基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器及應(yīng)變檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器及應(yīng)變測(cè)量方法。ASE光源發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)光起偏器、光電調(diào)制器后變?yōu)槊}沖光；脈沖光在環(huán)形衰蕩腔內(nèi)多次循環(huán)衰減，在每次的循環(huán)中，只有小部分信號(hào)光通過第二耦合器的第一輸出端輸出，并被光電探測(cè)器檢測(cè)，其余部分繼續(xù)在環(huán)形腔中衰減。當(dāng)傳感光纖光柵產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，傳感光纖光柵和輔助光纖光柵光譜的相對(duì)位置發(fā)生變化，導(dǎo)致環(huán)形衰蕩腔的損耗變化，進(jìn)而導(dǎo)致脈沖信號(hào)的衰蕩時(shí)間變化，因此通過探測(cè)脈沖信號(hào)的衰蕩時(shí)間可獲得傳感光纖光柵的應(yīng)變。由于傳感光纖光柵和輔助光纖光柵的溫度響應(yīng)相同，溫度變化不會(huì)改變環(huán)形衰蕩腔的損耗以及光脈沖信號(hào)的衰蕩時(shí)間，因此該傳感器可實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)補(bǔ)償。
【專利說明】
基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器及應(yīng)變檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及應(yīng)變傳感技術(shù)，尤其涉及一種基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖光柵應(yīng)變傳感器以激光作為應(yīng)變信息的載體，利用光纖傳輸激光，因此，與傳 統(tǒng)的電信號(hào)為基礎(chǔ)的應(yīng)變傳感器相比，具有電絕緣、抗電磁干擾、體積小、重量輕、可多路復(fù) 用、可現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)遙測(cè)和動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，目前廣泛應(yīng)用于民用工程結(jié)構(gòu)、 航空航天業(yè)、船舶航運(yùn)業(yè)、電力工業(yè)、石油化工業(yè)、醫(yī)學(xué)、核工業(yè)等行業(yè)，尤其是在高電壓、強(qiáng) 電磁場(chǎng)、易燃易爆的惡劣環(huán)境中具有很強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
[0003] 光纖光柵不但對(duì)應(yīng)變敏感，同時(shí)對(duì)溫度也異常敏感，因此利用光纖光柵測(cè)量應(yīng)變 信號(hào)時(shí)必須消除環(huán)境溫度的影響。此外，1微應(yīng)變只能引起光纖光柵約lpm的波長變化，要提 高光纖光柵的應(yīng)變靈敏度需要借助高靈敏的解調(diào)方法。
[0004] 光纖環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)是一種光信號(hào)解調(diào)方法，具有靈敏度高、不受光源光強(qiáng) 波動(dòng)影響、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，引起了廣泛關(guān)注，成為痕量檢測(cè)的主要技術(shù)手段之一。
[0005] 文章 l(Daqing Tang, Dexing Yang, Yajun Jiang, Jianlin Zhao , Haiyan Wang, Shiquan Jiang, "Fiber loop ring-down optical fiber grating gas pressure sensor," Qoiics a/3t/ lasers i/3 2010，48:1262-1265.)披露了一種基于 光纖環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)和單個(gè)光纖光柵的壓力傳感器，盡管此傳感器理論上可提高光纖 光柵的測(cè)量靈敏度，但是由于無法補(bǔ)償環(huán)境溫度的影響，因此只能應(yīng)用于恒溫條件下;文章 2(N. Ni,C. C. Chan,Χ. Y. Dong, J. Sunand P Shum, "Cavity ring-down long-period fibregrating strain sensorMeasurement Science and Technology, 2007, 18:3135-3138.)