基于布拉格光栅和光学fmcw干涉仪的具有温度补偿的多点应变传感
(一)技术领域
1.本发明涉及的是基于布拉格光栅和光学fmcw干涉仪的具有温度补偿 的多点应变传感，可用于准分布应变的实时监测与测量，属于光纤传感技术领域。
(二)
背景技术：2.光纤应变传感器由于具有抗电磁和辐射、小型化、耐高温和腐蚀等优异性能，能够 在众多传感技术中脱颖而出，具有极大的发展前景。应变测量在航空领域、船舶工程、桥梁 测量等结构健康监测方面充当了重要的作用。近年来fbg测量技术发展迅速，在各种光纤应 变传感器中，利用fbg测量应变具有高灵敏度和快速的响应时间，再加上它的复用能力强、 成本低的特点使它在工程领域备受青睐，但是在实际的工程中使用fbg测量应变的同时，光 栅的中心波长很容易受到外部环境温度的影响，为了提高应变的测量准确度，通过级联fbg 的方法实现对温度和应变的分离，从而实现具有温度补偿的应变测量。但是fbg只能在指定 的位置进行测量，并且随着fbg的复用数量增加时，对光源的光谱范围要求很宽，同时无法 清晰的分辨应变发生的具体位置。
3.将雷达领域的fmcw干涉技术应用于光学中可解决以上问题。光学fmcw干涉技 术，又称作光频域反射技术(ofdr)，该技术通过检测背向瑞利散射获取光纤链路上的位 置信息,弥补fbg的缺点的同时使测量精度和可靠性也得到保证。近年来，有很多研究人员 采用光纤光栅和ofdr技术的结合对应变进行了研究。
4.文献“chan p k c,jin w,lau k t,et al.multi-point strain measurement ofcomposite-bonded concrete materials with a rf-band fmcw multiplexed fbg sensor array[j]. sensors andactuators a:physical,2000,87(1-2):19-25”提出一种基于光纤布拉格光栅(fbg)和 fmcw技术复用的应变测量传感系统，并用此系统对复合钢筋和混凝土梁的表面之间的应变 力进行了测量。该系统采用峰值波长约为1558nm的掺铒光纤宽带光源，通过使用vco驱动 的集成光调制器通过58至99mhz的三角扫频载波以5khz重复频率实现光强度调制，虽考 虑到传感器具有大约10pm/℃的温度依赖性，却没有进行温度补偿，且该系统只是三传感器 系统，应变测量点较少。
[0005]
文献“lauk,chan c,zhou l,et al.strainmonitoring incomposite-strengthenedconcretestructures using optical fiber sensors[j].composites part b:engineering,2001,32(1):33-45.”再次 对该系统进行实验，将fbg拓展至n个，但仍是在恒温环境中进行实验，传感器仍不具备 温度补偿功能。
[0006]
文献“zhu m,murayama h,wada d,et al.dependence ofmeasurement accuracy on thebirefringence of panda fiber bragg gratings in distributed simultaneous strain and temperaturesensing[j].optics express,2017,25(4):4000-4017.”研究了使用保偏光纤布拉格光栅 (panda_fbgs)的分布式应变和温度传感器的测量精度与双折射关系，验证了把 panda_fbgs与ofdr相结合实现分布式测量的可行性
计算机7的输入端连接。本发明中扫频激光器1，扫频范围为1516～1564nm，δf＝6.25thz,扫 频速率为40.01nm/s(5thz/s)，输出功率为8mw，该激光器线宽为1.5mhz。
[0017]
所述辅助干涉装置3包括光耦合器31-32，延迟光纤33和平衡光电探测器34，光耦 合器2传入辅助干涉装置3的信号依次经过光耦合器31、延迟光纤33、光耦合器32和平衡 光电探测器34后传入数据采集卡6。
[0018]
