CN1818625A - 光纤光栅声发射和温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅声发射和温度传感器，其包括用光纤(2)连接的激光器(1)、光纤光栅(4)、接收单元(5)及与所述激光器(1)和所述接收单元(5)电连接的控制单元(6)；所述激光器(1)的出射光入射所述光纤光栅(4)，经所述光纤光栅(4)后进入所述接收单元(5)；所述接收单元(5)包含光探测元件，将光信号转换为电信号，并向所述控制单元(6)提供反馈；所述激光器(1)有一操纵参量，所述激光器(1)的工作波长随所述操纵参量变化，所述的控制单元(6)控制所述操纵参量的大小，使所述激光器(1)的工作波长保持在所述光纤光栅(4)的共振峰斜坡的指定位置上。本发明不怕电磁干扰，信号传输距离远，并且能够同时监测温度和声发射信号。

Description

光纤光栅声发射和温度传感器

技术领域

本发明涉及传感器，更具体地说，本发明涉及监测声波和温度的传感器。

背景技术

声发射技术是一种先进的无损检测技术，它通过探测和分析被测物自身发出的声波获知被测物内部损伤、断裂、变形等信息，该技术在石油、化工、电力、航空航天、金属加工、水利水电等领域有着广泛应用。声发射技术的关键元件是对声波进行采集和探测的声发射传感器。现有的声发射传感器如中国专利CN101673B、CN87214610U和ZL96200752.8公开的声发射传感器，均是基于压电陶瓷或压电晶体材料制造的，其不足之处是：(1)怕电磁干扰，(2)信号传输距离短，(3)只能监测声发射信号，不能同时监测温度。现有声发射传感器的上述不足限制了声发射技术在某些领域的推广应用，例如，对于电力变压器局部放电监测来说，声发射技术是一种非常理想的监测技术，它不但能够测定局部放电的大小，还能够对局部放电源进行定位，但由于现有声发射传感器无法在强电磁场环境下工作，限制了该技术的实际应用。还有些场合需要同时监测声发射信号和环境温度，若采用现有的声发射传感器，需要另行安装温度传感器，这样无疑大大增加了经济成本。此外，现有声发射传感器信号传输距离短，远程监测能力差，亦给其实际应用带来不便。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有声发射传感器存在的怕电磁干扰、不能远程监测、不能同时监测温度的技术问题，提供一种基于光纤材料的、不怕电磁干扰、信号传输距离远、能够同时监测声波与温度的光纤光栅声发射和温度传感器。

为了解决上述问题，本发明提出的光纤光栅声发射和温度传感器包括：用光纤连接的激光器、光纤光栅、接收单元及与所述激光器和所述的接收单元电连接的控制单元；所述激光器的出射光入射所述光纤光栅，经光纤光栅后进入所述的接收单元；所述接收单元包含光探测元件，将光信号转换为电信号，并向所述控制单元提供反馈；所述激光器有一操纵参量，所述激光器的工作波长随所述操纵参量变化；所述控制单元控制所述操纵参量的大小，使所述激光器的工作波长保持在所述光纤光栅的共振峰斜坡的指定位置上。

本发明所述的光纤光栅和接收单元之间可以是透射式连接，其中，所述的激光器、光纤光栅和接收单元顺序连接，所述激光器的出射光入射所述光纤光栅，经所述光纤光栅透射后进入所述接收单元。

在所述激光器和所述光纤光栅之间还可以接一个光分路器，所述激光器的出射光经该光分路器后分为两路，其中的一路入射所述光纤光栅，经光纤光栅透射后进入所述接收单元，另一路直接进入所述接收单元。

本发明所述的光纤光栅和接收单元之间也可以是反射式连接，此时，在所述激光器和所述光纤光栅之间接一个光耦合元件，所述激光器的出射光入射所述光纤光栅，经光纤光栅反射后通过该光耦合元件进入所述接收单元。

在所述激光器和所述光耦合元件之间还可以接一个光分路器，所述激光器的出射光经该光分路器后分为两路，其中的一路入射所述光纤光栅，经光纤光栅反射后通过所述的光耦合元件进入所述接收单元，另一路直接进入所述接收单元。