披露了一種基于光纖環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)、長周期光柵和光纖光柵的應(yīng)變 傳感器，由于長周期光柵和光纖光柵對(duì)溫度的響應(yīng)不同，因此，此應(yīng)變傳感器同樣無法補(bǔ)償 溫度的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 在下文中給出了關(guān)于本發(fā)明的簡要概述，以便提供關(guān)于本發(fā)明的某些方面的基本 理解。應(yīng)當(dāng)理解，這個(gè)概述并不是關(guān)于本發(fā)明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發(fā)明的關(guān) 鍵或重要部分，也不是意圖限定本發(fā)明的范圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念， 以此作為稍后論述的更詳細(xì)描述的前序。
[0007] 鑒于此，本發(fā)明提供了 一種基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器及應(yīng)變檢測(cè)方 法，以至少解決現(xiàn)有的基于光纖環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)和光纖光柵的應(yīng)變傳感器受溫度干擾 的問題。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器及應(yīng)變 檢測(cè)方法，該基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器包括ASE光源、起偏器、電光調(diào)制器、波形 發(fā)生器、環(huán)形衰蕩腔、光電探測(cè)器和示波器;其中，環(huán)形衰蕩腔由第一耦合器、第一環(huán)形器、 傳感光纖光柵、EDFA放大器、第二親合器、第二環(huán)形器、輔助光纖光柵和延時(shí)光纖構(gòu)成；ASE 光源發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)起偏器變?yōu)槊}沖光，該脈沖光在環(huán)形衰蕩腔內(nèi)循環(huán)衰減，衰減后的脈 沖光信號(hào)由第二耦合器的第二輸出端輸出，然后進(jìn)入光電探測(cè)器，光電探測(cè)器將接收到的 衰蕩脈沖光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，該電信號(hào)由示波器輸出。
[0009] 進(jìn)一步地，第一親合器的輸出端與第一環(huán)形器的輸入端連接，第一環(huán)形器的輸入 輸出端與傳感光纖光柵連接，第一環(huán)形器的輸出端與EDFA放大器的輸入端連接，EDFA放大 器的輸出端與第二耦合器的輸入端連接，第二耦合器的第一輸出端與光電探測(cè)器連接，第 二耦合器的第二輸出端與第二環(huán)形器的輸入端連接，第二環(huán)形器的輸入輸出端與輔助光纖 光柵連接，第二環(huán)形器的輸出端與延時(shí)光纖的輸入端連接，延時(shí)光纖的輸出端與所述第一 耦合器的第二輸入端連接。
[0010] 進(jìn)一步地，傳感光纖光柵和輔助光纖光柵的反射譜均近似為高斯型，傳感光纖光 柵的3dB譜寬小于輔助光纖光柵的3dB譜寬的一半，且傳感光纖光柵的中心波長位于輔助光 纖光柵的反射譜的斜坡上;傳感光纖光柵對(duì)被測(cè)應(yīng)變和環(huán)境溫度同時(shí)敏感，輔助光纖光柵 對(duì)環(huán)境溫度敏感而對(duì)被測(cè)應(yīng)變不敏感，且傳感光纖光柵和輔助光纖光柵對(duì)環(huán)境溫度的響應(yīng) 相同。
[0011] 進(jìn)一步地，ASE光源為寬譜光源，且在工作波段內(nèi)輸出光譜的光強(qiáng)相同。
[0012] 進(jìn)一步地，ASE光源發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)過起偏器和光電調(diào)制器后變?yōu)槊}沖光，該脈沖 光由第一耦合器的第一輸入端進(jìn)入環(huán)形衰蕩腔，且在環(huán)形衰蕩腔內(nèi)每循環(huán)一周都有相同光 強(qiáng)比例的部分脈沖光由第二耦合器的第一輸出端輸出，然后進(jìn)入光電探測(cè)器接收。