所述主干涉装置4包括光耦合器41-42，偏振控制器43、三端口光纤环形器44和平 衡光电探测器45，光耦合器2传入主干涉装置4的信号传入光耦合器41，分为两路后分别接 偏振控制器43、三端口光纤环形器44，偏振控制器43、三端口光纤环形器44通过光耦合器 42合为一路后接平衡光电探测器45。
[0019]
所述复用装置5包括光耦合器51-1、51-2
……
51-m，共m个，fbg传感器52-1、 52-2
……
52-n，共n个，n为偶数且m＝n-1，fbg每两个一组，呈串联关系，共n/2组，每 组之间为并联关系。
[0020]
本发明还公开了基于级联布拉格光栅和光学fmcw干涉技术多点应变传感系统的测 量方法，包括以下方面：
[0021]
(1)理论分析：激光器输出的光信号经光耦合器分开接入带有偏振控制器的参考臂和 带有三端口环形器的测试臂，复用装置的输入端接三端口环形器，两个反向传输的光束之间 的模式耦合发生在fbg共振波长：
[0022]
λ
bragg
＝2n
eff
λ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0023]
其中n
eff
为纤芯的有效折射率，λ为fbg的空间周期，λ
bragg
为布拉格波长。布拉格 波长的变化只与有效折射率和周期成正比。而当光栅的外部环境(例如温度和应变)发生变 化时，会改变有效折射率和光栅的周期，从而引起光栅的共振波长发生偏移。对应的波长偏 移量可以表现为：
[0024][0025]
其中δε表示的是光纤所受到的轴向应变量，δt表示的是光纤所受到的温度变化量，ρe为光纤的弹光系数，αf和ξf分别表示的是光纤的热光系数和热膨胀系数。
[0026]
(2)空间分辨率研究：光纤链路上定位精度与其他参数的关系为：
[0027][0028]
其中，δa表示空间分辨率，c表示光在真空中传播速度，n
eff
代表纤芯的有效折射率， fs表示扫频频率宽度。
[0029]
优选的，在本发明中纤芯的有效折射率为1.46，本发明使用1000点移动平均滤波， 得到空间分辨率为17.12mm。
[0030]
(3)布拉格光栅复用数量研究：
[0031][0032]
其中，n表示布拉格光栅可复用数量，l表示最大传感距离，δa代表空间分辨率。
[0033]
优选的，在本发明中传感距离为100m。
[0034]
优选的，在本发明中，复用装置的fbg复用数量可拓展，最大传感距离为100m， 空间分辨率为17.12mm，布拉格光栅可复用数量为5840个，复用组数最大为2920组。
40.01nm/s(5thz/s)，输出功率为8mw，该激光器线宽为1.5mhz。
[0049]
本发明中采样带宽为125mhz，采样频率为4.55ms/s，对应的采样时间间隔为20ms。
[0050]
辅助干涉装置3的耦合器2传入辅助干涉装置3的信号依次经过光耦合器31、延迟 光纤33、光耦合器32和平衡光电探测器34后传入数据采集卡6，光耦合器31-32分光比为 50：50。
[0051]
本发明中光耦合器2的分光比为10：90，光耦合器31-32分光比为50：50，平衡光 电探测器34的采集范围为1200～1700nm，带宽为400mhz。
[0052]
主干涉仪装置4的光耦合器2传入主干涉装置4的信号传入光耦合器41，分为两路 后分别接偏振控制器43、三端口光纤环形器44，偏振控制器43、三端口光纤环形器44通过 光耦合器42合为一路后接平衡光电探测器45。
[0053]
本发明中平衡光电探测器45的采集范围为1200～1700nm，带宽为400mhz，光耦合 器41的分光比为1：99，光耦合器42的分光比为50：50。
[0054]
本发明中光耦合器51-1、51-2
……
51-m分光比为50：50。
[0055]
实施例：对总长16m的光纤尾端进行处理，分别在5.2112m、5.7221m、10.0136m、 10.5245m、12.3638m、13.0752m放置一个布拉格光栅，每个布拉格光栅为一个测量单元、相 近的两个测量单元组成一个传感通道。每组传感器放置在恒温槽中，以10℃为步进，从30℃ 到90℃测量两个测量单元对温度的敏感性能，测得六个测量单元对温度的敏感度分别为 10.28pm/℃、10.12pm/℃、9.88pm/℃、10.36pm/℃、10.21pm/℃和10.23pm/℃，平均灵敏度 为10.18pm/℃。
