[发明专利]光纤光栅分布式应变传感器及其应变监测方法

权利要求书

1.一种光纤光栅分布式应变传感器，其特征在于包括：

光源模块(1)，该光源模块(1)由可调谐激光器(11)、声光调制器(12)和射频调制器(13)组成，所述的可调谐激光器(11)的输出端接所述的声光调制器(12)的输入端(1201)，所述的射频调制器(13)的输出端(1301接所述的声光调制器(12)的调制端(1202)；

一个以上的光纤衰荡腔，所述的光纤衰荡腔由光纤环(3)和光纤光栅传感单元(4)组成，所述的光纤环(3)至少包括由光纤连接的光纤耦合器(31)、掺铒光纤放大器(32)和光纤环形器(33)，所述的光纤耦合器(31)的第四端口(3104)通过光纤依次将所述的掺铒光纤放大器(32)和光纤环形器(33)的第一端口(3301)、光纤环形器(33)的第三端口(3303)和光纤耦合器(31)的第二端口(3102)连接成环，所述的光纤环形器(33)的第二端口(3302)接所述的光纤光栅传感单元(4)的一端；

连接件(2)将所述的声光调制器(12)的输出端(1203)和所述的光纤耦合器(31)的第一端口(3101)相连；

所述的光纤耦合器(31)的第三端口(3103)接光电探测器(5)的输入端，该光电探测器(5)的输出端经高速数据采集卡(6)与信号处理及显示系统(7)相连，所述的高速数据采集卡(6)的同步触发端口(602)与所述的射频调制器(13)的第二输出端口(1302)相连。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅分布式应变传感器，其特征在于所述的连接件(2)为一根光纤，或是一端输入多端输出的1xn光开关。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅分布式应变传感器，其特征在于所述的光纤光栅传感单元(4)为在一根光纤上分布有一个光纤光栅或分布有多个光纤光栅(411、412、413、…、41r)构成的级联光纤光栅序列，其中r为2以上的正整数，在同一级联光纤光栅序列中，所有的光纤光栅选用LCFBG或者FBG，在所述的可调谐激光器(11)的调谐范围内以适当的间隔依次选取不同反射波长的光纤光栅作为组网传感元件，且所有的光纤光栅的反射光谱都不重叠。

4.根据权利要求2所述的光纤光栅分布式应变传感器，其特征在于具有多个衰荡腔，每个衰荡环(3j)中的光纤环形器(33)的第二端口(3302)各接一个级联光纤光栅序列(4j1、4j2、…、4jr)，其中j为2以上的正整数，所述的光源模块(1)的声光调制器(12)的输出端(123)通过一个1xn光开关的连接件(2)与多个衰荡环(3j)的光纤耦合器(31)的第一端口(3101)分别相连。

5.根据权利要求1或2或3或4任一项所述的光纤光栅分布式应变传感器，其特征在于在所述的光纤环(3)中的光纤环形器(33)的第三端口(3303)和光纤耦合器(31)的第二端口(3102)之间接入了第二光纤环形器(34)，该第二光纤环形器(34)的第二端口接滤波光纤光栅(8)，该滤波光纤光栅(8)固定在应力调谐或者温度调谐装置上，该滤波光纤光栅(8)通过自动同步触发装置(9)与所述的可调谐激光器(11)连接，以保持光源输出的波长与滤波光纤光栅(8)的中心反射波长保持一致，将所述的掺铒光纤放大器(32)的自发辐射噪声滤除。

6.根据权利要求1或2或3或4任一项所述的光纤光栅分布式应变传感器，其特征在于在所述的光纤环(3)中的光纤环形器(33)的第三端口(3303)和光纤耦合器(31)的第二端口(3102)之间接入一个光纤FP滤波器(10)，该光纤FP滤波器(10)通过自动同步触发装置(9)与所述的可调谐激光器(11)连接，以保持光源输出的波长与该光纤FP滤波器(10)的中心透射波长保持一致，将所述的掺铒光纤放大器(32)的自发辐射噪声滤除。

7.利用权利要求1所述的光纤光栅分布式应变传感器进行分布式应变监测的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①调谐可调谐激光器(11)的激光输出波长为λ₀的窄线宽的连续激光，该波长λ₀和所述的光纤光栅传感单元(4)的中心反射波长一致；

②所述的声光调制器(12)将可调谐激光器(11)注入的连续光调制为脉冲光序列；

③调节所述的掺铒光纤放大器(32)的增益，使所述的光电探测器(5)探测到的衰荡脉冲光序列的脉冲数目超过100；

④通过射频调制器(13)的外触发功能，同步触发所述的声光调制器(12)和高速数据采集卡(6)，使所述的声光调制器(12)输出一个脉冲光注入所述的衰荡环的同时，高速数据采集卡6同步采集衰荡脉冲序列，采集多组脉冲序列做平均获得平均脉冲序列，以降噪处理；

⑤获取脉冲序列的峰值时间，取出第(m+1)个脉冲和第1个脉冲的时间，相减再除以m，得到衰荡脉冲周期T；

⑥通过公式L＝c/nT计算衰荡腔的腔长L，其中c为光速，n为光纤的折射率，该腔长L由所述的光纤光栅传感单元(4)的与入射波长λ₀相关的对应反射点的位置D₀确定；

⑦调谐所述的可调谐激光器(11)的输出光的波长λ₁、λ₂、…、λ_i、…、λ_q，分别重复上述第①至第⑥步，依次得到光纤光栅传感单元(4)带宽范围内的各个波长反射的位置D₁、D₂、…、D_i、…、D_q，完成位置-反射波长之间的关系定标λ_i(D_i)，称为定标数据，写为更普遍的形式λ(z)；

⑧将光纤光栅传感单元(4)固定在传感区域，用于应变传感监测，重复上述第①至第⑥步，获得传感区域的位置-反射波长关系的传感数据λ’(z)；

⑨将所述的传感数据与所述的定标数据进行比较，得到所述的光纤光栅传感单元(4)所在的传感区域的波长变化量Δλ(z)，

λ’(z)-λ(z)＝Δλ(z)

式中：z为沿所述的光纤光栅传感单元(4)所在的传感区域的测量点的位置坐标，利用下列公式计算出所有传感区域的应变量ε(z)，实现光纤光栅传感单元(4)栅区范围内的分布式应变测量：ε(z)＝Δλ(z)/(0.78×λ(z))。