一种用于大型结构体准分布式光纤光栅温度应变测量系统

摘要

本发明提供一种用于大型结构体准分布式光纤光栅温度应变测量系统，包括：微光Sm125光纤光栅解调仪，单模光纤跳线，光开关，布拉格光纤光栅传感器，以太网线，工控计算机；本发明主要用于大型复杂结构体的应变监测，灵敏度高，响应速度快，覆盖面广，抗电磁干扰能力强。本发明充分利用光纤光栅波分复用、时分复用的特性组成大型网络；本发明的温度分辨率为0.1℃，应变分辨率为1με，具有较强的实用性。

说明书

技术领域

本发明属于光纤测量技术领域，具体涉及一种用于大型结构体准分布式光纤光栅温度应变测量系统。

背景技术

温度和应变测量是光纤传感技术中较为活跃的开发领域。传统的电阻应变片、热电偶存在难于安装、难于布线、难于维护等缺点，并且测量范围较小，线缆布置复杂，易受电磁干扰，系统可靠性较低。而使用准分布式光纤光栅是有效的方法，光信号在光纤中传播，本征不带电，系统安全简单，不受电磁干扰，与传统电传感器形成鲜明对比的是，传统一个传感器就需要三到四根电缆线完成信号传输，而光纤传感只需要一根单模光纤就可以携带几十乃至上百个传感器。

光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。目前，这种传感技术已经广泛应用于航空航天、化学医药、水利水电等领域。

现有的光纤光栅测温度应变传感器注重单个传感器本身特性，而没有组成大型网络对结构体进行全面检测。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种用于大型结构体准分布式光纤光栅温度应变测量系统，可以有效检测大型复杂结构体各点温度变化以及应变集中的部位。

本发明采用的技术方案为：一种用于大型结构体准分布式光纤光栅温度应变测量系统，所述测量系统包括：微光Sm125光纤光栅解调仪、单模光纤跳线、光开关、布拉格光纤光栅传感器、以太网线和工控计算机；其中单模光纤跳线连接微光Sm125光纤光栅解调仪的四个并行输出通道和光开关的输入通道，用以传输光信号；光开关的每个输出端均串联多个中心波长不同的布拉格光纤光栅传感器；以太网线连接微光Sm125光纤光栅解调仪和工控计算机，将电信号从微光Sm125光纤光栅解调仪传输至工控计算机，最终由工控计算机计算解调得出温度及应变并显示出结果；微光Sm125光纤光栅解调仪内自带窄带扫描光源发出的激光通过单模光纤跳线传输至光开关的输入端，光开关的每一个输入端口对应四个输出端口，激光在这四个端口之间切换，并从光开关的某输出端口传出到达串联的布拉格光纤光栅传感器，每个布拉格光纤光栅传感器都会反射回特定波长的光并原路返回微光Sm125光纤光栅解调仪并由光电探测器接受转化为电信号，该电信号再由以太网线传输至工控计算机，最终工控计算机完成计算解调工作，得出并显示温度及应变信息。

优选的，所述微光Sm125光纤光栅解调仪四通道并行扫描，扫描激光范围为1510nm至1590nm，带宽80nm，解调精度为1pm。

优选的，所述光开关为4×16光开关，接头为APC，插入损耗小于等于1.0dB，重复性小于等于±0.05dB。

优选的，所述光开关每路输出解调范围均为1510nm至1590nm，以2nm为单位分隔，每路能够携带布拉格光纤光栅传感器为四十个，一套系统能够携带六百四十个。

优选的，所述布拉格光纤光栅传感器，每一个波长变化范围2nm，检测温度变化范围200℃，检测应变变化范围1500με。

本发明的原理在于：

结合图1说明本发明一种用于大型结构体准分布式光纤光栅温度应变测量系统的原理，该测量系统包括：微光Sm125光纤光栅解调仪1、单模光纤跳线2、光开关3、布拉格光纤光栅传感器4、以太网线5、工控计算机6；其中单模光纤跳线2一共有四根，分别连接微光Sm125光纤光栅解调仪1的四个通道和光开关3的四个输入端口，接头均为APC，光开关3的每个输入接口又分出四路光通道，通过程序控制光开关3切换至需要使用的通道，光开关3总共有十六路输出通道，每一路均与多个布拉格光纤光栅传感器4连接，微光Sm125光纤光栅解调仪1解调出的电信号通过以太网线5传输至工控计算机6，由工控计算机6计算温度和应变的结果并显示；微光Sm125光纤光栅解调仪1的光源出射激光经单模光纤跳线传输至光开关3的输入端，光开关3选择工作输出通道使激光由该通道传出，如此激光就可以传输到布拉格光纤光栅传感器4，特定的布拉格光纤光栅传感器4会反射特定波长的激光，反射光经原来的路线回到光开关3再回到微光Sm125光纤光栅解调仪1，由微光Sm125光纤光栅解调仪1中的光电探测器接受并转化为电信号，该电信号经由以太网线5传输至工控计算机6，最终工控计算机6计算并给出温度和应变的结果。所述光开关3的规格为4×16，四个输入端Sm125光纤光栅解调仪1的四个通道相连，十六个输出端中每一路都可以连接布拉格光纤光栅传感器串，这是利用了时分复用的特性。所述布拉格光纤光栅传感器4的中心波长在1510nm至1590nm之间每隔2nm设置一个，80nm的带宽区间可以连接成多达四十个布拉格光纤光栅传感器串，这是利用了波分复用的特性。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

