CN204649162U - 一种光纤光栅分布式应变检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光纤光栅分布式应变检测装置。本实用新型中的宽带光源与环形器第一端口光连接，环形器第二端口与耦合器一侧的一个端口光连接，耦合器另一侧的一个端口与准直器光连接，准直器正对反射镜；耦合器另一侧的另一个端口与三态偏振器的一端光连接，三态偏振器的另一端连接光纤布拉格光栅；耦合器一侧的另一个端口与衰减器的一端光连接，衰减器的另一端与平衡探测器的一个探测口连接，平衡探测器的另一个探测口与环形器的第三端口光连接；数据采集卡采集探测器探测到的干涉信号，该干涉信号进入上位机。本实用新型利用光纤布拉格光栅传感器作为应力分布传感元件，结合OLCR技术与剥层算法，能实现非均匀应变分布的检测。

Description

一种光纤光栅分布式应变检测装置

技术领域

本实用新型属于传感技术领域，涉及一种光纤光栅分布式应变检测装置。

背景技术

目前，应变的检测主要使用电阻应变片来实现，虽然其制作简易，检测精度较高，但其有不耐腐蚀，易受电磁干扰等缺点，因此在一些特殊场合不能使用。

FBG（Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅）是现代光纤传感领域最常见的光学元件之一，其优异的传感特性使得其被广泛应用于大型建筑的结构健康监测、温度监测和铁路落石监测等领域。通常利用FBG的中心波长（Bragg波长）变化与温度、应变等外界物理量的变化呈线性相关的特性实现检测。当FBG用于均匀应变检测时FBG反射率最大值对应的波长也就是Bragg波长，在频谱上发生线性漂移，通过滤波法、干涉法等解调方式可以检测出该漂移量，从而计算应变大小。当应变为非均匀应变时，光纤光栅反射谱发生畸变，应变情况不能再从单一的布拉格波长得到，此时需要基于反射谱法的应变解调系统，即分布式传感解调系统，它既可以通过反射谱实现FBG均匀应变的检测 ，更可以进一步通过算法由反射谱计算得到FBG所感受的非均匀应变分布情况。

发明内容

本实用新型针对现有技术的不足，提供了一种光纤光栅分布式应变检测装置。

本实用新型采用下述技术方案：

本实用新型包括宽带光源、环形器、耦合器、准直器、反射镜、二维气浮移动平台、光纤布拉格光栅、三态偏振器、衰减器、探测器、数据采集卡及上位机。

宽带光源与环形器的第一端口光连接，环形器的第二端口与耦合器一侧的一个端口光连接，耦合器另一侧的一个端口与准直器光连接，准直器正对反射镜设置，所述的反射镜安装在二维气浮移动平台上。

耦合器另一侧的另一个端口与三态偏振器的一端光连接，三态偏振器的另一端连接光纤布拉格光栅；耦合器一侧的另一个端口与衰减器的一端光连接，衰减器的另一端与平衡探测器的一个探测口连接，平衡探测器的另一个探测口与环形器的第三端口光连接；数据采集卡采集探测器探测到的干涉信号，该干涉信号进入上位机。

进一步说，所述的宽带光源的工作波长为1550nm。

与背景技术相比，本实用新型的有益效果为：

FBG应力检测的长度通常由FBG的长度决定，目前，能实现30mm-100mm长度的检测，本实用新型提出的利用光纤布拉格光栅传感器作为应力分布传感元件，结合OLCR技术（低相干光反射技术）与剥层算法，能实现沿光纤轴向5mm-10mm范围内非均匀应变分布的检测。

该装置所使用的高精度气浮运动平移台所具有的振动噪声小的优点，能实现高精度的定位并避免了FBG反射谱被振动噪声淹没的问题；并且因为气浮平台的匀速运动，使得采样均匀，免除了采用激光参考相位等问题。

该装置使用的平衡探测结构提高了干涉信号信噪比，有助于得到更加准确的应变分布结果。

附图说明

图1是本实用新型的测量系统结构简图。

具体实施方式

一种光纤光栅分布式应变检测系统包括：光纤布拉格光栅应变传感器、平衡探测式光纤光学低相干反射仪和上位机软件。

光纤光栅分布式应变检测系统，其光纤布拉格光栅应变传感器是一种将光纤布拉格光栅埋入或粘贴于待测件表面的应变传感元件，该元件通过光纤与平衡探测式光纤光学低相干反射仪相连接实现光信号的传送。

