一种光频域反射中用薄包层光纤提高应变测量灵敏度方法

摘要

本发明公开了一种光频域反射中用薄包层光纤提高应变测量灵敏度方法，该方法是基于光频域反射中单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变测量，当采用较小直径包层的光纤即细径光纤作为传感光纤时，光纤瑞利散射光谱移动量与应变量比值即应变传感灵敏度有显著提高。实现了在同样空间分辨率的条件下，可测量更小应变值的效果。

权利要求

1.一种光频域反射中用薄包层光纤提高应变测量灵敏度方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)在主干涉仪中由薄包层的光纤即细径光纤背向瑞利散射形成拍频干涉信号，并对这拍频干涉信号分别进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到对应细径光纤中各个位置的距离域信息，对距离域信息通过一定宽度的移动窗依次选取细径光纤的各个位置形成本地距离域信息；

(2)参考信号和测量信号都利用移动窗选取细径光纤的本地距离域信息，将其利用复数傅里叶反变换再转换到光频域得到参考信号和测量信号的本地光频域信息；

(3)参考信号和测量信号的本地光频域信息，利用互相关运算对参考信号和测量信号的本地光频域信息进行频移估计，互相关峰移动量反映瑞利散射光谱频移，瑞利散射光谱频移与应变量成正比，通过互相关峰移动量即反映应变量；

在光频域反射中单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变测量，当采用较小直径包层的光纤即细径光纤作为传感光纤时，光纤瑞利散射光谱移动量与应变量比值即应变传感灵敏度较普通通讯光纤有显著提高；

其中，采用包层直径小的光纤作为细径光纤，可达到提高应变测量灵敏度的效果；

所述细径光纤的包层直径为80微米；加涂覆层为160微米；y＝0.1483x，x为应变，单位为微应变；y为频移，单位为GHz；本方法实现了在同样空间分辨率的条件下，可测量更小应变值的效果。

说明书

一种光频域反射中用薄包层光纤提高应变测量灵敏度方法

技术领域

[0001] 本发明涉及分布式光纤传感仪器技术领域，尤其涉及一种光频域反射中利用不同包层直径光纤提高应变测量灵敏度方法。

背景技术

[0002] 高精度高空间分辨率的分布式应变传感广泛应用于民生、国防安全等多个领域中，如飞行器、航天器、船舶、国防装备、工业设备、桥梁涵洞等重点部位的结构健康监控，利用光频域反射中单模光纤瑞利散射光谱移动可实现高精度高空间分辨率的分布式应变传感。这种方法采用普通单模通讯光纤为传感光纤，其包层直径为125微米，加涂覆层层直径为250微米。但这种采用普通单模光纤作为传感光纤应变传感灵敏度不高，需要牺牲空间分辨率来提高可测量的最小应变值。

发明内容

[0003] 本发明提供了一种光频域反射中利用薄包层直径光纤提高应变测量灵敏度方法，本发明克服现有普通单模光纤作为传感光纤应变传感灵敏度不高的问题，提出采用较小直径包层的光纤即细径光纤作为传感光纤的方法，实现在同样空间分辨率的条件下，可测量更小应变值，详见下文描述：

[0004] 当光纤受到一个给定轴向应力P，两种不同直径光纤感受到的应变Δεi可以分别表示为：

[0005]

[0006] 其中Ai为两种不用包层光纤的截面积，E为光纤的杨氏模量。还可得下面关系：

[0007] Δε1/Δε2＝A2/A1.

[0008] 从上面关系可以看出，光纤感受的应变量与光纤的截面积成反比，采用较小包层直径的光纤会提高应变测量的灵敏度。本光纤传感原理是通过光频域反射中测量光纤中瑞利散射光谱移动进行应变测量，其中光纤中瑞利散射光谱移动与应变值成正比。光纤贴附到待测材料表面，待测材料发生形变(应变)会施加在光纤一个轴向应力。根据上面的数学表达式，较小包层直径的光纤会感受到更大的光纤自身应变，这样提高了对材料发生应变测量的灵敏度。

[0009] 一种光频域反射中用薄包层光纤提高应变测量灵敏度方法，所述方法包括以下步骤：

[0010] (1)在主干涉仪中由薄包层的光纤即细径光纤背向瑞利散射形成拍频干涉信号，并对这拍频干涉信号分别进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到对应细径光纤中各个位置的距离域信息，对距离域信息通过一定宽度的移动窗依次选取细径光纤的各个位置形成本地距离域信息；

[0011] (2)参考信号和测量信号都利用移动窗选取细径光纤的本地距离域信息，将其利用复数傅里叶反变换再转换到光频域得到参考信号和测量信号的本地光频域信息；

[0012] (3)参考信号和测量信号的本地光频域信息，利用互相关运算对参考信号和测量信号的本地光频域信息进行频移估计，互相关峰移动量反映瑞利散射光谱频移，瑞利散射光谱频移与应变量成正比，通过互相关峰移动量即反映应变量；

