一種基于腔長可調(diào)f-p白光干涉解調(diào)裝置的分布式光纖應(yīng)變測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種可用于多點準分布應(yīng)變或 者準溫度分布等物理量的實時監(jiān)測與測量的基于腔長可調(diào)F-P白光干涉解調(diào)裝置的分布 式光纖應(yīng)變測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖白光干涉儀的優(yōu)點之一就是可以很容易地實現(xiàn)多路復(fù)用。多個傳感器在各自 的相干長度內(nèi)，只存在單一的光干涉信號，因而勿需更復(fù)雜的時間或者頻率復(fù)用技術(shù)對信 號進行處理。近年來，白光干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)得到了蓬勃的發(fā)展，其中的一個熱點就是發(fā)展了多 種基于多路復(fù)用技術(shù)的光纖傳感器和測試系統(tǒng)，用于應(yīng)變、溫度、壓力等物理量的測量。多 路復(fù)用技術(shù)的發(fā)展背景主要是由于在實際測量與測試應(yīng)用中，單個物理量以及單一位置點 的傳感，已經(jīng)遠不能滿足人們對事物整體或者系統(tǒng)狀態(tài)感知的要求，這往往需要對多個或 者多點物理量的分布進行在線或者實時的量測。例如對大型結(jié)構(gòu)（水電站、大壩、橋梁等） 的無損檢測與監(jiān)測以確定其安全的過程中，需要將光纖傳感器植入關(guān)鍵部位，并構(gòu)筑成監(jiān) 測網(wǎng)絡(luò)，對其內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變以及溫度等信息進行提取。因此，傳感器數(shù)量通常為幾十個 或者上百個，如果測試系統(tǒng)僅以單點傳感器進行連接，無疑其測試造價將大大提高，同時降 低了系統(tǒng)可靠性。采用多路復(fù)用技術(shù)，利用同一個解調(diào)系統(tǒng)對多個傳感器的測量信息進行 問詢，這不僅極大簡化了系統(tǒng)復(fù)雜程度，而且使測量精度和可靠性也得到了保證。同時，由 于多路復(fù)用技術(shù)，降低了單點傳感器的造價，從而使測試費用大為降低，提高了性價比，使 光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比更具優(yōu)勢。
[0003] 白光干涉光纖傳感器可以有效地避免窄帶激光光源情況下相干長度很長的信號 所遇到的限制和問題?？辗謴?fù)用白光干涉光纖傳感器的一個主要優(yōu)點是可以測量絕對長度 和時間延遲。另外，由于傳感信號的相干長度短，可以消除系統(tǒng)雜散光的時變干擾?？辗謴?fù) 用白光干涉技術(shù)的另一個優(yōu)點是不需要相對復(fù)雜的時分復(fù)用或頻分復(fù)用技術(shù)便可以將多 個傳感器相干復(fù)用在一個信號中?？辗謴?fù)用技術(shù)是通過使用掃描干涉儀（如邁克爾遜干涉 儀）實現(xiàn)信號光與參考光的光程相匹配來實現(xiàn)的。如果兩路信號光的光程相匹配，在干涉 儀的輸出信號中會觀察到白光干涉條紋?？蓪崿F(xiàn)高精度的絕對測量，能夠測量的參量包括 位置、位移、應(yīng)變和溫度等。
[0004] 在實際應(yīng)用中，尤其是在建筑結(jié)構(gòu)的監(jiān)測中，通常需要對建筑結(jié)構(gòu)進行長距離、多 點的準分布式測量。然而，對于傳統(tǒng)的光纖白光干涉儀結(jié)構(gòu)，傳感光纖的長度受到可變掃描 臂的調(diào)節(jié)范圍的限制。另外，即使可以得到長距離的調(diào)節(jié)范圍，光信號在長距離的空間光路 中傳輸?shù)膿p耗也會很大。
[0005] 為解決上述問題，1995年美國H-P公司W(wǎng)ayne V. Sorin和Douglas M. Baney公開 了一種基于光程自相關(guān)器的白光干涉?zhèn)鞲衅鞯膹?fù)用方法（美國專利：專利號5557400)，基 于Michelson干涉儀結(jié)構(gòu)，利用光信號在Michelson干涉儀固定臂和可變掃描臂之間形成 的光程差與光纖傳感器的前后兩個端面反射光信號光程差之間的匹配實現(xiàn)光程自相關(guān)，獲 得該傳感器的白光干涉信號，再利用改變掃描臂與固定臂之間光的程差與多個首尾相接的 串行光纖傳感器陣列中的每個傳感器逐一匹配，完成光纖傳感器的多路復(fù)用。