光纤光栅分布式应变检测系统，其平衡探测式光纤光学低相干反射仪包括光源、光环形器、光耦合器、准直器、反射镜、高精度气浮运动平台、光衰减器、光电探测器等元件，这些元件通过光纤连接组成光纤白光干涉光路。

光纤光栅分布式应变检测系统，其软件部分由硬件控制系统软件及FBG的非均匀应变检测软件组成。其中硬件控制系统软件包含运动平台的控制，采集卡信号采集的控制。所采集到的信号为FBG反射谱对应的时域脉冲响应的实部，通过拉普拉斯变换、傅里叶变换等数学变换得到FBG反射谱，然后使用剥层算法通过反射谱重构FBG上所加载的非均匀应变从而得到FBG上的应变分布情况。

平衡探测式光纤光学低相干反射仪的干涉光路使用之前需要调整测量臂与参考臂的光程差，使光程差在干涉区间范围内；系统检测过程中，气浮平台带动反射镜运动，测量臂与参考臂之间的光程差随之改变，与此同时，光电探测器检测干涉信号。

平衡探测式光纤光学低相干反射仪的特点在于光电探测使用平衡探测结构，该结构消除了信号中的直流量，使信号中的交流量增强，实现增大信噪比的目的。该低相干反射仪中的高精度气浮运动平移台所具有的振动噪声小的优点，能实现高精度的定位并避免了FBG反射谱被振动噪声淹没的问题。

光纤光栅分布式应变检测系统的计算机需配备数据采集卡，完成干涉信号的采集。

参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的光纤光栅分布式应变检测装置，主要包括宽带光源SLD、环形器C、耦合器CPL、准直器LENS（包括三维定位平移台）、装在气浮运动平台上的反射镜11、移动平台、FBG（光纤布拉格光栅）系统、三态偏振器POLA、衰减器A、探测器、数据采集卡9及PC（软件系统）。FBG系统由FBG及应力加载系统组成。

SLD光源发射宽带光源给环形器C，宽带光源的工作波长为1550nm。其中环形器C端口2输出的光信号由端口4进入耦合器CPL。端口4进入的光信号由耦合器1:1分光。

一束光进入参考臂9，光进入参考臂中的准直器LENS发射出的光由匀速运动的二维平台带动的放射镜按原路反射回准直器。

另一束光进入测量臂10。光进入测量臂中的三态偏振器POLA保偏后的光进入FBG系统后，由FBG反射回来。

上述两反射光通过耦合器CPL的端口5和端口6进入耦合器，在耦合器内发生干涉，并由耦合器1:1分光。一束光由端口4进入环形器C，由环形器端口3进入平衡探测器的一个探测口。另一束光由端口7进入衰减器A后进入平衡探测器的另一个探测口。由数据采集卡采集探测器探测到的干涉信号，该干涉信号进入PC，经数据处理后，得到FBG应力分布情况。

 SLD光源用于产生稳定的宽光带光源。环形器C用于实现正反向传输光的分离任务。不考虑少量光损耗的情况，耦合器CPL是一个1:1的分光器用于将输入光1:1分成两束光。光准直器LENS使得反射镜反射的光尽可能有效地耦合回光纤中。反射镜用于将发射到镜面上的光按原路返回。气浮运动平台用于以匀速带动反射镜运动从而调节参考臂与测量臂的光程差。FBG是一个光的选择反射器，其反射的光与FBG本身的参数以及FBG所传感的应变直接相关，探测器获得光强尽可能大的反射光，以减小光电探测器受噪声等效功率限制因素所带来的影响。FBG系统实现应力的加载及放射光的反射。三态偏振器POLA弥补了因光纤弯曲等造成的测量臂和参考臂的偏振角差，降低了偏振态对干涉条纹强度的影响。光衰减器A一方面是使输入平衡探测器两路光的直流光强相等，以消除背景光强对干涉信号的影响，另一方面是将输入功率控制在探测器的探测范围内，防止其达到饱和值而造成信号失真，甚至被击穿。光电探测器是一个差分电路结构，能有效地减少输入光信号的随机噪声和共模噪声，提高了系统的信噪比，使FBG动态扫描检测系统能得到较好的交流干涉信号。