[0013] 在光频域反射中单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变测量，当采用较小直径包层的光纤即细径光纤作为传感光纤时，光纤瑞利散射光谱移动量与应变量比值即应变传感灵敏度较普通通讯光纤有显著提高。

[0014] 所述细径光纤为包层直径为80微米。

[0015] 本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明提供的采用较小直径包层的光纤即细径光纤作为传感光纤时，光纤瑞利散射光谱移动量与应变量比值即应变传感灵敏度较普通通讯光光纤(包层直径为125微米)有显著提高。实现了在同样空间分辨率的条件下，可测量更小应变值的效果。

附图说明

[0016] 图1是一种基于光频域反射中光纤瑞利散射光谱移动应变传感的解调方法的流程图；

[0017] 图2是一种基于光频域反射中光纤瑞利散射光谱移动应变传感装置示意图；

[0018] 图3是传感光纤为包层直径125微米普通单模光纤、和包层直径为80微米细径光纤应变传感灵敏度对比图。

[0019] 附图中，各标号所代表的部件列表如下：

[0020] 1：可调谐激光器；                   4：1:99光分束器；

[0021] 11：计算机；                        21：调谐信号控制模块；

[0022] 24：基于辅助干涉仪的时钟触发系统；  25：主干涉仪；

[0023] 2：探测器；                         5：第一50:50耦合器；

[0024] 6：时钟整形电路模块；               7：延迟光纤；

[0025] 8：第一法拉第转镜；                 9：第二法拉第转镜；

[0026] 10：隔离器；                        3：50:50分束器；

[0027] 12：偏振控制器；                    13：环形器；

[0028] 14：第二50:50耦合器；               15：细径光纤；

[0029] 16：第一偏振分束器；                17：第二偏振分束器；

[0030] 18：第一平衡探测器；                19：第二平衡探测器；

[0031] 20：采集装置；                      21：GPIB控制模块；

[0032] 22：参考臂；                        23：测试臂。

具体实施方式

[0033] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

[0034] 一种光频域反射中用薄包层光纤提高应变测量灵敏度方法，参见图1和图2，该应变测量灵敏度方法具体包括以下步骤：

[0035] (1)在主干涉仪25中由较小直径包层的光纤即细径光纤15背向瑞利散射形成拍频干涉信号(偏振分束器两路信号加和)，并对这拍频干涉信号(光频域信息)分别进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到对应细径光纤15中各个位置的距离域信息，对距离域信息通过一定宽度的移动窗依次选取细径光纤15中的各个位置形成本地距离域信息；其中本地距离域信息信号长度就是移动窗宽度，

[0036] 其中，上述操作进行两次，一次为细径光纤15上没有应变作为参考信号，另一次为细径光纤15上施加应变作为测量信号。

[0037] (2)参考信号和测量信号都利用移动窗选取细径光纤15的本地距离域信息，将其利用复数傅里叶反变换再转换到光频域得到参考信号和测量信号的本地光频域信息。

[0038] (3)参考信号和测量信号的本地光频域信息，利用互相关运算对参考信号和测量信号的本地光频域信息进行频移估计，互相关峰移动量反映瑞利散射光谱频移，瑞利散射光谱频移与应变量成正比，通过互相关峰移动量即反映应变量。

[0039] 其中，本发明实施例中应用到的应变传感装置，如图2所示。该应变传感装置包括：可调谐激光器1、1:99光分束器4、计算机11、GPIB控制模块21、基于辅助干涉仪的时钟触发系统24、主干涉仪25。

[0040] 基于辅助干涉仪的时钟触发系统24包括：探测器2、第一50:50耦合器5、时钟倍频电路模块6、延迟光纤7、第一法拉第转镜8、第二法拉第转镜9和隔离器10。基于辅助干涉仪的时钟触发系统24用于实现等光频间距采样，其目的是抑制光源的非线性扫描。

[0041] 主干涉仪25包括：50:50分束器3、偏振控制器12、环形器13、第二50:50耦合器14、细径光纤15、第一偏振分束器16、第二偏振分束器17、第一平衡探测器18、第二平衡探测器19、采集装置20、参考臂22和测试臂23。主干涉仪25是光频域反射仪的核心，其为改进型马赫泽德干涉仪。

