[发明专利]基于拉曼散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种准分布式的全同弱光纤光栅传感及其解调技术，具体地指一种基于拉曼散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的方法及装置。

背景技术

温度与应变是大型系统结构健康检查的两个关键测试参量。结构局部关键位置的应力状态直接关系到结构的安全服役状态，温度则对诸如混凝土大坝、基坑等大体积结构影响较大，温度与应力作用往往导致结构内部出现微裂纹等损伤。由于温度与应变的交叉敏感，同时准确地测量大型结构的温度与应变在工程上一直是个难题。

分布式拉曼光纤传感通过检测背向的斯托克斯与反斯托克斯光来实现分布式测量，虽然传感距离长，但仅能测量温度。准分布式的光纤光栅传感系统能够测量温度与应变，具有定位准确、测量精度高、解调速度快的优点，可应用范围很广。然而传统的光纤光栅传感系统使用高反射率光栅通过光纤熔接机进行串接，一般通过波分复用进行解调，传感单元容量小，光栅与光纤熔接点位置引入的插入损耗大，并且其抗机械强度不能满足工程要求。另一方面，光纤光栅传感器也对温度与应变两物理量交叉敏感，因此在实际应用中很难分离出来，给测量带来了很多的不便。目前解决温度与应变交叉敏感问题通常是使用参考光纤，即在同一环境中，通过使该参考光纤不受温度或应变影响，然后测量该参考光纤的温度或应变后，通过参考其温度或应变，测量出另外光纤的应变或温度。然而，该方式给工程安装带来了不便，且参考光纤的测量精度会对系统测量精度带来较大影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于拉曼散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的方法及装置，能够克服上述现有光纤光栅准分布式传感的不足，其容量大、无焊点、光纤光栅强度与光纤相同，并可同时检测传感区域的温度与应变，检测精度高。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种基于拉曼散射同时测量全同弱光纤光栅温度与应变的方法，包括如下步骤：

1）在单模光纤拉丝过程中利用拉丝塔技术动态连续刻写N个反射率在0.01%～1%的全同弱光纤光栅，得到大容量光纤光栅阵列光纤，作为传感探头；

2）将宽带光源和高功率激光器的激光经耦合器后接入第一SOA光开关，经脉冲发生器调制成周期性高消光比的脉冲信号，脉冲信号的脉宽τ对应于大容量光纤光栅阵列光纤中全同弱光纤光栅之间的间隔；脉冲信号经粗波分复用器进入大容量光纤光栅阵列光纤；

3）宽带光源经大容量光纤光栅阵列光纤产生的反射信号和高功率激光器经大容量光纤光栅阵列光纤产生的背向拉曼散射信号分别送入高速CCD波长解调模块和拉曼温度解调模块；

4）基于OTDR（光时域反射仪）技术，通过拉曼温度解调模块分布式得到各光纤光栅处的温度分布T_i（i=1，2，……N）；

5）将反射信号送入第二SOA光开关放大后，经高速CCD波长解调模块得到各光纤光栅的反射中心波长λ_i（i=1，2，……N），该中心波长λ_i与应变和温度均有关；将拉曼温度解调模块的温度测量作为应变测量的温度补偿数据，将高速CCD波长解调模块的测量数据作为温度测量的校正，同时精确得到温度场信息和应变信息。

上述技术方案的所述步骤1）中，采用准分子激光器在拉丝塔系统上光纤拉丝时，同时以单脉冲激光动态连续刻写光栅，然后进行二次涂敷和紫外光固化；所述光纤光栅的间隔通过拉丝速度和准分子激光器的脉冲频率进行控制。动态连续刻写后的传感探头强度与普通光纤强度一样。

上述技术方案的所述步骤2）中，设定高功率激光器的工作波长与大容量光纤光栅阵列光纤中光纤光栅的中心波长相差6～10nm，用于避免拉曼散射信号与光栅布拉格反射信号相互影响。

上述技术方案的所述步骤5）还包括光纤光栅编号的确定操作：高速CCD波长解调模块根据两个SOA光开关得到的入射光脉冲与反射光脉冲的时间差t_d计算出各光纤光栅在大容量光纤光栅阵列光纤中的编号R：R=c·t_d/2n，其中c为光速，n为大容量光纤光栅阵列光纤的纤芯折射率。