（1）、本发明采用了4×16光开关，将Sm125的四通道通过时分复用拓展为十六通道，并且利用波分复用合理分配布拉格光纤光栅传感器的中心波长，使得整个系统可以携带多达六百四十个传感器，进而使之能够对大型结构体进行全面的检测，具有较强的实用性。

（2）、本发明的结构简单、使用非常灵活，用户可以根据不同的需求安排使用光开关任意一路或几路，传感器的数量在满足中心波长1510nm至1590nm之间并且不重复的条件下也可以任意选取。

（3）、本发明温度分辨率可达0.1℃，应变分辨率可达1με，测量精度远高于传统电传感器，响应速度快，抗电磁干扰能力强。

附图说明

图1为本发明的用于大型结构体准分布式光纤光栅温度应变测量系统的原理图；

图2为传感器1线性拟合示意图；

图3为传感器2线性拟合示意图。

图中：1、微光Sm125光纤光栅解调仪，2、单模光纤跳线，3、光开关，4、布拉格光纤光栅传感器，5、以太网线，6、工控计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当采用已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

如图1所示，本发明所述的双向四通道耦合的分布式光纤拉曼测温系统包括：微光Sm125光纤光栅解调仪1、单模光纤跳线2、光开关3、布拉格光纤光栅传感器4、以太网线5、工控计算机6；其中，四根单模光纤跳线2一头连接微光Sm125光纤光栅解调仪1的四个通道，另一头连接光开关3的四个输入端；光开关3的十六个输出端连接由多个布拉格光纤光栅传感器4组成的光纤光栅串；微光Sm125光纤光栅解调仪1由以太网线5连接至工控计算机6。

微光Sm125光纤光栅解调仪1自带光源发出的激光经过光纤跳线2达到光开关3的输入端，人为指定光开关3选通一路或多路输出通道，激光经光开关3传输至布拉格光纤光栅传感器4，这些传感器可以反射特定波长的激光原路返回光开关3再到微光Sm125光纤光栅解调仪1，由微光Sm125光纤光栅解调仪1中探测电路接受并转化为电信号，通过以太网线5传输至工控计算机6，之后由工控计算机6处理并显示出温度和应变信息。

在普通光纤中，让纤芯折射率随周期变化就构成了结构最简单的均匀光纤光栅，也就是本发明中的布拉格光纤光栅（FBG），其传感原理为在光纤纤芯中传播的光将在每个光栅面处发生散射，如果不能满足布拉格条件，依次排列的光栅平面反射的光相位将会逐渐变得不同直到最后相互抵消；如果能够满足布拉格条件，每个光栅平面反射回来的光逐步累加，最后会在反向形成一个反射峰，中心波长由光纤参数决定。即FBG实质是一种窄带滤波器，它将很窄频带内的光反射回去（反射率可达90%以上），而其余频带的光就透射出去。

在周期性的光纤布拉格光栅（FBG）中，被反射的布拉格波长可由折射率和周期表示出来：

λ_B=n_effΛ   (1)

(1)式中λ_B为FBG中心反射波长，n_eff为FBG栅区有效折射率，Λ为FBG的栅距。

当一束宽带光入射进布拉格光栅时，只有符合上述光栅谐振条件的窄带频谱将被反射回来。光纤光栅受到外界作用（温度、应力等）时，有效折射率n_eff和光栅栅距Λ都会受到影响而发生改变，从而使布拉格波长λ_B发生偏移。若检测出这一偏移量的变化，便可知晓影响其变化的外界作用信息，这就是FBG传感的基本原理。

具体来说当温度发生变化引起中心波长漂移时：

T=1000Δλ/K_t   (2)

(2)式中T为温度，Δλ为中心波长漂移量，K_t为光纤光栅的温度系数。

当应变变化引起中心波长漂移时:

E=1000Δλ/K_ε   (3)

(3)式中ε为应变，Δλ为中心波长漂移量，K_ε为光纤光栅的应变系数。

一般来说FBG中心波长的变化量不大时，温度变化1℃造成的布拉格光纤光栅波长变化量约为10pm。同时，而应变变化1με造成的波长变化量约为1.2pm。由于使用不同的工艺对光栅进行写入或者采用的光纤不同及退火工艺的不同，不同光纤光栅就会有不同的温度灵敏度系数，尤其是经过封装之后的光纤光栅，封装材料也会在极大的程度上对光纤光栅的温度传感特性进行影像，所以不同的FBG必须经过特定的标定后才能在实际中进行测量。

以下面标定的传感器为例。控温范围由20℃至60℃，控温精度为0.1℃，每隔5℃采一轮数据，每到达一个温度并且恒定后，我们以2Hz的采样率在该温度下采集约2分钟数据，大约240组数据，每组数据包含中心波长、功率。我们关心的是中心波长的信息，取这240个中心波长的平均值作为该温度标定点的值。得到了表1的标定数据：

表1两种温度传感器标定数据

分别对传感器1和传感器2线性拟合得到图2和图3：

从拟合方程中可以看出，传感器1的温度敏感系数为24pm/℃，传感器2的温度敏感系数为28pm/℃。线性度在此温度区间范围内均较好。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。