本发明所述的光耦合元件可以为2×2光耦合器，所述激光器的出射光经该2×2光耦合器后分为两路，其中的一路入射所述光纤光栅，经光纤光栅反射后通过该2×2光耦合器进入所述接收单元，另一路直接进入所述接收单元。

本发明所述的激光器可以采用分布反馈半导体激光器，所述的操纵参量为激光器管芯温度。

在本发明的一个实施例中，所述的光纤光栅可以采用相移光纤光栅，所述的激光器采用光纤光栅分布反馈激光器或光纤光栅分布布拉格反射器激光器，所述激光器的工作波长位于所述相移光纤光栅的透射共振峰的斜坡上，所述的操纵参量可以是温度或应变。

在本发明的另一个实施例中，包括多组激光器以及相应的光纤光栅和接收单元，所述的控制单元同时接收来自多个接收单元的电反馈信号并控制多个激光器的操纵参量的大小，使每一个激光器的工作波长保持在各自对应的光纤光栅的共振峰斜坡的指定位置上。此时，所述的激光器可以采用光纤光栅激光器，所述光纤光栅激光器可以共用一个泵浦源。

本发明的工作原理如下：

所述激光器的工作波长位于所述光纤光栅的共振峰的斜坡上，如图1a和1b所示。图1a为光纤光栅的透射谱，横坐标为波长，纵坐标为透射率；图1b为光纤光栅的反射谱，横坐标为波长，纵坐标为反射率；图中虚线表示激光器的工作波长位置。

所述激光器的出射光入射所述光纤光栅，经光纤光栅透射或反射后进入所述接收单元。光纤光栅的共振波长是温度的线性函数，当温度变化时，光纤光栅的共振峰的波长位置发生移动，导致光纤光栅透射或反射回来的光信号的强度发生变化。所述接收单元检测光信号的强度变化并提供一个反馈信号给所述控制单元，控制单元接收来自接收单元的反馈信息，调节激光器的操纵参量的大小，使激光器的工作波长保持在光纤光栅共振峰斜坡的指定位置上。这样一来，激光器的工作波长对光纤光栅的共振峰位置进行实时跟踪，由激光器工作波长可以知道光纤光栅的共振波长。由于激光器的工作波长是由所述的操纵参量控制的，由操纵参量可以知道激光器的工作波长，进而知道光纤光栅共振波长和温度大小。因此，本发明能够监测温度。

当有声发射波作用于光纤光栅时，声压导致光纤光栅共振峰位置移动，进而导致经光纤光栅透射或反射回来的光信号的强度发生变化。声发射波的频率通常在数Hz至数MHz之间，其所引起的光纤光栅共振峰移动呈现为高频振荡式的往返移动，相应的经光纤光栅透射或反射回来的光信号的强度变化也呈现为高频变化。检测该高频变化，能够获知声发射波的相关信息。

假设光纤光栅的光强透射函数为T(λ)，入射光纤光栅的光信号的强度为I_in，则从光纤光栅透射出来的光信号的强度为：

                 I_t＝I_inT(λ_in)                           (1)

若作用于光纤光栅的声信号为p＝p_asinω_at，其中，p_a为声压幅度，ω_a为角频率，则声发射信号作用下的透射光强度为：

$I_t=I_m[T\left({\mathrm{\λ}}_m\right){|}_{P=0}+\frac{\mathrm{dT}\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{in}}\right)}{\mathrm{dp}}p]\·\·\·\left(2\right)$

上式可改写为

$I_t=I_{\mathrm{in}}[T\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{in}}\right){|}_{P=0}+\frac{\mathrm{dT}\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{in}}\right)}{\mathrm{d\λ}}\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{dp}}p]\·\·\·\left(3\right)$

由于光纤光栅对压力的响应灵敏度比较低，声压引起的光纤光栅共振峰位置的移动非常小，声发射波的作用不会导致激光器的工作波长“移出”光纤光栅共振峰斜坡的线性区域，因此，式(3)可简化为

