[发明专利]用光纤光栅测量应变分布的方法

说明书

技术领域

本申请涉及一种用光纤光栅测量应变的方法，特别涉及一种用光纤光栅(FBG)测量非均匀应变分布的方法。

背景技术

光纤光栅是最近几十年发展最为迅速的光纤无源器件之一。自从1978年K.O.Hill等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅以来，由于它具有许多独特优点，已在光纤通信、光纤传感等领域展现出广阔的应用前景。

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在纤芯内形成空间相位光栅(外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率的永久性变化)，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤光器或反射镜，利用这一特性可构成许多独特性能的光纤无源器件。

光纤光栅作为传感元件使用是20世纪90年代发展起来的一种传感技术，它可以制成多种传感器，如温度、应变、加速度、压力等传感器。由于光纤光栅体积小、重量轻、抗电磁干扰、寿命长、测量精度高等优点，它已在科学研究和工程等领域得到广泛应用，例如进行结构多点应变测试；桥梁、石油平台监测、大型建筑、大坝等大型结构安全监测以及多点温度场测试等。然而目前广泛采用的光纤光栅传感技术是基于Bragg光栅方程，它通过FBG反射强度谱峰波长的平移来测量应变或温度的变化，要求光栅长度范围内应变或温度变化是均匀或接近均匀的，无法实现不均匀的分布式测量。

应用FBG测量结构的应变分布的研究始于上世纪九十年代它通过FBG反射强度谱和相位谱的全谱信息来反演栅长范围内应变或温度分布。目前提出的测量应变分布的方法主要有强度(或密度)谱ISB方法(Intensity-spectrum-ba sed(ISB)approach)、相位谱PSB方法(Phase-spectrum-ba sed(PSB)approach)以及密度谱和相位谱相结合的方法，如傅立叶分析方法等。ISB方法使用光纤光栅的反射强度波谱；PSB方法使用光纤光栅的反射相位波谱，虽然前者使用常规的光谱仪即可，但目前测量精度还不够，不能满足高精度测量的要求，而后者需使用较复杂的光学装置，测量成本高，较少采用。

目前，ISB方法中相对适用的方法是基于FBG传递矩阵的遗传优化算法，即将从FBG反射强度波谱反演应变分布的问题转化为一个泛函优化问题，优化变量为离散的应变分布，优化目标为传递矩阵计算得到的反射强度波谱与测量得到的反射强度波谱逼近。然而，研究表明，应用上述算法来测量FBG长度上的应变分布与实际结果的误差较大，测量精度与科学研究和工程应用的要求还有一定差距，需要进一步提高测量精度。

发明内容

为解决上述问题，本申请提出一种基于FBG测量非均匀应变的新方法，使用光纤光栅的反射强度谱，采用传递矩阵法，根据不同的应变分布计算出许多个不同的“重构”反射强度谱。然后利用遗传算法与共轭梯度法相结合的组合算法在这些“重构”反射强度谱中进行搜索，得到一个与已测反射强度谱最接近的“重构”反射强度谱，从而得到光纤光栅上的应变分布。研究表明：利用遗传算法寻优可方便地搜索到全局最优点附近，但由于遗传算法本身是一种随机算法，搜索点只能在最优点附近振荡，无法充分接近最优点。常规的优化算法如共轭梯度法可避免这一缺点，但搜索点容易落入局部极值点，得到的解有时并不是全局最优点。采用遗传算法与共轭梯度法相结合的组合算法可有效地将两者的优点相结合，获得充分接近全局最优点的数值解，从而提高FBG应变分布测量精度。具体步骤为：(1)使用光谱仪测量发生应变分布后FBG的反射强度谱；(2)输入一假设应变分布，采用FBG传递矩阵计算算得到与该假设应变对应的重构反射强度谱，并使重构反射强度谱与已测得的反射强度谱进行比较，然后利用遗传算法叠代寻优，不断优化应变分布，当重构反射强度谱与已测得的反射强度谱接近到一定程度，遗传优化计算停止；(3)将遗传优化计算获得的FBG应变分布作为初值，进一步采用共轭梯度算法寻优，使反射谱与已测反射谱收敛更为接近，直至获得满意的优化解，从而实现结构应变分布的高精度测量。

进一步，在上述计算重构反射强度谱时，对应假设应变分布的重构反射强度谱R(λ)由下式表示：