CN1558189A - 全光纤应变、振动定位测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及全光纤应变、振动定位测试方法，提供了一种准确定位应变、振动位置和测量应变、振动量大小的方法。传统的应变、振动测量方法只能实现微小应变、振动的测量，并且应变、振动点是已知的。本发明提出的全光纤应变、振动测试方法，克服了测量应变、振动为小范围的限制，同时还提供应变、振动点位置确定方法。是对传统应变、振动测试技术的发展，使得测试方法的应用范围扩大，并且能够完成对大型建筑物和长距离管道安全、健康状况的监测功能，具有明确的工业应用背景。

Description

全光纤应变、振动定位测试方法

技术领域

本发明是新的应变、振动测试方法。该方法能够同时测量应变、振动点位置和应变、振动量大小。

背景技术

现代社会中，对应变、振动的测试不仅在航空领域研究材料的应变、振动特性广泛应用，对大型建筑物、管道、光缆、桥梁、隧道、水坝、矿井的应变、振动监测，更是关系到国际名声和社会安定的大事。特别是在目前国内还没有切实可行的监测技术背景下，一种新的应变、振动测试技术的出现，具有重要的社会意义。传统的应变、振动监测技术，往往需要确定的应变、振动位置，并且不能应用于大范围(以公里计)监测。

发明内容

本发明的目的是获得一种方法简单、监测范围大的全光纤应变、振动定位测试方法。

根据弹光效应，外界应变、振动对光纤的折射率和光纤的长度都会产生影响，导致光的传输相位发生变化，这种变化通过不同的全光纤干涉系统，形成不同的干涉相位，干涉相位的大小与应变、振动、振动位置密切相关。利用这一特点，构造应变、振动位置差固定的两干涉系统，可实现对应变、振动点准确定位的功能。

稳定光源(1)发出的光通过光纤耦合器(2)进入光纤耦合器(3)和(4)，光纤耦合器(3)、(5)、(6)和光纤耦合器(4)、(5)、(6)分别形成了两套干涉系统，称为干涉系统I和II。由于光纤延迟线(8)、(9)的长度不同，同一测试对象在不同干涉系统中形成了不同的干涉信号，对应不同的干涉相位。通过对干涉相位的分析，可以确定扰动源(应变、振动点)的位置。

根据全光纤干涉系统的工作原理知道，干涉信号的相位(t)与光纤延迟线形成的时间延迟τ、扰动源速度V(t)的关系如下：

                    (t)＝2πV(t-τ/2)·τ/λ                        (1)

假设光纤延迟线(8)、(9)对应的时间延迟为τ₁和τ₂，并且精确确定。扰动源A在传感光纤中的位置如下所示。

上示中，(5)、(6)为图1中光纤耦合器的位置，传感光纤长度l₀为已知，建议以(5)端为坐标起点，扰动源位置为l，在全光纤干涉系统中对应的时间延迟为τ₀，

${\mathrm{\τ}}_0=n_{\mathrm{eff}}\frac{l_0-2l}{C}----\left(2\right)$

在干涉系统I中，相位₁(t)可表示为

                 ₁(t)＝2πV(t₁-τ/2)·(τ₁+τ₀)/λ           (3)

在干涉系统II中，相位₂(t)可表示为

                 ₂(t)＝2πV(t-τ/2)·(τ₂+τ₀)/λ             (4)

假定两干涉系统形成的干涉相位比为η

通过式(5)和式(2)，可准确确定扰动源的位置，

$l=\frac{1}{2}[l_0-\frac{C}{n_{\mathrm{eff}}}({\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2\mathrm{\η}/\mathrm{\η}-1)]----\left(6\right)$

利用上式，可设计出能够满足工业需要的应用程序。

本发明中，光源(1)发出的光通过光纤耦合器(2)进入光纤耦合器(3)、(4)，光纤耦合器(3)、(5)、(6)和光纤器(4)、(5)、(6)组成两路干涉光路，光纤延迟线(8)、(9)分别位于两路干涉光路中，光电探测器(10)、(11)和(12)、(13)分别是两路干涉光路的检测器。

