一种纳应变量级的动态光纤应变传感装置及其传感方法

摘要

本发明揭示了一种纳应变量级的动态光纤应变传感装置，激光器连接第一耦合器，所述第一耦合器的两个分光端分别连接参考光纤和传感光纤的一端，所述参考光纤上安装有偏振控制器，所述参考光纤和传感光纤的另一端连接第二耦合器，所述第二耦合器连接数据采集模块，所述数据采集模块输出所采集的信号至数据处理模块，同步触发模块的同步触发输出口分别连接激光器和数据采集模块。

说明书

技术领域

本发明涉及应变传感领域，尤其涉及光纤应变传感领域。

背景技术

传统的应变传感器是以应变-电量为基础的，而电信号及其装置易受电磁干 扰、湿度等环境影响，在某些情况下甚至不能正常工作。光纤应变传感则几乎 不受电磁干扰，环境适应性极强，而且灵敏度高，甚至可以达到nε级别，在超 精密监测中具有无可比拟的优势。因此，光纤应变传感系统是一个非常有应用 前景和实际意义的课题。目前的纳应变量级动态光纤应变传感装置结构复杂， 制作成本高，难以满足生产应用需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种结构简单、测量精度高的动态光纤 应变传感装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种纳应变量级的动态光 纤应变传感装置，激光器连接第一耦合器，所述第一耦合器的两个分光端分别 连接参考光纤和传感光纤的一端，所述参考光纤上安装有偏振控制器，所述参 考光纤和传感光纤的另一端连接第二耦合器，所述第二耦合器连接数据采集模 块，所述数据采集模块输出所采集的信号至数据处理模块，同步触发模块的同 步触发输出口分别连接激光器和数据采集模块。

所述激光器为频率可调的稳频窄线宽连续激光器。

所述参考光纤和传感光纤长度不相等。

基于纳应变量级的动态光纤应变传感装置的传感方法：同步触发模块驱动 可调谐激光器改变激光频率，同时驱动数据采集模块在每一个激光频率下采集 第二耦合器输出的信号，数据处理模块通过对不同时刻的各个频率下采集到的 信号做互相关运算，找出使互相关值最大的频率差，解调获得传感光纤探测到 的应变。

步骤1、同步触发模块驱动激光器发出的激光产生f₀的频移，同时驱动数据 采集模块采集M次每次采集N个点，记为data(N,M)，并将数据送入数据处理模 块经平均运算后得到一个点，记为P₁(f₀)；

$P_1\left(f_0\right)=\frac{1}{N}·\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}(\frac{1}{M}·\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}data(i,j\left)\right)$

步骤2、重复步骤1，使激光依次产生2f₀，3f₀，…，kf₀的频移，得到P₁(2f₀)， P₁(3f₀)，…，P₁(kf₀)；

步骤3、若需探测外界干扰作用在传感光纤上产生的应变，则重复上述步骤 1-3，得到P₂(m)，其中m＝f₀,2f₀,3f₀,…,kf₀；

步骤4、令

$\left(\begin{array}{c}{P}_1^{\prime }(n-(t-1\left)f_0\right)=P_1\left(n\right)\\ P_2^{\prime }(n-(t-1\left)f_0\right)=-P_2(n-(t-1\left)f_0\right)\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{c}{P}_1^{\prime }(n-\left(t-1\right)f_0)=P_1(n-\left(t-1\right)f_0)\\ P_4^{\prime }(n-\left(t-1\right)f_0)=P_2\left(n\right)\end{array}\right)$

其中，n＝tf₀,(t+1)f₀,…,kf₀；t＝1,2,3,…,k-q；q是常数，计算P₁' 与P₂'，P₃'与P₄'的互相关系数，记为：

T₁(t)＝corrcoef(P₁',P₂')

T₂(t)＝corrcoef(P₃',P₄')

步骤6、找出T₁(t)与T₂(t)最大时对应的t，若有多个这样的t，则取最小 的记为：

t₁＝min(find(max(T₁)＝＝T₁))

t₂＝min(find(max(T₂)＝＝T₂))

步骤7、获得最优频移：

其中，ξ是传感光纤应变光学校正系数，n是传感光纤纤芯折射率，c是 真空中光速；

步骤8、探测到的光纤应变为：

$\frac{{\mathrm{\Delta L}}_i}{L}=({\mathrm{\Delta L}}_{i-1}+\frac{\lambda ·t_{max}·f_0}{c·\xi }·L_h)/L$

