一种基于FBG对的温度应变双参数测量系统的制作方法

一种基于fbg对的温度应变双参数测量系统
技术领域
1.本发明涉及光纤传感技术领域，具体是一种基于fbg对的温度应变双参数测量系统。


背景技术：

2.随着光纤传感技术的发展，对于温度与应变双参数的测量逐渐成为该领域较为关注的研究内容。近年来，多种基于光纤的双参数测量方案已经应用于大型建筑安全检测、电力电缆状态监测和石油管道裂缝监测等。
3.光纤光栅传感器可通过解调反射谱峰值中心波长偏移量，实现对待测物理量的测量，其具有抗电磁干扰、体积小、重量轻、灵敏度高、复用能力强等诸多优点，非常适合于极端环境下温度和应变的测量。但由于在温度测量过程中往往伴随着由热膨胀引起的应变，因此仅仅考虑单参量将难以达到理想的测量精度。目前，将光纤光栅和光纤法珀传感器结合起来同时测量温度与应变参数，受到了越来越多学者的关注。但现有的传感器存在结构复杂，制作工艺难度大等缺点。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于fbg对的温度应变双参数测量系统，包括扫频激光器、光分路器、多路检测通道、信号处理与控制模块。
5.所述扫频激光器向光分路器发送激光；
6.所述光分路器将输入激光按等分光比分为多路，并分别输入到多路检测通道中；
7.所述多路检测通道接收由光纤传感器反射的反射光信号，并对所述反射光信号进行预处理，得到处理后的反射信号；
8.所述多路检测通道包括若干检测通道；每一路检测通道均包括光环形器、光电探测器、a/d采集模块，其中一路检测通道包括标准气体吸收池，其余每路检测通道均包括光纤传感器；
9.所述光环形器第一端口用于接收由光分路器输出的光信号，所述光环形器第二端口将光信号输出至光纤传感器中，并接收由光纤传感器反射的光信号，最终由所述光环形器的第三端口输出；
10.所述标准气体吸收池完成扫频光源光谱标定；
11.所述光纤传感器通过粘贴在被测物体上；
12.所述光电探测器采集光环形器第三端口输出的反射光信号，并将反射光信号转换为电信号；所述光电探测器将电信号发送至a/d采集模块；
13.所述a/d采集模块对采集到的电信号进行模数转换；
14.所述信号处理与控制模块根据处理后的数字信号计算得到被测物体的温度与应变双参数。
15.所述多路检测通道对反射光信号进行预处理的步骤包括：
16.1)利用光电探测器将反射光信号转换为电信号；
17.2)利用a/d采集模块将采集到的电信号进行模数转换，得到反射信号。
18.所述光纤传感器为由fbg对形成的光纤法珀传感器。
19.所述光纤传感器包括两个规格相同、间距为d的短光纤光栅；两个短光纤光栅之间的等效间隙为本征型光纤法珀腔；所述两个短光纤光栅构成两个相同的光纤光栅传感器，所述两个短光纤光栅及其两者之间的等效本征型光纤法珀腔构成光纤法珀传感器。
20.所述光纤法珀腔的腔长变化量δl与温度变化量δt、光纤法珀传感器应变变化量δε1之间的关系如下所示：
21.δl＝k1δt k2δε1ꢀꢀꢀ
(6)
22.式中，k1和k2为光纤法珀传感器的温度系数与应变系数。
23.短光纤光栅的中心波长偏移量δλ与温度变化量δt、光纤光栅传感器应变变化量δε2之间的关系如下所示：
24.δλ＝k3δt k4δε2ꢀꢀꢀ
(7)
25.式中，k3和k4为光纤光栅传感器的温度系数与应变系数。
26.所述信号处理与控制模块计算温度与应变双参数的步骤包括：
27.1)所述信号处理与控制模块采集数字信号，并通过加窗的方式截取整周期信号；
28.2)所述信号处理与控制模块对获得的整周期信号求导，以去除直流分量，然后再对其进行快速傅里叶变换；