[0013] 進(jìn)一步地，波形發(fā)生器為光電調(diào)制器提供脈沖調(diào)制信號(hào)。
[0014]進(jìn)一步地，所述第一親合器的第一輸入端和第二輸入端的分光比為1:99,所述第 二親合器的第一輸出端和第二輸出端的分光比為1:99。
[0015] 進(jìn)一步地，脈沖光在環(huán)形衰蕩腔內(nèi)循環(huán)一周所需的時(shí)間為脈沖光寬度的2-10倍， 為脈沖光周期的1/50-1/20。
[0016] 進(jìn)一步地，ASE光源的工作波段為1530nm-1570nm。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器的應(yīng) 變檢測(cè)方法，該檢測(cè)方法為： 步驟一:波形發(fā)生器給光電調(diào)制器提供脈沖信號(hào)，使ASE光源發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)起偏器和 光電調(diào)制器后變?yōu)槊}沖光，通過控制該脈沖光的脈寬和周期以及延時(shí)光纖的長度，使脈沖 光在環(huán)形衰蕩腔內(nèi)循環(huán)一周所需的時(shí)間i r為脈沖光脈寬的2-10倍、脈沖光周期的1/50-1/ 20； 步驟二:通過調(diào)節(jié)EDFA放大器的增益調(diào)節(jié)環(huán)形衰蕩腔的環(huán)路損耗，使示波器輸出衰蕩 的脈沖電壓信號(hào)，然后固定H)FA放大器的增益，保證應(yīng)變測(cè)量過程中此增益保持不變； 步驟三:根據(jù)輔助光纖光柵反射譜的邊帶斜率1、傳感光纖光柵的彈光系數(shù)光脈 沖信號(hào)在環(huán)形衰蕩腔中傳輸一圈所用的時(shí)間和脈沖光在環(huán)形衰蕩腔內(nèi)衰蕩時(shí)間r的變 化量(6/得到傳感光纖光柵的應(yīng)變變化量(6/ ?。
[0018] 本發(fā)明的基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器，通過將兩光纖光柵在環(huán)形衰蕩腔 內(nèi)級(jí)聯(lián)的方式解決了溫度對(duì)傳感光纖光柵的干擾問題，由于采用了光纖環(huán)形腔衰蕩光譜技 術(shù)該應(yīng)變傳感器具有靈敏度高、不受光源光強(qiáng)波動(dòng)影響、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
[0019] 通過以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的最佳實(shí)施例的詳細(xì)說明，本發(fā)明的這些以及其他優(yōu) 點(diǎn)將更加明顯。
[0020]
【附圖說明】
[0021]本發(fā)明可以通過參考下文中結(jié)合附圖所給出的描述而得到更好的理解，其中在所 有附圖中使用了相同或相似的附圖標(biāo)記來表示相同或者相似的部件。所述附圖連同下面的 詳細(xì)說明一起包含在本說明書中并且形成本說明書的一部分，而且用來進(jìn)一步舉例說明本 發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例和解釋本發(fā)明的原理和優(yōu)點(diǎn)。在附圖中： 圖1是示出本發(fā)明的基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器的一個(gè)示例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是示出圖1所示的傳感光纖光柵和輔助光纖光柵的一種可能光譜分布的示意圖； 本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，附圖中的元件僅僅是為了簡單和清楚起見而示出的，而且 不一定是按比例繪制的。例如，附圖中某些元件的尺寸可能相對(duì)于其他元件放大了，以便有 助于提高對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的理解； 圖3是示出本發(fā)明的基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器的應(yīng)變檢測(cè)方法。
【具體實(shí)施方式】
