CN217358427U - 一种基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于结构检测技术领域，具体为一种基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测装置。本实用新型在采用布拉格光纤光栅传感器作为结构健康检测的设备的基础上，配置解调装置；解调装置包括宽带光源、光纤耦合器、光电二极管、信号放大电路，压电陶瓷，驱动电源，参考传感器；本实用新型将光纤布拉格光栅传感器与解调装置结合使用，通过驱动电源来带动压电陶瓷发生较大形变，进而带动参考传感器中心波长发生较大变化，从而扩展测量范围，且驱动电源能够精准的控制输出电压，提高光纤布拉格光栅的中心波长分辨率，满足大型结构健康监测需求。本实用新型具有广阔应用前景。

Description

一种基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测装置

技术领域

本实用新型属于结构检测技术领域，具体涉及一种基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测装置。

背景技术

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器具有耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、尺寸小、复用能力强、结构简单、精度高等优点，因此在众多传感检测领域都有着广泛应用，如结构健康检测、生物力学传感等领域。光纤布拉格光栅传感器作为一种波长调制型器件，其工作时光栅中心波长的表达式如下式(1)所示：

λ_B＝2n_effΛ (1)

式中，λ_B为中心波长，n_eff为有效折射率参数,Λ为光栅周期。实际应用中，当光纤布拉格光栅的中心波长由于外界作用力的作用时，其有效折射率和光栅周期会发生变化，此时其中心波长也会发生漂移，因此，可以通过测量中心波长漂移量和外界作用力与中心波长漂程度之间的关系便可以推算出外界作用力的大小，进而得出监测结构的性能(健康状态)。

对于光纤布拉格光栅传感器应用来说，解调装置起着非常重要的作用，通常情况下该解调装置包括常见的光谱仪解调法、可协调激光器法、F-P滤波器检测法、非平衡M-Z干涉法，但是上述解调装置由于结构所限，还存在体积大使用不方便，价格昂贵及维护比较麻烦的缺点，因此无法满足大量的包括建筑物在内的结构健康检测实际需求。综上所述，提供一种能克服现有基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测装置存在问题的方法显得尤为必要。

发明内容

为了克服现有基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测装置的弊端，本实用新型提供一种体积小、价格低、使用和维护方便的基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测装置。

本实用新型提供的基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测装置，是在采用布拉格光纤光栅传感器11作为结构健康检测的设备的基础上，配置特别设计的解调装置12；所述解调装置12包括宽带光源121、光纤耦合器122、光电二极管123、信号放大电路124，压电陶瓷125，驱动电源126，参考传感器127；其中，宽带光源121依次与光纤耦合器122、参考传感器127、压电陶瓷125、驱动电源126连接；参考传感器127依次连接光电二极管123、信号放大电路124；光纤耦合器122与布拉格光纤光栅传感器11连接；其中：

所述布拉格光纤光栅传感器11放置在待监测目标上，当待检测目标发生较大应变损坏时，布拉格光纤光栅传感器中心波长发生同步变化；

所述宽带光源121为布拉格光纤光栅传感器和解调装置提供工作光谱，且该工作光谱在布拉格光纤光栅传感器的工作波段内；

所述参考传感器127经光电二极管123和待测目标上的布拉格光纤光栅传感器11由光纤耦合器122进行光耦连接，光电二极管123接收布拉格光纤光栅传感器11的返回信号并输出到信号放大电路124进行放大处理；

所述压电陶瓷125拉伸参考传感器127的中心波长，当参考传感器127和放置在目标之上的布拉格光纤光栅传感器11两者的中心波长相同时，光电流信号处于极值状态，从而能推算出布拉格光纤光栅传感器的中心波长变化量，进而推算出待监测结构的健康程度；

