上的传感点进行定位以确定两种光纤上传感点之间的对应关系，定位时，使待测起始位置的温度急剧变化，采集双参量传感光纤及温度传感光纤中的测量信号，解调得到该位置对应的两种光纤上的传感点；

（7）根据步骤（6）得到的传感点，将双参量传感光纤及温度传感光纤上的传感点逐个对应，以温度频移量对双参量频移量进行补偿，得到每个传感点的应变频移量为v1-v2；结合频移系数，得到精准的温度变化及应变。

9.根据权利要求8所述的温度与应变同时测量的方法，其特征在于，步骤（2）的布设过程中控制刷胶用量及刷胶均匀度，尽量保证两种光纤所处胶层厚度一致。

10.根据权利要求8所述的温度与应变同时测量的方法，其特征在于，步骤（6）中，定位时，采用快速制冷喷剂使待测起始位置的温度急剧变化。

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