[0022]在下文中將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的示范性實(shí)施例進(jìn)行描述。為了清楚和簡明起見， 在說明書中并未描述實(shí)際實(shí)施方式的所有特征。然而，應(yīng)該了解，在開發(fā)任何這種實(shí)際實(shí)施 例的過程中必須做出很多特定于實(shí)施方式的決定，以便實(shí)現(xiàn)開發(fā)人員的具體目標(biāo)，例如，符 合與系統(tǒng)及業(yè)務(wù)相關(guān)的那些限制條件，并且這些限制條件可能會(huì)隨著實(shí)施方式的不同而有 所改變。此外，還應(yīng)該了解，雖然開發(fā)工作有可能是非常復(fù)雜和費(fèi)時(shí)的，但對(duì)得益于本公開 內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，這種開發(fā)工作僅僅是例行的任務(wù)。
[0023] 在此，還需要說明的一點(diǎn)是，為了避免因不必要的細(xì)節(jié)而模糊了本發(fā)明，在附圖中 僅僅示出了與根據(jù)本發(fā)明的方案密切相關(guān)的裝置結(jié)構(gòu)和/或處理步驟，而省略了與本發(fā)明 關(guān)系不大的其他細(xì)節(jié)。
[0024] 本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器，該基于環(huán)形腔 衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器包括ASE光源、起偏器、電光調(diào)制器、波形發(fā)生器、環(huán)形衰蕩腔、光 電探測(cè)器和示波器;環(huán)形衰蕩腔由第一耦合器、第一環(huán)形器、傳感光纖光柵、EDFA放大器、第 二耦合器、第二環(huán)形器、輔助光纖光柵和延時(shí)光纖構(gòu)成；ASE光源發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)過起偏器 和光電調(diào)制器后變?yōu)槊}沖光，該脈沖光由第一耦合器的第一輸入端進(jìn)入環(huán)形衰蕩腔，且在 環(huán)形衰蕩腔內(nèi)每循環(huán)一周都有相同光強(qiáng)比例的部分脈沖光由第二親合器的第一輸出端輸 出，然后進(jìn)入光電探測(cè)器接收。
[0025] 下面結(jié)合圖1來描述本發(fā)明的基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器的一個(gè)示例。 如圖1所示，本發(fā)明的基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器包括ASE光源1、起偏器2、電光調(diào) 制器3、波形發(fā)生器4、環(huán)形衰蕩腔5、光電探測(cè)器6和示波器7。
[0026] 其中，環(huán)形衰蕩腔5包括第一親合器501、第一環(huán)形器502、傳感光纖光柵503、EDFA 放大器504、第二親合器505、第二環(huán)形器506、輔助光纖光柵507和延時(shí)光纖508。
[0027] 第一親合器501的輸出端501C與第一環(huán)形器502的輸入端502A連接，第一環(huán)形器 502的輸入輸出端502B與傳感光纖光柵503連接，第一環(huán)形器502的輸出端502C與EDFA放大 器504的輸入端連接，EDFA放大器504輸出端與第二耦合器505的輸入端505C連接，第二耦合 器505的第一輸出端505A與光電探測(cè)器6連接，第二親合器505的第二輸出端505B與第二環(huán) 形器506的輸入端506A連接，第二環(huán)形器506的輸入輸出端506B與輔助光纖光柵507連接，第 二環(huán)形器506的輸出端506C與所述延時(shí)光纖508的輸入端連接，延時(shí)光纖508的輸出端與第 一耦合器501的第二輸入端501B連接。
[0028]如圖2所示，所述光纖光柵503和輔助光纖光柵507的反射譜均近似為高斯型，傳感 光纖光柵503的3dB譜寬小于輔助光纖光柵507的3dB譜寬的一半，且傳感光纖光柵503的中 心波長位于輔助光纖光柵507的反射譜的斜坡上。
[0029] 傳感光纖光柵503對(duì)被測(cè)應(yīng)變和環(huán)境溫度同時(shí)敏感，輔助光纖光柵507對(duì)環(huán)境溫度 敏感而對(duì)被測(cè)應(yīng)變不敏感，且傳感光纖光柵503和輔助光纖光柵507對(duì)環(huán)境溫度的響應(yīng)相 同； 脈沖光在光纖環(huán)形腔內(nèi)循環(huán)一周所需的時(shí)間為脈沖光寬度的2-10倍，為脈沖光周期的 1/50-1/20。
[0030] ASE光源為寬譜光源，輸出波長為1530nm-1570nm，且在此工作波段內(nèi)輸出光譜的 光強(qiáng)相同。