[0056]
本发明中测量应变，保持环境温度20℃不变，对测量单元施加应变间隔为1000με 从0με到7000με的应变量。作为应变传感单元，fbg2、fbg4和fbg6的灵敏度分别为1.163pm/με、1.001pm/με以及1.076pm/με，平均灵敏度为1.08pm/με，而温度传感单元fbg1、 fbg3和fbg5对应变不敏感。
[0057]
本发明在温度为20℃，应变为5000με的条件下，进行了20次重复实验，分别对每 次应变测量的数据进行解调，20次应变测量的均方根小于17.97pm，相当于18με的偏移量， 因此可以认定应变测量的灵敏度为18με。所搭建的多点应变测量系统的稳定性和准确性是很 高的。
技术特征：1.基于布拉格光栅和光学fmcw干涉仪的具有温度补偿的多点应变传感，包括扫频激光器1、光耦合器2、辅助干涉装置3、主干涉装置4、复用装置5、数据采集卡6和数据处理计算机7，其特征是：所述扫频激光器1的两个输出端分别和光耦合器2以及数据处理计算机7连接，光耦合器2的两个端口分别与辅助干涉装置3和主干涉装置4连接，主干涉装置4通过三端口光纤环形器与复用装置5连接，辅助干涉装置3和主干涉装置4的输出端与数据采集卡6的输入端连接，数据采集卡6的输出端与数据处理计算机7的输入端连接，扫频激光器1的扫频范围为1515～1565nm，δf＝6.25thz,扫频速率为40.01nm/s，输出功率为8mw，该激光器线宽为1.5mhz。2.根据权利要求1所述的基于级联布拉格光栅和光学fmcw干涉仪的具有温度补偿的多点应变传感测量系统中所采用的主干涉仪装置，其特征是：该部分包括光耦合器41-42、偏振控制器43、三端口光纤环形器44和平衡光电探测器45，光耦合器2传入主干涉装置4的信号传入光耦合器41，分为两路后分别接偏振控制器43和三端口光纤环形器44，偏振控制器43与三端口光纤环形器44通过光耦合器42合为一路后接平衡光电探测器45。3.根据权利要求1所述的基于级联布拉格光栅和光学fmcw干涉仪的具有温度补偿的多点应变传感测量系统，其特征是：应变测量带有温度补偿功能，且补偿后灵敏度为18με。4.根据权利要求1所述的基于级联布拉格光栅和光学fmcw干涉仪的具有温度补偿的多点应变传感测量系统中所采用的辅助干涉仪装置，其特征是：光耦合器2传入辅助干涉装置3的信号依次经过光耦合器31、延迟光纤33、光耦合器32和平衡光电探测器34后传入数据采集卡6。5.根据权利要求1所述的基于级联布拉格光栅和光学fmcw干涉仪的具有温度补偿的多点应变传感测量系统，其特征是：最大传感距离为100m，最大空间分辨率为17.12mm。6.根据权利要求1所述的基于级联布拉格光栅和光学fmcw干涉仪的具有温度补偿的多点应变传感测量系统，其特征是：温度测量范围0℃～200℃，应变测量范围为0～15000με，实现了温度和应变同时测量。7.根据权利要求1所述的基于级联布拉格光栅和光学fmcw干涉仪的具有温度补偿的多点应变传感测量系统中所采用的fbg复用装置，其特征是：包括光耦合器51-1、51-2
……
51-m，共m个，fbg传感器52-1、52-2
……
52-n，共n个，n为偶数且m＝n-1，fbg每两个一组，呈串联关系，共n/2组，每组之间为并联关系，n最大为5840。
技术总结本发明提供的是基于布拉格光栅和光学FMCW干涉仪的具有温度补偿的多点应变传感。其特征是：它由扫频激光器1、光耦合器2、辅助干涉装置3、主干涉装置4、复用装置5、数据采集卡6和数据处理计算机7组成。本发明可用于温度补偿后多点准分布应变的实时监测与测量，可广泛用于航空领域、船舶工程、桥梁测量等结构健康监测。测。测。
技术研发人员：成煜 高起超 冯智宇 苑立波 陈明
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：2022.05.16
技术公布日：2022/11/1