29.3)所述信号处理与控制模块根据获得的干涉信号频率确定光纤法珀传感器的干涉条纹周期，并计算出光纤法珀腔的腔长变化量δl；
30.4)所述信号处理与控制模块确定所获得整周期信号每个干涉峰的极大值并进行拟合，得到光纤光栅传感器的反射光谱信号，并计算出光纤光栅传感器的中心波长偏移量δλ；
31.5)建立光纤光栅传感器与光纤法珀传感器的应变关系，即：
32.δε1/δε2＝l
fp
/l
fbg
ꢀꢀꢀ
(8)
33.式中，l
fp
、l
fbg
分别表示光纤法珀传感器的有效初始腔长以及单个光纤光栅传感器的初始长度；
34.6)计算被测物体温度与应变双参数，即：
35.δε1＝(k1l
fp
δλ
‑
k3l
fp
δl)/(k1k4l
fbg
‑
k2k3l
fp
)
ꢀꢀꢀ
(9)
36.δt＝(k2l
fp
δλ
‑
k4l
fbg
δl)/(k2k3l
fp
‑
k1k4l
fbg
)
ꢀꢀꢀ
(10)
37.式中，δλ为短光纤光栅的中心波长偏移量、δl为光纤法珀传感器的腔长变化量，温度系数k1、k3通过温度加载实验标定获得。应变系数k2、k4通过应力加载实验标定获得。
38.本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明采用了制作工艺相对简单的fbg对结构，可同时对同一位置处的温度和应变进行双参数测量，并且利用光纤光栅和光纤法珀的传感特性，提高了所测单参数的精度。
附图说明
39.图1为本发明实施例提供的一种基于fbg对的温度应变双参数测量系统；
40.图2为本发明所使用的基于双光栅的光纤传感器的具体结构示意图；
41.图3为扫频激光经过基于双光栅的光纤传感器后返回的部分光谱信号示意图。
42.图中：扫频激光器1、光分路器2、光环形器3、标准气体吸收池4、光纤传感器5、光电探测器6和a/d采集模块7、信号处理与控制模块8。
具体实施方式
43.下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
44.实施例1：
45.参见图1至图3，一种基于fbg(光纤光栅)对的温度应变双参数测量系统，包括扫频激光器1、光分路器2、多路检测通道、信号处理与控制模块8。
46.所述扫频激光器1向光分路器2发送激光；
47.所述光分路器2将输入激光按等分光比分为多路，并分别输入到多路检测通道中；
48.所述多路检测通道接收由光纤传感器5反射的反射光信号，并对所述反射光信号进行预处理，得到处理后的反射信号；
49.所述多路检测通道包括若干检测通道；每一路检测通道均包括环形器3、光电探测器6、a/d采集模块7，其中一路检测通道包括标准气体吸收池4，其余每路检测通道均包括光纤传感器5；
50.所述光环形器3第一端口用于接收由光分路器2输出的光信号，所述光环形器3第二端口将光信号输出至光纤传感器5中，并接收由光纤传感器5反射的光信号，最终由所述光环形器3的第三端口输出；
51.所述标准气体吸收池4完成扫频光源光谱标定；
52.所述光纤传感器5通过粘贴在被测物体上；
53.所述光电探测器6采集光环形器3第三端口输出的反射光信号，并将反射光信号转换为电信号；所述光电探测器6将电信号发送至a/d采集模块7；
54.所述a/d采集模块7对采集到的电信号进行模数转换；
55.所述信号处理与控制模块8根据处理后的数字信号计算得到被测物体的温度与应变双参数。
56.所述多路检测通道对反射光信号进行预处理的步骤包括：
57.1)利用光电探测器6将反射光信号转换为电信号；
