CN205482822U - 一种改进的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改进的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的第一端口光连接，环形器的第二端口与第一个起偏器的输入端连接，其输出端与保偏耦合器一侧的一个端口连接，保偏耦合器另一侧的两个端口分别与另两个起偏器的输出端连接，其中一个起偏器的输入端与准直器连接；另外一个起偏器的输入端连接光纤布拉格光栅，光纤光栅粘贴在悬臂梁调谐机构上；保偏耦合器一侧的另一个端口与衰减器的一端连接，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连接。本实用新型能有效抑制光的偏振态随时间改变对干涉信号的影响，提高了系统的测量精度，降低了系统的成本。

Description

一种改进的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

利用光学低相干反射（optical low coherence reflectometry，OLCR）检测技术为基础，光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）为传感元件，已成为非均匀应变检测的重要方法。目前，运用最多的全单模光纤器件组成的光纤光栅应变检测系统。

如图1所示，现有的检测系统流程描述为：

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后进行相应的数据处理得到应变的分布情况。

上述系统存在的问题：系统采用单模光纤器件，价格虽然便宜，但光在光线中传播的偏振态随时间的改变将对检测到的干涉信号造成极大的影响，即平移台停止在干涉区间内某一点时，存在该点采集到的信号出现较大的波动，使得信号不稳定或出现偏振衰落的情况。然而使用全保偏光纤器件代替单模光纤器件组成应变检测系统以解决上述问题会极大增加了系统的经济成本。

实用新型内容

本实用新型针对现有的FBG-OLCR技术检测非均匀应变的不足，提供了一种改进的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：

本实用新型由OLCR系统，光纤光栅分布式应变检测系统构成。所述OLCR系统由光源传输系统、光程差改变系统，悬臂梁调谐机构组成；其中光源传输系统由宽带光源、环形器、衰减器、三个起偏器和一个保偏耦合器组成。所述的光程差改变系统由准直器、反射镜和移动平台组成。所述悬臂梁调谐机构由光纤布拉格光栅、悬臂梁、螺旋测微头和支撑底座组成。所述的光纤光栅分布式应变检测系统由平衡探测器、数据采集卡及上位机构成；具体连接关系如下：

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第一个起偏器的输入端连接，第一个起偏器的输出端与保偏耦合器一侧的一个端口连接，保偏耦合器另一侧的两个端口分别与另两个起偏器的输出端连接，其中一个起偏器的输入端与准直器连接，准直器正对反射镜设置，所述的反射镜固定在移动平台上；另外一个起偏器的输入端连接光纤布拉格光栅，光纤光栅粘贴在悬臂梁调谐机构上。

保偏耦合器一侧的另一个端口与衰减器的一端连接，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连接；返回的两束光在保偏耦合器内发生干涉，平衡探测器探测到该干涉信号，并由数据采集卡采集进入上位机。

进一步说，所述悬臂梁调谐机构是将光纤布拉格光栅粘贴在由螺旋测微头和支撑底座支撑的悬臂梁上。

本实用新型的有益效果：以OLCR为基础，以光纤布拉格光栅为传感器，并以简单的应变施加系统，通过改变螺旋测微头以改变悬臂梁的位置施加不同的应变，采用单模光纤器件与保偏光纤器件共同构成了非均匀应变解调系统，该结构改善了应变检测中光的偏振的改变对干涉信号的影响，提高了检测精度和检测的重复性。

附图说明

图1是本实用新型现有的应变检测系统的结构示意图。

图2是本实用新型的结构简图。

图3是本实用新型中悬臂梁调谐机构的结构简图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图2所示，本实用新型由OLCR系统Ⅰ，光纤光栅分布式应变检测系统Ⅴ构成。OLCR系统由光源传输系统Ⅱ、光程差改变系统Ⅲ，应变施加系统Ⅳ组成；其中光源传输系统由宽带光源、环形器、衰减器、三个起偏器和一个耦合器组成，实现光信号的传输、光源保护、干涉信号调节以及光信号传输中线偏振的形成以及线偏振态的保持，消除偏振态随时间的改变，从而改善采集到的干涉信号的作用；光程差改变系统由准直器、反射镜和移动平台组成，通过平移台的运动改变两束光的光程差从而实现干涉的发生。应变施加系统由光纤布拉格光栅、悬臂梁、螺旋测微头和支撑底座组成，调节螺旋测微头以改变悬臂梁的位置对FBG施加不同的应变。

所述的光纤光栅分布式应变检测系统由平衡探测器D、数据采集卡DAQ及上位机构成，平衡探测器和数据采集卡实现数字信号收集；上位机用于硬件系统控制及FBG的非均匀应变检测。其中硬件系统控制包含运动平台及采集卡信号采集的控制。将采集到的数字干涉信号通过希尔伯特变换和傅里叶变换得到FBG反射谱和相位，再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。