其中，ΔL_i是第i次探测到的光纤形变长度，L是探测应变时，发生形变光 纤的长度，λ是激光波长，L_h为参考光纤和传感光纤长度之差。

本发明纳应变量级的动态光纤应变传感装置结构简单，几乎不受电磁干扰， 环境适应性强，具有nε级别的灵敏度，而且可以动态的实时监测应变变化，可 用于大型工程现场以及重大政治、经济、军事基地的周界安防。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为纳应变量级的动态光纤应变传感装置结构示意图；

上述图中的标记均为：1、激光器；2、第一耦合器；3、偏振控制器；4、参考 光纤；5、传感光纤；6、第二耦合器；7、数据采集模块；8、数据处理模块；9、 同步触发模块。

具体实施方式

如图1所示，可调谐激光器1连接第一耦合器2，第一耦合器2的两个分光 端分别连接参考光纤4和传感光纤5，其中参考光纤4安装有偏振控制器3，第 二耦合器6将参考光纤4和传感光纤5合为一束后连接数据采集模块7，数据采 集模块7连接数据处理模块8，同步触发模块9的同步触发输出口分别连接可调 谐激光器1和数据采集模块7。可调谐激光器1为频率可调的稳频窄线宽连续激 光器1。参考光纤4和传感光纤5长度不相等，二者长度之差记为L_h，L_h依据实 际应用而定(如L_h＝2米)。

上述纳应变量级的动态光纤应变传感装置结构简单，几乎不受电磁干扰， 环境适应性强，具有nε级别的灵敏度，而且可以动态的实时监测应变变化。

基于上述纳应变量级的动态光纤应变传感装置，传感方法为：同步触发模 块9驱动可调谐激光器1改变激光频率，同时驱动数据采集模块7在每一个激 光频率下采集第二耦合器6输出的信号，数据处理模块8通过对不同时刻的各 个频率下采集到的信号做互相关运算，找出使互相关值最大的频率差，进而解 调出传感光纤5探测到的应变。

具体来说：按本发明搭建传感装置后，调整偏振控制器3，使第二耦合器6 输出的信号最大且稳定，同步触发模块9驱动可调谐激光器1发出的激光产生 f₀(如1MHz)的频移，同步触发模块9同时驱动数据采集模块7采集M次(如 500次)，每次采集N个(如500个)点，记为data(N,M)，将数据送入数据处 理模块8经平均运算后得到一个点，记为P₁(f₀)

$P_1\left(f_0\right)=\frac{1}{N}·\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}(\frac{1}{M}·\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}data(i,j\left)\right)$

重复上述步骤，使激光依次产生2f₀，3f₀，…，kf₀的频移，得到P₁(2f₀)，P₁ (3f₀)，…，P₁(kf₀)。

若需探测外界干扰作用在传感光纤5上产生的应变，则重复上述步骤，得到 P₂(m)，其中m＝f₀,2f₀,3f₀,…,kf₀，令

$\left(\begin{array}{c}{P}_1^{\prime }(n-(t-1\left)f_0\right)=P_1\left(n\right)\\ P_2^{\prime }(n-(t-1\left)f_0\right)=P_2(n-(t-1\left)f_0\right)\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{c}{P}_3^{\prime }(n-(t-1\left)f_0\right)=P_1(n-(t-1\left)f_0\right)\\ P_4^{\prime }(n-(t-1\left)f_0\right)=P_2\left(n\right)\end{array}\right)$

其中，n＝tf₀,(t+1)f₀,…,kf₀；t＝1,2,3,…,k-q；q是常数(如q＝3)，计 算P₁'与P₂'，P₃'与P₄'的互相关系数，记为

T₁(t)＝corrcoef(P₁',P₂')

T₂(t)＝corrcoef(P₃',P₄')

找出T₁(t)与T₂(t)最大时对应的t，若有多个这样的t，则取最小的记为

t₁＝min(find(max(T₁)＝＝T₁))

t₂＝min(find(max(T₂)＝＝T₂))

则最优频移即为

其中，ξ是传感光纤5应变光学校正系数，n是传感光纤5纤芯折射率，c是 真空中光速，则探测到的光纤应变为

$\frac{{\mathrm{\Delta L}}_i}{L}=({\mathrm{\Delta L}}_{i-1}+\frac{\lambda ·t_{max}·f_0}{c·\xi }·L_h)/L$

其中，ΔL_i是第i次探测到的光纤形变长度，L是探测应变时，发生形变光 纤的长度，λ是激光波长。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上 述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性 的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在 本发明的保护范围之内。