[0042] GPIB控制模块21输入端与计算机11相连；GPIB控制模块21输出端与可调谐激光器1相连；可调谐激光器1与1:99光分束器4的a端口相连；1:99光分束器4的b端口与隔离器10的一端相连；1:99光分束器4的c端口与50:50分束器3的a端口相连；隔离器10的另一端与相连第一50:50耦合器5的b端口相连；第一50:50耦合器5的a端口与探测器2的一端相连；第一
50:50耦合器5的c端口与第一法拉第转镜8相连；第一50:50耦合器5的d端口通过延迟光纤7与第二法拉第转镜9相连；探测器2的另一端与时钟倍频电路模块6的输入端相连；时钟整形电路模块6的输出端与采集装置20的输入端相连；50:50分束器3的b端口通过参考臂22与偏振控制器12的输入端相连；50:50分束器3的c端口通过测试臂23与环形器13的a端口相连；
偏振控制器12的输出端与第二50:50耦合器14的a端口相连；环形器13的b端口与第二50:50耦合器14的b端口相连；环形器13的c端口与细径光纤15相连；第二50:50耦合器14的c端口与第一偏振分束器16的输入端相连；第二50:50耦合器14的d端口与第二偏振分束器17的输入端相连；第一偏振分束器16的输出端分别与第一平衡探测器18的输入端、第二平衡探测器19的输入端相连；第二偏振分束器17的输出端分别与第一平衡探测器18的输入端、第二平衡探测器19的输入端相连；第一平衡探测器18的输出端与采集装置20的输入端相连；第二平衡探测器19的输出端与采集装置20的输入端相连；采集装置20的输出端与计算机11相连。

[0043] 装置工作时，计算机11通过GPIB控制模块21控制可调谐激光器1控制调谐速度、中心波长、调谐启动等；可调谐激光器1的出射光由1:99光分束器4的a端口进入，并以1:99的比例从1:99光分束器4的b端口经过隔离器10进入第一50:50耦合器5的b端口，光从第一50:50耦合器5的b端口进入，从第一50:50耦合器5的c和d端口出射，分别被两臂的第一法拉第转镜8和第二法拉第转镜9反射，返回到第一50:50耦合器5的c、d端口，两束光在第一50:50耦合器5中发生干涉，从第一50:50耦合器5的a端口输出；第一50：50耦合5器从a端口的出射光进入探测器2，探测器2将探测到的光信号转换为干涉拍频信号传输至时钟整形模块6，时钟整形模块6干涉拍频信号整形为方波，整形后的信号传输至采集装置20，作为采集装置20的外部时钟信号。

[0044] 可调谐激光器1的出射光由1:99光分束器4的a端口进入，从1:99光分束器4的c端口进入50:50分束器3的a端口；经过50：50分束器3从b端口进入参考臂22中的偏振控制器12，从c端口进入测试臂23上的环行器13的a端口；光从环行器13的a端口进入，从环行器13的c端口进入细径光纤15，而细径光纤的背向散射光从环行器13端口c端口进入，从环行器
13端口b端口输出；参考臂22中的偏振控制器12输出的参考光通过第二50:50耦合器14的a端口与环行器13上的背向散射光通过第二50:50耦合器14的b端口进形合束，形成拍频干涉并从第二50:50耦合器14的c端口和d端口输出至第一偏振分束器16和第一偏振分束器17，第一偏振分束器16和第一偏振分束器17通过第一平衡探测器18和第二平衡探测器19对应采集两个偏振分束器输出的正交方向的信号光，第一平衡探测器18和第二平衡探测器19将输出的模拟电信号传输至采集装置20，采集装置20在时钟整形模块6形成的外部时钟信号作用下将采集到的模拟电信号传输至计算机11。

[0045] GPIB控制模块21用于计算机11通过其控制可调谐激光器1。

[0046] 可调谐激光器1用于为光频域反射系统提供光源，，其光频能够进行线性扫描。

[0047] 隔离器10防止辅助干涉仪中第一50:50耦合器5的b端口的反射光进入激光器。

[0048] 第一50:50耦合器5用于光干涉。

[0049] 延迟光纤7用于实现非等臂的拍频干涉，能够根据拍频和延迟光纤长度得到光频。

[0050] 第一法拉第转镜8和第二法拉第转镜9用于为干涉仪提供反射，且能够消除干涉仪的偏振衰落现象。

[0051] 偏振控制器12作用是调节参考光偏振态，使其在偏振分束时两个正交方向上光强基本一致。

[0052] 第二50:50耦合器14完成对信号进行偏振分束，消除偏振衰落噪声的影响。

[0053] 计算机11：对采集装置20采集的干涉信号进行数据处理，实现基于光纤瑞利散射光谱移动量的分布式应变传感。

[0054] 本发明实施例使用细径光纤为包层直径为80微米，但对细径光纤的包层直径不做限制。由于传感光纤感受的应变大小与光纤截面积成反比，只要采用比普通通讯光光纤截面积小或包层直径小的光纤作为传感光纤，基于光频域反射中光纤瑞利散射光谱移动量的分布式应变传感方法灵敏度都会提高。

[0055] 参见图3，本发明验证实验为分别采用普通通讯光光纤(包层直径为125微米，加涂覆层为250微米)和细径单模光纤(包层直径为80微米，加涂覆层为160微米)作为传感光纤贴在等强度悬臂梁上，对悬臂梁施加不同重量砝码，则悬臂梁产生不同应变量。两种光纤应变灵敏度曲线显著提高。

[0056] 本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

[0057] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。