58.2)利用a/d采集模块7将采集到的电信号进行模数转换，得到反射信号。
59.所述光纤传感器5为由fbg对形成的光纤法珀传感器。
60.所述光纤传感器5包括两个规格相同、间距为d的短光纤光栅；两个短光纤光栅之间的等效间隙为本征型光纤法珀腔；所述两个短光纤光栅构成两个相同的光纤光栅传感器，所述两个短光纤光栅及其两者之间的等效本征型光纤法珀腔构成光纤法珀传感器。
61.所述光纤法珀腔的腔长变化量δl与温度变化量δt、光纤法珀传感器应变变化量δε1之间的关系如下所示：
62.δl＝k1δt k2δε1ꢀꢀꢀ
(11)
63.式中，k1和k2为光纤法珀传感器的温度系数与应变系数。
64.短光纤光栅的中心波长偏移量δλ与温度变化量δt、光纤光栅传感器应变变化量δε2之间的关系如下所示：
65.δλ＝k3δt k4δε2ꢀꢀꢀ
(12)
66.式中，k3和k4为光纤光栅传感器的温度系数与应变系数。
67.所述信号处理与控制模块8计算温度与应变双参数的步骤包括：
68.1)所述信号处理与控制模块8采集数字信号，并通过加窗的方式截取整周期信号；
69.2)所述信号处理与控制模块8对获得的整周期信号求导，以去除直流分量，然后再对其进行快速傅里叶变换；
70.3)所述信号处理与控制模块8根据获得的干涉信号频率确定光纤法珀传感器的干涉条纹周期，并计算出光纤法珀腔的腔长变化量δl；
71.4)所述信号处理与控制模块8确定所获得整周期信号每个干涉峰的极大值并进行拟合，得到光纤光栅传感器的反射光谱信号，并计算出光纤光栅传感器的中心波长偏移量δλ；
72.5)建立光纤光栅传感器与光纤法珀传感器的应变关系，即：
73.δε1/δε2＝l
fp
/l
fbg
ꢀꢀꢀ
(13)
74.式中，l
fp
、l
fbg
分别表示光纤法珀传感器的有效初始腔长以及单个光纤光栅传感器的初始长度；
75.6)计算被测物体温度与应变双参数，即：
76.δε1＝(k1l
fp
δλ
‑
k3l
fp
δl)/(k1k4l
fbg
‑
k2k3l
fp
)
ꢀꢀꢀ
(14)
77.δt＝(k2l
fp
δλ
‑
k4l
fbg
δl)/(k2k3l
fp
‑
k1k4l
fbg
)
ꢀꢀꢀ
(15)
78.式中，δλ为短光纤光栅的中心波长偏移量、δl为光纤法珀传感器的腔长变化量，温度系数k1，k3通过温度加载实验标定获得，应变系数k2，k4通过应力加载实验标定获得。
79.实施例2：
80.参见图1至图3，一种基于fbg对的温度应变双参数测量系统，包括扫频激光器1、光分路器2、光环形器3、标准气体吸收池4、光纤传感器5、光电探测器6、a/d采集模块7和信号处理与控制模块8。
81.扫频激光器1为满足经光分路器2入射到多路检测通道的光谱质量，需采用高功率扫频激光光源。
82.标准气体吸收池4主要用于完成绝对光谱标定，以保障光谱测量的准确性。
83.光纤传感器5如图2所示，通过飞秒直写刻栅工艺在一根单模光纤上制作两个间距为1mm左右的短栅，两个短光纤光栅之间构成本征型光纤法珀腔。为减小传感器对被测物体的影响，采用高温胶粘贴的方式固定光纤传感器于被测物体上。
84.高功率扫频激光光源1发出特定频段的激光，经光分路器2按等分光比分为多路，分别输入到各检测通道光环形器3的第一端口，并由光环形器3的第二端口输出，其中一路光信号经过标准气体吸收池进行光谱标定；其余各路光信号均输入到多个不同位置处的相同光纤传感器5中：当光信号经过第一个弱反射率光栅区时，满足bragg条件的特定频率光信号被部分反射，透射光经过第二个相同的弱反射率光栅区时，相同频率的光信号被反射，由于该反射信号经过基于双光栅构成的本征型法珀腔，两束反射信号将发生干涉而输出，部分光谱如图3所示。各检测通道的反射信号再经光环形器3的第三端口被光电探测器接