本发明中，采用的光纤是单模光纤，或者是多模光纤。

本发明中，光源是超辐射发光二极管构成的光源，或者是发光二极管构造的光源或者是固体发光管构成的光源；光源的中心波长为1.31微米和1.55微米，或者是0.632微米和0.85微米。

本发明中，光纤耦合器的分光比为均分，耦合器的类型为锥型光纤耦合器。

本发明的方法不复杂，且有大的监测范围和测量应变、振动点位置的功能，测量简单、准确，是传统应变、振动测试技术无法完成的。

附图说明

图1系统的结构示意图，1是稳定光源，2、5、6是1×2光纤耦合器，3和4是3×3光纤耦合器，7是粘贴在测试对象上面的传感光纤，8、9是光纤延迟线，10、11、12、13是光电探测器。

图2是系统端口(10)的输出信号。

图3是系统端口(11)的输出信号。

图4是系统端口(12)的输出信号。

图5是系统端口(13)的输出信号。

四路干涉信号中，图2、3路分别对应于比较小的光纤延迟线，第4、5路对应于较大的光纤延迟线。

图6是针对输出端口信号(10)和(11)信号的处理结果。

图7是针对输出端口信号(12)和(13)信号的处理结果。

具体实施方式

利用图1所示的系统，光源为工作波长为1310纳米、武汉邮电研究院生产的SOF1310-A固体激光器光源，所有的光纤耦合器为电子部44所提供，探测器是44所提供的铟钾砷光电探测器，所用光纤为美国康宁公司生产的单模光纤，光纤器件之间的连接采用跳线连接。扰动源位置相对于系统的光纤延迟线长度分别为1262米和2612米，传感光纤长度为50米，得到4路干涉信号如图2所示。通过对实验结果的分析，得到的干涉信号分析结果如图3、4所示。利用式(5)，可计算出η＝2.108；利用式(6)，得到扰动源位置为距离光纤延迟线距离为1259米和2608米，测试误差小于千分之二。结果表明本测试方法能够很好实现对测试对象的定位和测试的目的。

Claims (5)

1、一种全光纤应变、振动定位测试方法，是根据弹光效应，外界的应变对光纤的折射率、长度的变化导致光的传输相位变化，其特征是从全光纤干涉系统得到干涉信号的相位(t)与光纤延迟线的时间延迟τ、扰动源速度V(t)的关系如下：

         (t)＝2πV(t-τ/2)·τ/λ                         (1)

光纤延迟线的时间延迟为τ₁、τ₂，传感光纤长度l₀为已知，扰动源位置为l，在全光纤干涉系统中对应的时间延迟为τ₀，

${\mathrm{\τ}}_0=n_{\mathrm{eff}}\frac{l_0-2l}{C^{\′}}---\left(2\right)$

相应干涉系统的相位₁(t)可表示为

         ₁(t)＝2πV(t-τ/2)·(τ₁+τ₀)/λ                 (3)

         ₂(t)＝2πV(t-τ/2)·(τ₂+τ₀)/λ                 (4)

干涉系统相位比η为：

扰动源的位置通过(5)、(2)即可得到：

$l=\frac{1}{2}[l_0-\frac{C}{n_{\mathrm{eff}}}({\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2\mathrm{\η}/\mathrm{\η}-1)].---\left(6\right)$

2、根据权利要求1所述的测试方法的装置，其特征是光源(1)发出的光通过光纤耦合器(2)进入光纤耦合器(3)、(4)，光纤耦合器(3)、(5)、(6)和光纤耦合器(4)、(5)、(6)组成两路干涉光路，光纤延迟线(8)、(9)分别位于两路干涉光路中，光电探测器(10)、(11)和(12)、(13)分别是两路干涉光路的检测器。

3、根据权利要求2所述的测试方法的装置，其特征是采用的光纤是单模光纤，或者是多模光纤。

4、根据权利要求2所述的测试方法的装置，其特征是光源是超辐射发光二极管构成的光源，或者是发光二极管构造的光源，或者是固体发光管构成的光源；光源的中心波长为1.31微米和1.55微米，或者是0.632微米和0.85微米。

5、根据权利要求2所述的测试方法的装置，其特征是耦合器是分光比为均分的锥型光纤耦合器。

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