一种基于光纤长啁啾光栅频域反射技术的用于土木结构裂纹的检测方法及传感器

摘要

本发明公开了一种基于光纤长啁啾光栅频域反射技术的用于土木结构裂纹的检测方法及传感器，所述的检测方法是利用光纤长啁啾光栅的频域分析技术，组成分布式光纤监测系统，实现对结构应变监测及裂缝定位。与现有技术相比，本发明具有的优点：高空间分辨率，能够实现微米量级空间分辨率，空间定位精度高；能够实现材料微小裂缝及损坏的分布式探测；灵敏度高，系统稳定性好，且传感器结构简单，成本低，性价比高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光纤长啁啾光栅的频域分析技术分布式光纤监测系统及其实施方法，可以实现对结构的应变监测及裂缝定位。

背景技术

结构健康监测是通过各种无损检测方法获得结构内部信息，并作出安全性评价与必要的预警。目前用于结构健康监测的传感器主要包括应变片，光纤Bragg光栅(FBG)传感器，以及基于布里渊散射的分布式光纤传感器等。但研究及工程实际表明，由于结构局部应力集中和裂缝出现，会导致应变片传感器失效。而光纤FBG传感器只能测量一系列离散点的应变分布，而无法获得整体信息。布里渊散射光纤传感器的空间分辨率最多只能达到几十厘米，不足以准确探测结构裂缝及准确位置信息。在许多工程结构中，往往要求能够在很大的测量距离中，准确定位裂纹位置及损坏程度，以同时满足对结构整体和局部监测评估。这对大型结构的长期健康检测具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光纤长啁啾光栅频域反射技术的用于土木结构裂纹的检测方法及传感器，用于结构局部应变及裂纹检测，测量距离长，稳定性和重复性良好，精度高。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于光纤长啁啾光栅频域反射技术的用于土木结构裂纹的检测方法， 其特征在于：利用光纤长啁啾光栅的频域分析技术，组成分布式光纤监测系统，实现对结构应变监测及裂缝定位。

一种基于光纤长啁啾光栅频域反射技术的用于土木结构裂纹的传感器，其特征在于：包括可调谐激光器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、光纤长啁啾光栅传感器、偏振控制器、光电探测器、数据采集卡、信号分析及处理系统、显示装置组成，所述的光源的输出端连接第一耦合器的输入端，第一耦合器具有两个输出端，第一输出端通过偏振控制器连接第三耦合器的第一输入端，第一耦合器的第二输出端依次连接第二耦合器的第一输入端、长啁啾光栅传感器的输入端、第二耦合器的第二输入端以及第三耦合器的第二输入端，所述的第二耦合器的第一输出端与所述的长啁啾光栅传感器的输入端连接，长啁啾光栅传感器的输出端连接第二耦合器的第二输入端，在所述的耦合器的输出端依次串联所述的光电探测器、数据采集卡、信号分析及处理部分以及显示装置。

本发明是一种基于光纤长啁啾光栅的频域反射传感技术，它的构成可调谐激光器、三个耦合器、光纤长啁啾光栅传感器、偏振控制器、光电探测器、数据采集卡、信号分析及处理系统、电脑显示组成。其连接关系如下：光源发出的宽带光通过光纤连接进入耦合器后分为两路，一路光通过偏振控制器后进入耦合器，另一路光通过耦合器及长啁啾光栅传感器后原路返回，也进入耦合器。耦合器输出端接光电探测器，数据采集卡采集光电探测器的输出信号，经过信号分析及处理部分后，在电脑上显示检测结果，以观测光纤长啁啾光栅传感器的反射信号变化。

与现有技术相比，本发明具有的优点：１．高空间分辨率，能够实现微米量级空间分辨率，空间定位精度高；２．能够实现材料微小裂缝及损坏的分布式探测；３灵敏度高，系统稳定性好，且传感器结构简单，成本低，性价比高。

附图说明

图1是本发明一种具体结构示意图。

图2是本发明的一种具体实施方式结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

具体实施方式一：下面结合图1、2具体说明本实施方式。可调谐激光器1发出波长随时间变化的窄线宽激光入耦合器2后分为两路，一路光作为参考光经过偏振控制器5和耦合器4后，进入光电探测器7，另一路作为传感光经过耦合器3进入长啁啾光栅传感器6后被光栅反射。反射光通过耦合器3进入耦合器4，然后进入光电探测器7。光信号经光电探测器7后输出的电流信号由数据采集卡8进行采集，然后由信号处理部分9对信号进行分析，得到电流信号中所包含的光纤长啁啾光栅反射光信号变化，然后由电脑10显示。长啁啾光栅6的长度可根据实际应用情况选择，范围10厘米-1米。在长啁啾光栅的长度内不同位置点对应不同波长如图2示，啁啾光栅可通过相位掩模板或激光逐点制作，因此长啁啾光栅的反射光谱波长宽度可由相位掩模板的栅距或逐点写入的步进距离决定。

可调谐激光器1发出两路光，一路经耦合器3进传感光栅6后被反射，另一路经偏振控制器5后以消除偏振对信号影响。由于光程不同，两路光在耦合器6处发生干涉。激光器波长可调谐，因此干涉条纹会发生变化。当长啁啾光栅内某一点出现裂纹或应变变化，会导致两路光产生的干涉条纹变化的频率改变，通过检测频率变化量大小，可获得裂纹或应变大小。由于长啁啾光栅不同的位置反射不同波长，如图2中所示，λ1、λ2、λ3、λ4，通过检测反射波长，可精确定位裂纹或发生应变的位置信息。干涉光的变化经光电探测器7检测，变成电信号。数据采集卡8对电信号进行采集，然后由信号分析软件部分9对信号进行频域分析，得到其频率变化及波长信息，通过换算可得到对应的裂纹或应变大小及发生位置信息。最后通过软件在电脑10上显示测试结果，以实现在线实时检测。如果需要更多测量点，可在传感光栅6后串联多个波长不同的长啁啾光栅以实现分布式检测。