收，并转换为便于a/d采集模块7采集的电信号，最后将得到的多路数据经信号处理与控制模块8统一处理得到多点应变与温度值。
85.如图3所示的部分光谱，在经过a/d采集模块7转换为数字信号后，可通过使用加窗的方式截取整周期信号，并对其进行快速傅里叶变换，即可得到该信号的频率，进而可解调出光纤法珀腔的腔长和腔长变化量；通过对该信号每个干涉峰寻找极大值点并进行高精度拟合，即可解调出光纤光栅反射谱的中心波长及其偏移量。从而实现对温度和应变双参数的测量。
86.实施例3：
87.由于在解调过程中，光纤光栅的中心波长偏移量不仅会受到温度的影响，还会由被测部件热膨胀引发的应变所干扰。另外，基于双光栅构成的法珀腔的腔长变化量也会受到相同温度和应力的影响。因此本实施例提供了一种基于fbg对的温度应变双参数测量系统的使用方法，具体包括以下步骤：
88.1)搭建基于fbg对的温度应变双参数测量系统。
89.2)扫频激光器1向光分路器2发送激光。
90.3)光分路器2将激光分为多路，每一路激光向一个光环形器3发送。
91.4)一个光环形器3接收到激光后，发送至标准气体吸收池4，其余光环形器3将激光发送至光纤传感器5。
92.5)光纤传感器5监测被测物体的温度变化和应变变化。光纤传感器5对激光进行反射，由光环形器3接收。
93.6)光电探测器6探测由光环形器3接收的反射光，并转换为电信号。
94.7)a/d采集模块7将模拟电信号转换为数字电信号，并发送至信号处理与控制模块8。
95.8)信号处理与控制模块8计算温度和应变双参数，具体实施步骤包括：
96.1)基于fbg对的本征型法珀腔腔长变化量的解调：
97.由于被测结构在加热状态下会产生热膨胀，因此在被测结构上的光纤传感器将同时受到被测结构的温度和由热膨胀引起的应变的影响。光纤法珀腔的腔长变化量δl与温度变化量δt、法珀传感器应变变化量δε1的关系为：
98.δl＝k1δt k2δε1ꢀꢀꢀ
(1)
99.式中，k1和k2为光纤法珀传感器的温度系数与应变系数。
100.通过解调如图3所示的调制光信号，即利用快速傅立叶变换可获得光纤法珀传感器的干涉条纹周期，进而可得到腔长的变化量δl。
101.2)fbg中心波长偏移量的解调：
102.光纤光栅的中心波长偏移量δλ与温度变化量δt、光纤光栅传感器应变变化量δε2的关系为：
103.δλ＝k3δt k4δε2ꢀꢀꢀ
(2)
104.式中，k3和k4为光纤光栅传感器的温度系数与应变系数。
105.通过逐次寻找如图3所示调制光信号每个干涉峰的极大值并进行拟合，即可获得光纤光栅的反射光谱信号，进而可求取光纤光栅的峰值中心波长偏移量δλ。
106.3)温度与应变的求解：
107.因为fbg对和两个光栅之间构成的本征型法珀腔基本上可看作在同一位置处，所受应力相同，且均在同一根光纤上，弹性模量基本一致，则光纤光栅和光栅法珀传感器感受的应变与其各自长度成正比：
108.δε1/δε2＝l
fp
/l
fbg
ꢀꢀꢀ
(3)
109.综合公式(1)(2)(3)可以得到：
110.δε1＝(k1l
fp
δλ
‑
k3l
fp
δl)/(k1k4l
fbg
‑
k2k3l
fp
)
ꢀꢀꢀ
(4)
111.δt＝(k2l
fp
δλ
‑
k4l
fbg
δl)/(k2k3l
fp
‑
k1k4l
fbg
)
ꢀꢀꢀ
(5)
112.通过温度与应力加载实验即可标定温度系数k1、k3和应变系数k2、k4。