          I_t＝I_in[T(λ_in)|_p＝0+ηξp_asinω_at]            (4)

其中，η＝dT(λ_in)/dλ为光纤光栅透射谱斜坡的斜率，ξ＝dλ/dp为单位声压引起的光纤光栅共振波长移动。

同样地，可以得到声压作用下经光纤光栅反射回来的光信号强度表达式

          I_r＝I_in[R(λ_in)|_p＝0+ρξp_asinω_at             (5)

其中，R(λ)＝1-T(λ)为光纤光栅的光强反射函数，ρ＝dR(λ_in)/dλ为光纤光栅反射谱斜坡的斜率。

由(4)、(5)两式可知，经光纤光栅透射或反射回来的光信号强度的交流分量包含了声压幅度和角频率信息，接收单元检测光强度的交流分量可以获知声发射波的相关信息。因此，本发明能够监测声发射信号。

由于温度变化比较缓慢，其所引起的光纤光栅共振峰的移动亦比较缓慢，而声发射信号是一种高频信号，其所引起的光纤光栅共振峰的移动呈现为高频振荡式的往返移动，激光器的工作波长只跟踪温度变化导致的光纤光栅共振峰的缓慢移动，声发射信号不会影响温度测量结果。因此，本发明能够同时监测温度和声发射信号。

木发明采用了先进的光纤光栅传感技术，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明不怕电磁干扰、电绝缘、抗雷击、耐腐蚀，能在易燃易爆、强电磁场以及恶劣的化学环境下工作；

2、本发明远程监测能力强，信号传输距离可达几十公里甚至更远；

3、本发明不但能监测声发射信号，还能监测温度，可对二者同时测量。

附图说明

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明，其中：

图1a是光纤光栅的透射谱和激光器的工作波长位置示意图；

图1b是光纤光栅的反射谱和激光器的工作波长位置示意图；

图2是本发明第一实施例的结构示意图；

图3是本发明第二实施例的结构示意图；

图4是本发明第三实施例的结构示意图；

图5是本发明第四实施例的结构示意图；

图6是本发明第五实施例的结构示意图；

图7a是相移光纤光栅的透射谱和激光器的工作波长位置示意图；

图7b是相移光纤光栅的反射谱和激光器的工作波长位置示意图；

图8是本发明第六实施例的结构示意图；

图9是本发明第七实施例的结构示意图。

具体实施方式

图2示出了本发明第一实施例的结构，本实施例的光纤光栅声发射和温度传感器包括：用光纤2顺序连接的激光器1、光纤光栅4、接收单元5及与所述激光器1和所述接收单元5电连接的控制单元6。图中的箭头表示光信号的行进方向。激光器1的工作波长位于光纤光栅4的共振峰的斜坡上，其出射光入射光纤光栅4，经光纤光栅4透射后进入接收单元5。所述接收单元5将光纤光栅4透射出来的光信号转换为电信号，并向控制单元6提供反馈。激光器1有一操纵参量，所述操纵参量的大小由控制单元6控制，激光器1的工作波长随所述操纵参量变化。

当温度变化时，光纤光栅4的共振峰位置发生移动，激光器1的工作波长处的透射率发生变化，导致光纤光栅4透射出来的光信号强度发生变化。接收单元5检测该光强度的变化并向控制单元6提供反馈，控制单元6根据接收单元5提供的反馈信息，调节激光器1的操纵参量的大小，使激光器1的工作波长保持在光纤光栅4的共振峰斜坡的指定位置上。由于温度变化过程比较缓慢，其所引起的光纤光栅4共振峰的移动亦比较缓慢，激光器1的工作波长能够对光纤光栅4的共振峰位置进行实时跟踪，由操纵参量可以获知温度大小。

当有声发射信号产生时，声压作用于光纤光栅4，引起光纤光栅4的共振峰发生高频往返移动，相应的经光纤光栅4透射出来的光强度发生高频变化，由光强度的交流分量可以获知声发射信号的相关信息。