所述驱动电源126提供工作电压来驱动压电陶瓷125发生形变，从而扩展参考传感器127的波长范围；该驱动电源126可以调节电压输出值，实现目标驱动电压的输出；逐级调节该驱动电压的大小，当输出电流信号处于极值时，记录下该驱动电压，再根据压电陶瓷125形变量与参考传感器127中心波长漂移量的大小，得出该待测结构处的健康状况。

进一步地，所述光纤耦合器122使宽带光源121与布拉格光纤光栅传感器11以及参考传感器127连接；将宽带光源的光入射到布拉格光纤光栅传感器11上，并将布拉格光纤光栅传感器反射的光信号传递至参考传感器127上，经过该参考传感器127上的光信号再经过后续的放大电路124进行信号放大。

进一步地，所述驱动电源126在布拉格光纤光栅传感器11的中心波长分辨率以及中心波长变换范围内，在已知参考传感器127初始中心波长以及压电陶瓷125在驱动电压下带动参考传感器中心波长的关系之后，确定驱动电源126的最大值和最小值以及最小变化值，驱动电源126将驱动电压从最小值逐步上升到最大值的过程中，根据输出的电信号的情况，来确定参考传感器127和布拉格光纤光栅传感器11中心波长一致时所对应的驱动电压，从而推算出待监测结构上的健康程度。

进一步地，所述解调装置12能连接多个布拉格光纤光栅传感器11，以实现波分复用，多个布拉格光纤光栅传感器11具有不同的布拉格波长，而宽带光源121能够覆盖这些监测布拉格光纤光栅传感器11的中心波长范围；对应的，光电二极管123输出的是多个布拉格光纤光栅传感器11的反射光叠加信号转换后的光电流。

进一步地，所述多个布拉格光纤光栅传感器11的初始中心波长确定的条件下，在调节驱动电压的过程中可以得出测得多个极值的电流信号，从而推算出每个参考传感器127的中心波长变化程度，从而推算出不同位置的布拉格光纤光栅传感器11所对应的结构的健康程度。

进一步地，所述解调装置12还能连接数据处理模块以及无线通信模块，能将待监测结构处的健康情况经数据处理模块处理后，再通过线通信模块发送至服务器或者用户终端，实现实时的对目标结构进行结构健康检测。

本实用新型有益效果是：本实用新型结合光纤布拉格光栅传感器使用，具有体积小、使用方便、价格低及维护方便的优点。工作时，宽带光源的光入射到目标结构上的布拉格光纤光栅传感器之后，其反射光会射入到参考传感器之上，该参考传感器之上的信号再经过光电二极管将光信号转换成电信号，然后通过调节驱动电源施加在压电陶瓷上电压的大小，便可以拉伸参考传感器的波长，当参考传感器的波长和目标结构上的布拉格光纤光栅传感器的中心波长一致时，并结合目标结构上布拉格光纤光栅传感器和参考传感器两个传感器的初始中心波长、以及驱动电压所对应的参考传感器中心波长漂移量便可以推算出目标结构(比如钢建筑结构)的健康程度。

本实用新型将光纤布拉格光栅传感器和设计的解调装置结合使用，通过驱动电源来带动压电陶瓷发生较大的形变，进而带动参考传感器中心波长发生较大变化，从而扩展测量范围，且该驱动电源能够精准的控制输出电压，从而提高光纤布拉格光栅的中心波长分辨率，进而满足大型结构健康监测需求。本实用新型具有广阔应用前景。

附图说明

图1为本实用新型应用的设备结构框图。

图2为驱动电源拉伸参考传感器中心波长发生漂移的流程示意图。

图3为本实用新型的扩展应用示意图。

图中标号：11是放置在待监测结构上的布拉格光纤光栅传感器；12是解调装置系统，121是宽带光源，122是光纤耦合器，123是光电二极管，124是放大电路，125是压电陶瓷，126是驱动电源，127是参考传感器；301是放置在待监测结构上的布拉格光纤光栅传感器，302是解调装置系统，303是数据处理模块，304是无线通信模块，305是服务器，306是用户终端。