[0031] 結(jié)合圖3說明了本發(fā)明的基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器的應(yīng)變檢測(cè)方法， 該檢測(cè)方法為： 步驟一:波形發(fā)生器給光電調(diào)制器提供脈沖信號(hào)，使ASE光源發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)起偏器和 光電調(diào)制器后變?yōu)槊}沖光，通過控制該脈沖光的脈寬和周期以及延時(shí)光纖的長度，使脈沖 光在環(huán)形衰蕩腔內(nèi)循環(huán)一周所需的時(shí)間i r為脈沖光脈寬的2-10倍、脈沖光周期的1/50-1/ 20； 步驟二:通過調(diào)節(jié)EDFA放大器的增益調(diào)節(jié)環(huán)形衰蕩腔的環(huán)路損耗，使示波器輸出衰蕩 的脈沖電壓信號(hào)，然后固定H)FA放大器的增益，保證應(yīng)變測(cè)量過程中此增益保持不變； 步驟三:根據(jù)輔助光纖光柵反射譜的邊帶斜率1、傳感光纖光柵的彈光系數(shù)光脈 沖信號(hào)在環(huán)形衰蕩腔中傳輸一圈所用的時(shí)間和脈沖光在環(huán)形衰蕩腔內(nèi)衰蕩時(shí)間r的變 化量c/ r得到傳感光纖光柵的應(yīng)變變化量(6/
[0032] 相比于文章 1 (Daqing Tang , Dexing Yang , Yajun Jiang, Jianlin Zhao , Haiyan Wang, Shiquan Jiang, "Fiber loop ring-down optical fiber grating gas pressure sensor Optics and Lasers in Engineering, 2010， 48:1262 - 1265.)萍口文章 2(N. Ni,C. C. Chan,X. Y. Dong, J. Sunand P Shum，"Cavity ring-down long-period fibregrating strain sensor，'， Measurement Science and Technology, 2007， 18:3135-3138.)，本發(fā)明的基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器由于采用了雙光纖光柵級(jí) 聯(lián)的方式構(gòu)成環(huán)形衰蕩腔，而且兩光纖光柵的溫度響應(yīng)相同，導(dǎo)致環(huán)形衰蕩腔的損耗與溫 度無關(guān)，因此可實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)補(bǔ)償。而上述文章1中由于只使用了單根光纖光柵，因此無法 實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)補(bǔ)償;上述文章2中由于長周期光纖光柵和光纖光柵的溫度響應(yīng)不同，因此也 不能實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。
[0033] 此外，相對(duì)于上述文章1，本發(fā)明的基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器由于采用 了ASE光源，因此，還具有可多點(diǎn)分布式傳感的優(yōu)點(diǎn)，而上述文章1披露的傳感器采用的是窄 帶光源，因此無法實(shí)現(xiàn)分布式傳感。相對(duì)于上述文章2,本發(fā)明的應(yīng)變傳感器還具有靈敏度 高的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)楸景l(fā)明的應(yīng)變傳感器所采用了雙光纖光柵級(jí)聯(lián)的方式比上述文章2披露的 傳感器所采用的長周期光柵與光纖光柵級(jí)聯(lián)的方式靈敏度高。
[0034] 應(yīng)用示例1 下面描述本發(fā)明的基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器的一個(gè)應(yīng)用示例。
[0035] ASE光源發(fā)出的連續(xù)光被電光調(diào)制器調(diào)制后變?yōu)槊}沖信號(hào)光，經(jīng)第一耦合器后進(jìn) 入環(huán)形衰蕩腔循環(huán)多次，在每次的循環(huán)中，只有一小部分脈沖信號(hào)光通過第二耦合器的第 一輸出端輸出，并被光電探測(cè)器檢測(cè)到，其余部分繼續(xù)在環(huán)形腔中衰蕩損耗。被光電探測(cè)器 檢測(cè)到的信號(hào)光呈現(xiàn)指數(shù)衰減形式，可以用下式表示：