图3示出了本发明的第二实施例，本实施例的光纤光栅声发射和温度传感器包括：激光器1、光纤2、光纤光栅4、接收单元5和控制单元6。与第一实施例不同的是，本实施例还包括连接于激光器1和光纤光栅4之间光耦合元件3。所述光耦合元件3可以是光环行器，也可以是1×2光纤耦合器。所述激光器1的工作波长位于光纤光栅4的共振峰的斜坡上，其出射光经由光耦合元件3入射光纤光栅4，被光纤光栅4反射后经由光耦合元件3进入接收单元5。接收单元5将由光纤光栅4反射回来的光信号转换为电信号，并提供反馈信号给控制单元6。本实施例通过监测由光纤光栅4反射回来的光信号强度变化获知温度和声发射信号的相关信息。

图4示出了本发明的第三实施例，本实施例的光纤光栅声发射和温度传感器包括：激光器1、光纤2、光纤光栅4、接收单元5、控制单元6和光分路器7。与第一实施例不同的是，本实施例多了一个连接在激光器1和光纤光栅4之间的光分路器7。激光器1的出射光经光分路器7后分成两路，其中的一路入射光纤光栅4，经光纤光栅4透射后进入接收单元5，另一路直接进入接收单元5。直接进入接收单元5的那路光信号称为参考光，其作用是提供一个光强度参考，使本发明的测量结果免受激光器1的功率波动的影响。

在第一和第二两个实施例中，当温度发生变化时，接收单元5分别检测光纤光栅4透射和反射的光强度变化并提供反馈信号给控制单元6，控制单元6据此调节激光器1的操纵参量的大小，使激光器1的工作波长保持在光纤光栅4的共振峰斜坡的指定位置上。若激光器1的输出光强不稳定，当激光器1的输出光强漂移时，尽管光纤光栅4的共振峰并未移动，但进入接收单元5的光信号的强度却发生了变化，接收单元5将此信息反馈给控制单元6，控制单元6会误以为是温度变化的结果而调节激光器1的操纵参量，这样便会带来测量误差。

本实施例中的光分路器7分出一路参考光，该参考光直接进入接收单元5，接收单元5同时检测该路参考光和经光纤光栅4透射出来的信号光的强度变化情况，并将两者反馈给控制单元6。当激光器1的输出光强发生漂移或波动时，信号光和参考光的强度均发生变化，但两者的比值保持不变。只有当温度变化时，该比值才会发生变化。控制单元6根据信号光和参考光的强度之比的变化情况来调节激光器1的操纵参量的大小，使激光器1的工作波长保持在光纤光栅4的共振峰斜坡的指定位置上，这样便扣除了激光器1输出光强不稳定的影响，避免了测量误差，保证了测量精度。

图5示出了本发明的第四实施例，本实施例的光纤光栅声发射和温度传感器包括：激光器1、光纤2、光耦合元件3、光纤光栅4、接收单元5、控制单元6和光分路器7。同第二实施例相比，本实施例多了一个连接在激光器1和光耦合元件3之间的光分路器7，该光分路器7将激光器1的出射光分为两路，其中的一路入射光纤光栅4，经光纤光栅4反射后经光耦合元件3进入接收单元5，另一路直接进入接收单元5。本实施例能够保证测量结果免受激光器1的输出光强不稳定的影响，其原理同第三实施例。

图6示出了本发明的第五实施例，本实施例的光纤光栅声发射传感器包括：激光器1、光纤2、光耦合元件3、光纤光栅4、接收单元5和控制单元6。本实施例是第四实施例的变体，其中的光耦合元件3为2×2光耦合器，它同时起到耦合和分路的作用，激光器1的出射光经该2×2光耦合器后分为两路，其中的一路入射光纤光栅4，经光纤光栅4反射后再经2×2光耦合器进入接收单元5，另一路直接进入接收单元5。本实施例的工作原理同第四实施例。