具体实施方式

图1所示，一种基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测装置，采用布拉格光纤光栅传感器11和解调装置12作为结构健康检测的设备，解调装置包括宽带光源121、光纤耦合器122、光电二极管123、信号放大电路124、压电陶瓷125、驱动电源126、参考传感器(FBG0)127。

图2所示，基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测装置的流程如下。

步骤A：将布拉格光纤光栅传感器11放置在待监测目标建筑上，当待检测目标建筑发生较大应变损坏时，传感器11中心波长发生同步较大变化。

步骤B：宽带光源121为光布拉格光纤光栅传感器11和解调装置12提供工作光谱，且该工作光谱在布拉格光纤光栅传感器11的工作波段内。

步骤C：参考传感器127经光电二极管123和待测目标建筑上的布拉格光纤光栅传感器11进行光耦连接，光电二极管123接收布拉格光纤光栅传感器11的返回信号并输出到信号放大电路124进行处理。

步骤D：压电陶瓷125拉伸参考传感器127的中心波长，当参考传感器127和放置在目标建筑物之上的布拉格光纤光栅传感器11两者的中心波长相同时，此时光电流信号处于极值状态，从而能推算出布拉格光纤光栅传感器11的中心波长变化量，进而推算出待监测结构的健康程度；

其中，驱动电源126提供工作电压来驱动压电陶瓷125发生形变，从而扩展参考传感器127的波长范围，通过逐级调节该驱动电压的大小，当输出电流信号处于极值时记录下该驱动电压，再根据压电陶瓷127形变量与参考传感器123中心波长漂移量的大小便可以得出该待测结构(比如桥梁、飞机机翼、火炮系统、大楼、水坝)处的健康状况。

图1、2所示，宽带光源121连有光纤耦合器122，光纤耦合器122主要起到使宽带光源121能连接布拉格光纤光栅传感器11以及参考传感器127的作用，将宽带光源121的光入射到布拉格光纤光栅传感器11上，并可将布拉格光纤光栅传感器11反射的光信号传递至参考传感器127上，经过该参考传感器127上的光信号再通过后续的放大电路124进行放大。

驱动电源126还能在布拉格光纤光栅传感器11的中心波长分辨率以及中心波长变换范围内，在已知参考传感器127初始中心波长以及压电陶瓷125在驱动电压下带动参考传感器127中心波长的关系之后，确定驱动电源的最大值和最小值以及最小变化值，驱动电源126将驱动电压从最小值逐步上升到最大值的过程中，根据输出的电信号的情况，来确定参考传感器和布拉格光纤光栅传感器11中心波长一致时所对应的驱动电压，从而推算出待监测结构上的健康程度。

解调装置12能连接多个布拉格光纤光栅传感器11，以实现波分复用，多个布拉格光纤光栅传感器11具有不同的布拉格波长，宽带光源121能够覆盖这些布拉格光纤光栅传感器11的中心波长范围，对应的，光电二极管123输出的是多个布拉格光纤光栅传感器11的反射光叠加信号转换后的光电流。多个布拉格光纤光栅传感器11的初始中心波长确定的条件下，在调节驱动电压的过程中可以得出测得多个极值的电流信号，从而推算出每个参考传感器127的中心波长变化程度，进而得出不同位置的布拉格光纤光栅传感器11所对应的结构的健康程度。图2中，FBG1～FBGn代表多个布拉格光纤光栅传感器11。

解调装置302还能连接数据处理模块303以及无线通信模块304，能将待监测结构处的健康情况经数据处理模块303处理后，再通过线通信模块304发送至服务器305或者用户终端306，实现实时的对目标结构进行结构健康检测。参见图3所示。图3中，FBG1～FBGn代表多个布拉格光纤光栅传感器301。

