[发明专利]光纤光栅分布式应变传感器及其应变监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤分布式传感器，特别是一种基于光纤衰荡腔技术的光纤光栅分布式应变传感器及其应变监测方法。

背景技术

光纤传感器由于具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、电绝缘性好、安全可靠、耐腐蚀、可构成光纤传感网等诸多优点，因而在工业、农业、生物医疗、国防等各领域均有广阔应用前景。

光纤应变传感器目前大致上有这样几种技术方案，包括光纤布拉格光栅(FiberBragg Grating，FBG)，长周期光栅(Long Period Grating，LPG)，马赫曾德干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，MZ-I)，光纤Sagnac环等。基于光纤光栅的应变传感器具有灵敏度高的特点，且容易组网形成分布式传感系统。目前基于光纤光栅波分复用技术、空分复用技术和时分复用技术的分布式传感网络得到了广泛的发展和应用，但在这些光纤光栅分布式应变传感网络中，所有的FBG均相当于独立的传感点，传感结果是整个栅区范围内的综合效果。因此，这种分布式传感系统称为准分布式。基于布里渊散射的光纤分布式应变传感器具有传感距离长的优点，传感距离可达80km，应变精度可达20με，空间分辨率可达几米量级，且可同时测量温度分布，此种分布式应变传感器在大型结构如管道，近海石油平台，油井，大坝，堤坝，桥梁，建筑物，隧道，电缆等领域得到了广泛的应用。但以上几种应用最为广泛的光纤分布式应变传感器的空间分辨率均有限，布里渊分布式传感器空间分辨率为几米量级，FBG传感器的空间分辨率为几厘米量级，均不适用于高空间分辨率的场合，如建筑物的裂缝监测和定位、有机合成材料的断层监测以及局部应变突变等。

在高空间分辨率的光纤分布式应变传感领域，利用FBG作为传感元件，通过先进的光学系统设计和解调方案，得到FBG栅区范围内应变的分布，从而将之前的研究中，FBG仅仅作为点式传感器发展成为分布式传感器，极大的提升了FBG应变传感器的性能。这一研究思路和潜在的广泛应用吸引了很多研究人员的兴趣和注意，为了实现在一根FBG上的分布式应变传感，人们已经提出和发展了若干技术方案。在先相关光纤光栅分布式应变传感技术有【Mark Volanthen，Harald Geiger，and John P.Dakin，“Distributed Grating Sensors Using Low-Coherence Reflectometry，”J.LightwaveTechnol.15，2076(1997).】，此技术利用低相干光源的迈克尔逊干涉仪结构，FBG固定在干涉仪一只臂上，另外一只臂的长度通过拉伸改变或者移动末端反射镜，通过此低相干干涉的技术，对干涉光谱进行建模分析，得到300μm的空间分辨效果。由于基于干涉技术，这种方案的系统稳定性很差，且采用拉伸光纤的方式或者移动反射镜来进行定位，因此结构中存在机械移动装置，增大了系统的不稳定性，同时也极大的限制了分布式传感测量的范围，难以实现组网。

在先分布式应变传感技术还有【H.Murayama，H.Igawa，K.Kageyama，K.Ohta，I.Ohsawa，K.Uzawa，M Kanai，T.Kasai，and I.Yamaguchi，“Distributed StrainMeasurement with High Spatial Resolution Using Fiber Bragg Gratings and OpticalFrequency Domain Reflectometry，”18^th Intern.Conf.Opt.Fiber Sensors，ThE40(2006).】，这篇论文中利用扫描光源的迈克尔逊干涉仪结构，FBG固定在干涉仪一只臂上，另外一只臂也固定，通过调谐光源的波长，对干涉光谱进行建模分析，实现光频域反射结构下的高空间分辨率的分布式传感。较上一个技术相比，此技术方案的结构更为紧凑，无任何机械移动装置，因此抗干扰能力更强。但由于仍是基于干涉结构，所以系统稳定性很差，且分布式测量的范围有限，难以实现组网。