在以上诸实施例中，光探测元件可以采用PIN光电二极管，激光器1可以采用带隔离器的分布反馈半导体激光器，以激光器管芯温度为操纵参量，通过控制管芯温度实现激光器的波长调节。如何控制半导体激光器管芯温度为公知技术，在此不多述。

为了获得较高的声发射响应灵敏度，光纤光栅4可以采用相移光纤光栅。由前述(4)、(5)两式可知，声发射响应灵敏度与光纤光栅共振峰斜坡的斜率有关，斜率越大，灵敏度越高。相移光纤光栅是一种特殊的光纤光栅，其谱响应含有精细结构，如图7a和7b所示。在相移光纤光栅的布拉格反射共振峰中有一个很窄的透射共振峰，形象地说，就是在相移光纤光栅的布拉格阻带中开了一个很窄的透射窗口。由于相移光纤光栅的透射共振峰非常窄，其斜坡的斜率远大于普通光纤光栅的布拉格反射共振峰，将激光器的工作波长锁定在相移光纤光栅的透射共振峰的斜坡上，可获得较高的灵敏度。

当光纤光栅4采用相移光纤光栅时，要求激光器1具有非常窄的线宽。激光器1可以采用光纤光栅激光器，例如光纤光栅分布反馈激光器或光纤光栅分布布拉格反射器激光器，其操纵参量可以是温度或应变。如何改变温度和应变来调节上述两种激光器的工作波长为公知技术，在此不多述。

图8示出了本发明的第六实施例。与上面几个实施例不同的是，本实施例除了包括由光纤2连接的激光器1、光耦合元件3、光纤光栅4、接收单元5和控制单元6外，还包括由光纤2n(n＝1，2，3)连接的激光器1n、光耦合元件3n、光纤光栅4n和接收单元5n，接收单元5和5n(n＝1，2，3)均向控制单元6提供电反馈，控制单元同时控制激光器1和激光器1n(n＝1，2，3)的操纵参量的大小，使每一个激光器的工作波长保持在各自相应的光纤光栅的共振峰斜坡的指定位置上。本实施例为一种多通道传感器，能够同时感测多点温度和声发射信号。

图9示出了本发明的第七实施例。本实施例也是一种多通道传感器，本实施例中的激光器为光纤光栅激光器，四个光纤光栅激光器共用一个泵浦源8。泵浦源8为980nm半导体激光器，其发出的泵浦光经分路器9分为四路，分别经波分复用器10、101、102、103入射增益光纤光栅谐振腔11、111、112、113，产生的四路反向激光输出分别经光隔离器12、121、122、123和2×2光耦合器3、31、32、33入射光纤光栅4、41、42、43，由光纤光栅4、41、42、43反射回来的光信号再分别经2×2光耦合器3、31、32、33进入接收单元5、51、52、53。接收单元5、51、52、53分别向控制单元6提供电反馈，控制单元6同时控制四个光纤光栅激光器的工作波长，使其各自保持在相应光纤光栅的共振峰斜坡的指定位置上。本实施例中的光纤光栅激光器可以采用光纤光栅分布反馈激光器(即增益光纤光栅谐振腔由一个相移光纤光栅构成)，也可以采用光纤光栅分布布拉格反射器激光器(即增益光纤光栅谐振腔由一对光纤光栅构成或者是由一个光纤光栅和一个宽带反射镜构成)。增益光纤采用铒/镱共掺光纤，光纤光栅直接刻写在铒/镱共掺光纤上。由于泵浦激光器的价格比较昂贵，采用一个泵浦激光器经分路后同时泵浦四个光纤光栅激光器的好处是，能够极大地降低系统成本。

需要说明的是，上述第六和第七实施例只是示例性地画出四个通道，实际上的通道数并无特定数量限制，可以是六通道、八通道或者更多。

Claims (15)