为了清楚解释本实用新型，对于一些功能做代表性说明。宽带光源121的ASE光源工作在布拉格光纤光栅传感器11工作的波段范围内，且其输出光功率的矩形频谱很稳定，假设功率密度为一常数P₀，P₀为总功率除以波长范围。根据FBG(布拉格光纤光栅传感器)的特性，FBG的反射光谱可近似由高斯函数表示，其具体值如下式：

式中，A_f是反射谱的幅值，B_G是反射谱的3dB带宽，λ_B是FBG的中心波长，为一个确定的值，λ是波长；(2)式表示不同的波长λ对应不同的反射光谱光强。考虑到光纤耦合器的耦合比是50/50，因此这里从待测光纤光栅反射到参考传感器的光功率分布如下式所示：

其中，R₁(λ)如下式(4)所示：

式中，A_r1为放置在待检测结构上的光纤布拉格光栅传感器的反射谱的幅值，B_GT是该反射谱的3dB带宽，λ_BT是该FBG的中心波长。经过参考传感器127后透射的功率如下式所示：

式中，A_r是参考传感器反射谱的幅值，B_GM是该反射谱的3dB带宽，λ_BM是参考传感器的中心波长。给压电陶瓷125施加电压之后，参考传感器127的中心波长漂移量如下式(6)所示：

Δλ_BM＝K·x (6)

式中，K是应变传递系数，x是基体的位移变化量。

经过参考传感器127后的光会经过光电二极管123转换成电流信号，对于常规的InGaAs光电二极管来说，在该范围内其光电响应值R_R(λ)可近似为一常数，记为R₀。于是在宽带光源工作的范围内，其响应电流之和如下式所示：

式中，λ₁为ASE光源输出的波段中的最小值，λ₂为ASE光源输出的波段的最大值。

当参考传感器的中心波长发生变化时，令：

y＝λ_BM+K·x (8)

于是有：

式中，

对于光纤布拉格光栅传感器11来说，其反射谱波长带宽通常为100nm到500nm，宽带光源的带宽远远大于光纤光栅的带宽，因此可以将光纤光栅在反射谱内将入射光视为恒定，根据定积分公式：

于是有：

由式(14)可知，当参考传感器和待测结构上的传感器中心波长一样时，其产生的电流强度是最小的。

对于使用多个待测光纤布拉格光栅传感器的情况，这里以使用两个光纤光栅的情况进行分析，此时总的电流输出如下式(15)所示：

其中：

由式(18)所示，当参考传感器127的中心波长逐渐变化，到参考传感器的中心波长和待测结构上的一致时，会输出一个极小值。因此可以通过压电陶瓷上驱动电压以及与之对应的匹配光栅波长的变化来推出待测结构上传感器的波长变化值。

图2示出了本实用新型的驱动电源拉伸参考传感器中心波长发生漂移的流程示意。本实施例提供的上述控制方法，包括：

步骤201：首先逐渐改变驱动电源的输出电压，在该电压作用下压电陶瓷会发生逆压电效应从而发生形变；

步骤202：在每一次施加一个电压的过程中，光电二极管都会实时输出一个电信号值，根据电信号值的结果，记录下电信号值处于极值情况下的输出电压；

步骤203：再根据输出电压与压电陶瓷位移量之间的关系以及待监测结构上的光纤布拉格光栅传感器和参考传感器的初始中心波长数据之后；

步骤204：便可以计算出待检测结构处的健康情况。

图3示出了根据本实用新型的应用示意图。如图3所示，在通常情况下会对多个建筑物的结构进行监测或者对同一建筑的多个部分进行测量，301为放置在待测结构的光纤布拉格光栅传感器，当FBG解调系统302解调出数据之后，再经过数据处理模块303处理好数据之后，可以通过无线通信模块304将该解调数据的结果发送到服务器305之上，该服务器的数据会进一步发送到用户终端306上，进而满足实际的监测需求。