所述的光纤器件中，耦合器为保偏耦合器，其输入输出端都是保偏光纤；三个起偏器为单模与保偏光纤的结合，其输入端是单模光纤，输出端为保偏光纤；起偏器及耦合器的输入输出端等效；其余的光纤器件均为单模光纤，包括光布拉格光栅。

实施例：

本实施例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、保偏耦合器CPL、保偏起偏器P、准直器LENS、反射镜MIR、移动平台TS、应变施加系统、衰减器A、平衡探测器D、数据采集卡DAQ及上位机。

参见图2和图3，在悬臂梁调谐机构上施加一定的非均匀应变后，光源经过环形器C端口2输出的光信号由起偏器的输入端进入输出端，此时，光的偏振态由起偏器的作用变成线偏振，并始终保持线偏振状态，该光信号由端口4进入保偏耦合器CPL，并被 1:1分光。

其中一束光从保偏耦合器端口5由第二个起偏器的输出端进入输入端口通过参考臂中的准直器LENS，并由移动平台（TS）上的反射镜（MIR）原路返回准直器中；另一束光进入测量臂中的第三个起偏器，光由输出端传输到输入端，进入应变施加系统，由其中的FBG反射。准直器及FBG反射回的光通过各自的起偏器的作用将经过单模光纤器件中突变的非线偏振再次变为线偏振光，并保持线偏振态传输。

上述两束稳定的偏振光在保偏耦合器内发生干涉，干涉信号一束光由端口4经过起偏器P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。干涉信号进入上位机进行处理。

通过光纤光栅分布式应变检测装置检测应变之前，需要通过应变施加装置对悬臂梁施加应力。参照图3具体说明悬臂梁调谐机构实施方式，将FBG用502胶沿悬臂梁表面的中线粘贴，支撑底座3-1上安装粘贴好FBG 3-3的悬臂梁3-2，支撑底座3-5上固定螺旋测微头3-4，两个支撑底座按一定的距离固定于实验室台上。两端空出一部分距离。安装过程中保证悬臂梁水平放置，螺旋测微头的自由端面与悬臂梁的自由端垂直。使提供位移变化的螺旋测微头与悬臂梁的自由端相毗邻，当通过调节螺旋测微头改变悬臂梁自由端位置时，悬臂梁受到的应变作用被传递到FBG上，从而在轴向上产生非均匀应变的分布，即通过悬臂梁调谐结构实现应变的传递，该结构简单直观，操作方便。

本装置利用光的偏振改变只影响干涉信号，即只要能保证发生干涉的两束光在进入耦合器之前的偏振态为稳定的线偏振并短期内保持线偏振态不改变，即能改善光传输过程中偏振态的改变对干涉信号的影响出发，通过更换局部单模光纤器件为保偏器件，加入起偏器使得传输光形成线偏振，并在光发生干涉区段保持线偏振态不变，因此能保证进入耦合器内发生干涉时两束光的偏振态为稳定的线偏振，从而改善偏振态对干涉信号的影响。

本装置利用OLCR技术（低相干光反射技术）与剥层算法，以FBG作为传感原件，采用单模光纤器件与保偏光纤器件共同构成了非均匀应变解调系统，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反射谱及应变分布情况，较现有的技术的精度和重复性由较大的提高，重复性可达2pm。

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)

1.一种改进的光纤光栅分布式应变检测装置，其特征在于：由OLCR系统，光纤光栅分布式应变检测系统构成；所述OLCR系统由光源传输系统、光程差改变系统，悬臂梁调谐机构组成；其中光源传输系统由宽带光源、环形器、衰减器、三个起偏器和一个保偏耦合器组成；所述的光程差改变系统由准直器、反射镜和移动平台组成；所述悬臂梁调谐机构由光纤布拉格光栅、悬臂梁、螺旋测微头和支撑底座组成；所述的光纤光栅分布式应变检测系统由平衡探测器、数据采集卡及上位机构成；具体连接关系如下：

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第一个起偏器的输入端连接，第一个起偏器的输出端与保偏耦合器一侧的一个端口连接，保偏耦合器另一侧的两个端口分别与另两个起偏器的输出端连接，其中一个起偏器的输入端与准直器连接，准直器正对反射镜设置，所述的反射镜固定在移动平台上；另外一个起偏器的输入端连接光纤布拉格光栅，光纤光栅粘贴在悬臂梁调谐机构上；

保偏耦合器一侧的另一个端口与衰减器的一端连接，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连接；返回的两束光在保偏耦合器内发生干涉，平衡探测器探测到该干涉信号，并由数据采集卡采集进入上位机。

2.根据权利要求1所述的一种改进的光纤光栅分布式应变检测装置，其特征在于：所述悬臂梁调谐机构是将光纤布拉格光栅粘贴在由螺旋测微头和支撑底座支撑的悬臂梁上。