式（1)中I表不在t時(shí)刻的光強(qiáng)（也即從第二親合器第二輸出端輸出的光強(qiáng)）， L，c，n和δ分別表示該環(huán)形衰蕩腔光纖的總長度，光在光纖中的傳播速度，光纖纖芯的折射 率及光在環(huán)形腔內(nèi)的總損耗。而實(shí)時(shí)脈沖信號(hào)光強(qiáng)度I可以由（2)式得出：
Ιο表示初始光強(qiáng)（也即從第一耦合器的第一輸入端輸入環(huán)形衰蕩腔的光強(qiáng)為 光脈沖信號(hào)在環(huán)形腔中傳輸一圈所用的時(shí)間，當(dāng)光電探測(cè)器檢測(cè)到光強(qiáng)在環(huán)形腔內(nèi)衰減到 初始光強(qiáng)/〇的Ι/e時(shí)，衰蕩光譜的衰蕩時(shí)間r與環(huán)形衰蕩腔損耗5之間的關(guān)系為：
對(duì)公式(3)兩邊進(jìn)行微分可得：
式中，知是環(huán)形衰蕩腔的固定損耗值，是外界物理量作用下脈沖光信號(hào)在傳感單 元中產(chǎn)生的損耗。如圖2所示，當(dāng)傳感光柵產(chǎn)生應(yīng)變e時(shí)，其中心波長相對(duì)于輔助光纖光柵 移動(dòng)A A，導(dǎo)致信號(hào)光產(chǎn)生的損耗為 & 義 ΑΛλ # I - (5) 其中為輔助光纖光柵反射譜的斜率，為傳感光纖光柵的彈光系數(shù)，e為傳感光 纖光柵的應(yīng)變，A Α為傳感光纖光柵波長的變化量。
[0036] 將公式(5)代入公式(4)得：
公式(6)表明：傳感光纖光柵應(yīng)變的變化量(6/ e與脈沖光在環(huán)形衰蕩腔內(nèi)的衰蕩時(shí)間 的變化量c/ r成正比，通過測(cè)量脈沖光在環(huán)形衰蕩腔內(nèi)的衰蕩時(shí)間即可獲得傳感光纖光柵 應(yīng)變。
[0037]本發(fā)明應(yīng)變傳感器可溫度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)脑颍?由于傳感光纖光柵和輔助光纖光柵材料相同，且處于相同環(huán)境下，所以它們對(duì)溫度的 響應(yīng)是相同的，環(huán)境溫度變化時(shí)傳感光纖光柵和輔助光纖光柵中心波長的變化相同，因此 溫度不會(huì)改變傳感光纖光柵和輔助光纖光柵中心波長的相對(duì)位置，即不會(huì)改變環(huán)形衰蕩腔 的損耗，進(jìn)而不會(huì)改變脈沖光在環(huán)形衰蕩腔內(nèi)的衰蕩時(shí)間。因此，本發(fā)明應(yīng)變傳感器可實(shí)現(xiàn) 溫度自動(dòng)補(bǔ)償。
[0038]盡管根據(jù)有限數(shù)量的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是受益于上面的描述，本技術(shù)領(lǐng)域 內(nèi)的技術(shù)人員明白，在由此描述的本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以設(shè)想其它實(shí)施例。此外，應(yīng)當(dāng)注意， 本說明書中使用的語言主要是為了可讀性和教導(dǎo)的目的而選擇的，而不是為了解釋或者限 定本發(fā)明的主題而選擇的。因此，在不偏離所附權(quán)利要求書的范圍和精神的情況下，對(duì)于本 技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說許多修改和變更都是顯而易見的。對(duì)于本發(fā)明的范圍，對(duì)本 發(fā)明所做的公開是說明性的，而非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器，其特征在于，所述基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù) 應(yīng)變傳感器包括ASE光源（1)、起偏器(2)、電光調(diào)制器(3)、波形發(fā)生器(4)、環(huán)形衰蕩腔(5)、 光電探測(cè)器(6)和示波器(7); 其中，所述環(huán)形衰蕩腔（5)由第一親合器（501)、第一環(huán)形器（502)、傳感光纖光柵 (503)、EDFA放大器(504)、第二耦合器(505)、第二環(huán)形器(506)、輔助光纖光柵(507)和延時(shí) 光纖(508)構(gòu)成； 所述第一親合器(501)的輸出端(501C)與所述第一環(huán)形器(502)的輸入端(502A)連接， 所述第一環(huán)形器（502)的輸入輸出端（502B)與傳感光纖光柵（503)連接，所述第一環(huán)形器 (502)的輸出端(502C)與所述EDFA放大器(504)的輸入端連接，所述EDFA放大器(504)的輸 出端與所述第二親合器（505)的輸入端（505C)連接，所述第二親合器(505)的第一輸出端 (505A)與所述光電探測(cè)器(6)連接，所述第二耦合器(505)的第二輸出端(505B)與所述第二 環(huán)形器(506)的輸入端(506A)連接，所述第二環(huán)形器(506)的輸入輸出端(506B)與輔助光纖 光柵(507)連接，所述第二環(huán)形器(506)的輸出端（506C)與所述延時(shí)光纖（508)的輸入端連 接，所述延時(shí)光纖(508)的輸出端與所述第一親合器(501)的第二輸入端(501B)連接； 所述傳感光纖光柵(503)和所述輔助光纖光柵(507)的反射譜均近似為高斯型，所述傳 感光纖光柵(503)的3dB譜寬小于所述輔助光纖光柵(507)的3dB譜寬的一半，且所述傳感光 纖光柵(503)的中心波長位于所述輔助光纖光柵(507)的反射譜的邊帶上； 所述傳感光纖光柵(503)對(duì)被測(cè)應(yīng)變和環(huán)境溫度同時(shí)敏感，所述輔助光纖光柵(507)對(duì) 環(huán)境溫度敏感而對(duì)被測(cè)應(yīng)變不敏感，且所述傳感光纖光柵(503)和所述輔助光纖光柵(507) 對(duì)環(huán)境溫度的響應(yīng)相同； 所述的ASE光源為寬譜光源，且在工作波段內(nèi)輸出光譜的光強(qiáng)相同； 所述的ASE光源（1)發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)過所述起偏器(2)和所述光電調(diào)制器(3)后變?yōu)槊} 沖光，所述脈沖光由所述第一耦合器的第一輸入端(501A)進(jìn)入所述環(huán)形衰蕩腔(5)，并在環(huán) 形衰蕩腔（5)內(nèi)循環(huán)衰減，在每次的循環(huán)中，只有一小部分脈沖信號(hào)光通過第二耦合器 (505)的第一輸出端(505A)輸出，并被光電探測(cè)器檢測(cè)，其余部分繼續(xù)在環(huán)形腔中衰減。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器，其特征在于，所述第一 親合器(501)的第一輸入端(501A)和第二輸入端（501B)的分光比為1:99,所述第二親合器 (505)的第一輸出端(505A)和第二輸出端(505B)的分光比為1:99。3. 根據(jù)權(quán)利要求1-2任一項(xiàng)所述的基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器，其特征在于， 所述脈沖光在所述環(huán)形衰蕩腔(5)內(nèi)循環(huán)一周所需的時(shí)間為所述脈沖光的脈沖寬度的2-10 倍，且所述脈沖光在所述環(huán)形衰蕩腔(5)內(nèi)循環(huán)一周所需的時(shí)間為所述脈沖光周期的1/50-1/20〇4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器，其特征在于， 所述ASE光源（1)的工作波段為1530nm-1570nm。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器的應(yīng)變檢測(cè)方法，其特 征在于，所述方法為： 步驟一:波形發(fā)生器(4)給光電調(diào)制器(3)提供脈沖信號(hào)，使ASE光源（1)發(fā)出的連續(xù)光 經(jīng)起偏器(2)和光電調(diào)制器(3)后變?yōu)槊}沖光，通過控制該脈沖光的脈寬和周期以及延時(shí)光 纖(508)的長度，使脈沖光在環(huán)形衰蕩腔(5)內(nèi)循環(huán)一周所需的時(shí)間^為脈沖光脈寬的2-10 倍、脈沖光周期的1/50-1/20; 步驟二:通過調(diào)節(jié)EDFA放大器(504)的增益調(diào)節(jié)環(huán)形衰蕩腔（5)的環(huán)路損耗，使示波器 (7)輸出衰蕩的脈沖電壓信號(hào)，然后固定EDFA放大器(504)的增益，保證應(yīng)變測(cè)量過程中此 增益保持不變； 步驟三:根據(jù)輔助光纖光柵（507)反射譜的邊帶斜率1、傳感光纖光柵（503)的彈光系 數(shù)Ρ Θ、光脈沖信號(hào)在環(huán)形衰蕩腔(5)中傳輸一圈所用的時(shí)間? _r和脈沖光在環(huán)形衰蕩腔(5) 內(nèi)衰蕩時(shí)間Γ的變化量(6/ Γ得到傳感光纖光柵(503)的應(yīng)變變化量c/e。
【文檔編號(hào)】G01B11/16GK106091973SQ201610518516
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月5日
【發(fā)明人】楊玉強(qiáng), 葛偉, 李林軍, 張換男, 楊群
【申請(qǐng)人】哈爾濱理工大學(xué)