本领域的技术人员可以理解，上述桥梁、飞机机翼、火炮系统、大楼、水坝只是本实用新型提供的一些实施例，而非用于限制本实用新型的保护范围，在其他实施例中，本领域的技术人员也可以根据本实用新型的构思，将光纤布拉格光栅传感器11设置于其他需要监测的结构上，以实现对目标结构的监测效果。扩展应用架构只是一种非限制性的实施例，旨在清楚地展示本实用新型的主要构思，并提供一种便于公众实施的具体方案，而非用于限制本实用新型的保护范围，在实际的实施例中，本领域的技术人员可以基于图3的构思，对该监测应用架构进行适当的修改，以满足实际的工作需求。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征及本实用新型的优点，对于本领域技术人员而言，显然本实用新型限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。

Claims (6)

1.一种基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测装置，其特征在于，在采用布拉格光纤光栅传感器（11）作为结构健康检测的设备的基础上，配置解调装置（12）；所述解调装置（12）包括宽带光源（121）、光纤耦合器（122）、光电二极管（123）、信号放大电路（124），压电陶瓷（125），驱动电源（126），参考传感器（127）；其中，宽带光源（121）依次与光纤耦合器（122）、参考传感器（127）、压电陶瓷（125）、驱动电源（126）连接；参考传感器（127）依次连接光电二极管（123）、信号放大电路（124）；光纤耦合器（122）与布拉格光纤光栅传感器（11）连接。

2.根据权利要求1所述的基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测装置，其特征在于：

所述布拉格光纤光栅传感器（11）放置在待监测目标上，当待检测目标发生应变而发生损坏时，布拉格光纤光栅传感器中心波长发生同步变化；

所述宽带光源（121）为布拉格光纤光栅传感器和解调装置提供工作光谱，且该工作光谱在布拉格光纤光栅传感器的工作波段内；

所述参考传感器（127）经光电二极管（123）和待测目标上的布拉格光纤光栅传感器（11）由光纤耦合器（122）进行光耦连接，光电二极管（123）接收布拉格光纤光栅传感器（11）的返回信号并输出到信号放大电路（124）进行放大处理；

所述压电陶瓷（125）用于拉伸参考传感器（127）的中心波长，当参考传感器（127）和放置在目标之上的布拉格光纤光栅传感器（11）两者的中心波长相同时，光电流信号处于极值状态，从而推算出布拉格光纤光栅传感器的中心波长变化量，进而推算出待监测结构的健康程度；

所述驱动电源（126）提供工作电压来驱动压电陶瓷（125）发生形变，从而扩展参考传感器（127）的波长范围；该驱动电源（126）可以调节电压输出值，实现目标驱动电压的输出。

3.根据权利要求1所述的基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测装置，其特征在于，所述光纤耦合器（122）将宽带光源（121）与布拉格光纤光栅传感器（11）以及参考传感器（127）连接；将宽带光源（121）的光入射到布拉格光纤光栅传感器（11）上，并将布拉格光纤光栅传感器反射的光信号传递至参考传感器（127）上，经过该参考传感器（127）上的光信号再经过后续的放大电路（124）进行信号放大。

4.根据权利要求3所述的基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测装置，其特征在于，所述驱动电源（126）能在布拉格光纤光栅传感器（11）的中心波长分辨率以及中心波长变换范围内。

5.根据权利要求4所述的基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测装置，其特征在于，所述解调装置（12）连接有多个布拉格光纤光栅传感器（11），以实现波分复用；多个布拉格光纤光栅传感器（11）具有不同的布拉格波长，而宽带光源（121）能够覆盖多个监测布拉格光纤光栅传感器（11）的中心波长范围；对应的，光电二极管（123）输出的是多个布拉格光纤光栅传感器（11）的反射光叠加信号转换后的光电流。

6.根据权利要求1-5之一所述的基于布拉格光纤光栅传感器的结构健康检测装置，其特征在于，所述解调装置（12）还连接数据处理模块以及无线通信模块。

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