1、一种光纤光栅声发射和温度传感器，其特征在于，包括用光纤(2)连接的激光器(1)、光纤光栅(4)、接收单元(5)及与所述激光器(1)和所述接收单元(5)电连接的控制单元(6)；所述激光器(1)的出射光入射所述光纤光栅(4)，经所述光纤光栅(4)后进入所述接收单元(5)；所述接收单元(5)包含光探测元件，将光信号转换为电信号，并向所述控制单元(6)提供反馈；所述激光器(1)有一操纵参量，所述激光器(1)的工作波长随所述操纵参量变化；所述控制单元(6)控制所述操纵参量的大小，使所述激光器(1)的工作波长保持在所述光纤光栅(4)的共振峰斜坡的指定位置上。

2、如权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的光纤光栅(4)和接收单元(5)之间为透射式连接，所述的激光器(1)、光纤光栅(4)和接收单元(5)顺序连接，所述激光器(1)的出射光入射所述光纤光栅(4)，经所述光纤光栅(4)透射后进入所述接收单元(5)。

3、如权利要求2所述的传感器，其特征在于：还包括连接于所述激光器(1)和所述光纤光栅(4)之间的光分路器(7)，所述激光器(1)的出射光经所述分路器(7)后分为两路，其中的一路入射所述光纤光栅(4)，经所述光纤光栅(4)透射后进入所述接收单元(5)，另一路直接进入所述接收单元(5)。

4、如权利要求1所述的传感器，其特征在于：还包括连接于所述激光器(1)和所述光纤光栅(4)之间的光耦合元件(3)，所述的光纤光栅(4)和接收单元(5)之间为反射式连接，所述激光器(1)的出射光入射所述光纤光栅(4)，经所述光纤光栅(4)反射后通过所述光耦合元件(3)进入所述接收单元(5)。

5、如权利要求4所述的传感器，其特征在于：还包括连接于所述激光器(1)和所述光耦合元件(3)之间的光分路器(7)，所述激光器(1)的出射光经所述光分路器(7)后分为两路，其中的一路入射所述光纤光栅(4)，经光纤光栅(4)反射后通过所述光耦合元件(3)进入所述接收单元(5)，另一路直接进入所述接收单元(5)。

6、如权利要求4所述的传感器，其特征在于：所述的光耦合元件(3)为光环行器。

7、如权利要求4所述的传感器，其特征在于：所述的光耦合元件(3)为2×2光耦合器，所述激光器(1)的出射光经所述2×2光耦合器后分为两路，其中的一路入射所述光纤光栅(4)，经光纤光栅(4)反射后通过所述2×2光耦合器进入所述接收单元(5)，另一路直接进入所述接收单元(5)。

8、如权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述光纤光栅(4)为相移光纤光栅，所述激光器(1)的工作波长位于所述相移光纤光栅的透射共振峰的斜坡上。

9、如权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述激光器(1)包含光隔离器，用于阻止反射回来的光进入所述激光器(1)。

10、如权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述激光器(1)为分布反馈半导体激光器，所述的操纵参量为激光器管芯温度。

11、如权利要求1或8所述的传感器，其特征在于：所述激光器(1)为光纤光栅激光器，所述的操纵参量为温度或应变。

12、如权利要求11所述的传感器，其特征在于：所述的光纤光栅激光器为光纤光栅分布反馈激光器或光纤光栅分布布拉格反射器激光器。

13、如权利要求1所述的传感器，其特征在于：包括多组激光器(1、11、12、13)以及相应的光纤光栅(4、41、42、43)和接收单元(5、51、52、53)，所述的控制单元(6)同时接收来自多个接收单元(5、51、52、53)的电反馈信号并控制多个激光器(1、11、12、13)的操纵参量的大小，使每一个激光器的工作波长保持在各自对应的光纤光栅的共振峰斜坡的指定位置上。

14、如权利要求13所述的传感器，其特征在于：所述的激光器为光纤光栅激光器，所述的光纤光栅激光器共用一个泵浦源(8)。

15、如权利要求13所述的传感器，其特征在于：由泵浦源(8)发出的泵浦光经分路器(9)分为四路，分别经波分复用器(10、101、102、103)入射增益光纤光栅谐振腔(11、111、112、113)，产生的四路反向激光输出分别经光隔离器(12、121、122、123)后进入光耦合器(3、31、32、33)。

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