系统整体开启之前，需完成两部分工作。第一需要匹配两臂的光程，使光程差在发生干涉区间范围内。首先应先丈量参考臂和测量臂的光纤长度,使得两臂的光程基本相等。其次调节准直器与放射镜的位置，先运用红光笔进行粗调，将固定好准直器的夹具安装在三维定位平移台上，并保证准直器与气浮平移台侧边基本平行，调节准直器空间位置使得出射的红光能够落在气浮平移台上反射镜的中心位置，调节二维镜架的旋钮改变反射镜的空间角度，从而使得反射光斑明显移入准直器透镜中心，粗调完成后，还需进一步微调，将红光笔撤下，光路按图1的原理图连接，平衡探测器换接成光功率计，往返缓慢调节二维镜架旋钮，直至光功率计达到最大值时，参考臂的准直调节完成，光路基本得到实际情况下的最大光耦合效率。第二，按图1的原理图连接各元件，将环形器的端口3及衰减器A的出射端连接至光功率计，开启电源，调节衰减器，使由环形器端口3发射出的光的直流分量与衰减器发射出的光的直流分量相同。

系统整体开启之后，SLD宽光带光源发出的光入射到环形器C中，由环形器发射出来的光进入耦合器，1:1分光后一束光通过端口5进入准直器LENS，准直器发射出的光入射到由匀速运动的气浮平台带动的反射镜后返回准直器中。另一束光通过端口7进入偏振器后进入FBG系统，即应力加载系统，向应力加载系统施加轴向应力，FBG感受应力后将光放射回去。 上述两束光进入耦合器，在耦合器内发生干涉，该干涉光由耦合器1:1分光，一束光进入环形器C，另一束光进入衰减器A，经调节后的两束光进入平衡探测器。平衡探测器将光信号转换成电信号，同时消除信号中的直流量，放大交流量。平衡探测器输出的模拟电信号经数据采集卡转换为数字信号并传入计算机，进入FBG应变检测系统（信号处理系统），该信号处理系统包括信号处理部分和非均匀重构部分。其中信号处理部分通过拉普拉斯变换，傅里叶变换等一系列数学变换，将检测得到的干涉光强信号转换为FBG反射谱。非均匀应变重构部分则使用剥层算法，从FBG反射谱信息得到FBG上所加载的应变分布情况。整个检测过程都由计算机控制自动进行。

本装置利用光纤布拉格光栅传感器构成分布式测量系统，结合OLCR技术（低相干光反射技术）与剥层算法，实现沿光纤铺设路径上均匀应变及非均匀应变的测量。

本装置能快速有效解调出均匀应变及非均匀应变下FBG反射谱，重复性可达4pm，通过算法重构，能够准确得到应力分布情况。

以上所述，仅为本实用新型一般结构及检测流程，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种光纤光栅分布式应变检测装置，其特征在于：包括宽带光源、环形器、耦合器、准直器、反射镜、二维气浮移动平台、光纤布拉格光栅、三态偏振器、衰减器、探测器、数据采集卡及上位机；

宽带光源与环形器的第一端口光连接，环形器的第二端口与耦合器一侧的一个端口光连接，耦合器另一侧的一个端口与准直器光连接，准直器正对反射镜设置，所述的反射镜安装在二维气浮移动平台上；

耦合器另一侧的另一个端口与三态偏振器的一端光连接，三态偏振器的另一端连接光纤布拉格光栅；耦合器一侧的另一个端口与衰减器的一端光连接，衰减器的另一端与平衡探测器的一个探测口连接，平衡探测器的另一个探测口与环形器的第三端口光连接；数据采集卡采集探测器探测到的干涉信号，该干涉信号进入上位机。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅分布式应变检测装置，其特征在于：所述的宽带光源的工作波长为1550nm。