[0006] 此外，申請人于2007年和2008年公開的低相干絞扭式類Sagnac光纖形變傳感 裝置（中國專利：200710072350. 9)和空分復(fù)用Mach-Zehnder級聯(lián)式光纖干涉儀及測量方 法（中國專利號：ZL 200810136824.6)主要用來解決光纖傳感器復(fù)用陣列布設(shè)過程中抗毀 壞的問題；申請人于2008年公開的光纖Mach-Zehnder與Michelson干涉儀陣列的組合測 量儀（中國專利：ZL 200810136819. 5)和孿生陣列Michelson光纖白光干涉應(yīng)變儀（中國 專利號：ZL200810136820.8)主要用于解決白光光纖干涉儀多路復(fù)用中溫度對測量干擾， 以及溫度和應(yīng)變同時測量問題；申請人于2008年公開的一種簡化式多路復(fù)用白光干涉光 纖傳感解調(diào)裝置（中國專利：ZL 200810136826. 5)和基于可調(diào)Fabry-Perot諧振腔的分布 式光纖白光干涉?zhèn)鞲衅麝嚵校ㄖ袊鴮＠篫L 200810136833. 5)，引入環(huán)形腔、F-P腔光程自 相關(guān)器主要用于簡化多路復(fù)用干涉儀的拓撲結(jié)構(gòu)，構(gòu)造共光路形式，提高溫度穩(wěn)定性；申請 人于2008年公開的一種雙基準長度低相干光纖環(huán)形網(wǎng)絡(luò)傳感解調(diào)裝置（中國專利【申請?zhí)枴?200810136821. 2)4X4光纖耦合器光程自相關(guān)器的引入，目的是解決多基準傳感器的同時 測量問題。
[0007] 但在上述基于空分復(fù)用的干涉儀結(jié)構(gòu)中，光源功率衰減大、光源利用率低，由光源 發(fā)出的光，僅有較小的一部分達到傳感器陣列，被探測器接收形成干涉信號。以W. V. Sorin 公開的光路結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)傳感器陣列反射的光信號通過光纖耦合器1時，只有一半的光進 入Michelson自相關(guān)器，而另一半光沿與光源相連的光路損耗掉。另外，進入Michelson自 相關(guān)器的光，被反射鏡反射后經(jīng)過耦合器2時又只有一半光進入光電探測器，另一半光回 饋到耦合器1中。因此，這種結(jié)構(gòu)最多只有1/4的光源功率對傳感過程有貢獻。另外，經(jīng)過 耦合器1回饋的光會直接進入光源，雖然使用的光源類型為寬譜光，與激光光源相比，對回 饋不十分敏感，但是過大的信號功率反饋，特別是對于SLD和ASE等自發(fā)輻射增益較大的光 源，回饋光會引起光源的較大的噪聲。 【實用新型內(nèi)容】
[0008] 本實用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊、操作調(diào)節(jié)容易的基于腔長可調(diào) F-P白光干涉解調(diào)裝置的分布式光纖應(yīng)變測量系統(tǒng)。
[0009] 本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0010] 基于腔長可調(diào)F-P白光干涉解調(diào)裝置的分布式光纖應(yīng)變測量系統(tǒng)，由寬譜光源1、 四端口光纖環(huán)行器2、雙端口連接的光纖耦合器3、腔長可調(diào)F-P白光干涉解調(diào)裝置4、三端 口光纖環(huán)行器5、第一傳輸光纖6和第二傳輸光纖7、第一光纖傳感器陣列8和第二光纖傳 感器陣列9、第一光電探測信號放大器10和第二光電探測信號放大器11以及第一信號處理 單元12和第二信號處理單元13組成，譜光源1發(fā)出的光經(jīng)由四端口光纖環(huán)行器2后經(jīng)由 光纖耦合器3被注入到腔長可調(diào)F-P白光干涉解調(diào)裝置4,腔長可調(diào)F-P白光干涉解調(diào)裝 置產(chǎn)生光程差可調(diào)的兩束問訊光信號，分別經(jīng)過三端口光纖環(huán)行器和四端口光纖環(huán)行器后 通過第一傳輸光纖6和第二傳輸光纖7被送入第一光纖傳感器陣列8和第二光纖傳感器陣 列9,由第一光纖傳感器陣列8反射回來的干涉信號光再次通過第一傳輸光纖6,經(jīng)由三端 口光纖環(huán)行器5被第一光電探測信號放大器10接收并被放大，信號最后經(jīng)由第一信號處理 單元12處理后給出測量結(jié)果；由第二光纖傳感器陣列9反射回來的干涉信號光再次通過第 二傳輸光纖7,經(jīng)由四端口光纖環(huán)行器2被第二光電探測信號放大器11接收并被放大，最后 經(jīng)第二信號處理單元13處理后給出測量結(jié)果。
[0011] 腔長可調(diào)F-P白光干涉解調(diào)裝置是分別通過兩個雙端口 2X2光纖耦合器將一個 Sagnac環(huán)形光路結(jié)構(gòu)與一個腔長可調(diào)的F-P光纖干涉儀親合連接起來，其中的F-P光纖干 涉儀由一端鍍有全反射鏡42的光纖，另一端和一個光纖自聚焦透鏡準直器43相連接組成， 光纖自聚焦透鏡準直器被固定在一個精密滑移臺的基座上，一個平面光學(xué)反射鏡44被固 定在可以滑移的平臺上，正對著光纖自聚焦透鏡準直器，構(gòu)成了一個光程可調(diào)的F-P干涉 儀。
[0012] 光纖傳感器陣列是由基本的光纖傳感器陣列組成的，而光纖傳感器陣列則是由若 干個首尾依次串接的光纖傳感器組成，每個光纖傳感器則是由一段長度任意的單模光纖組 成，光纖傳感器陣列是將一系列長度不等的單模光纖段構(gòu)成首尾相接的串行陣列或者增加 一個I XM多路光纖開關(guān)的選通連接將M個光纖傳感陣列構(gòu)造成一個巡回檢測的M個線性 光纖傳感器陣列或者通過IX N，N = 2, 3,4…光纖星形耦合器構(gòu)成總線式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)拓 撲結(jié)構(gòu)、星形光纖傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和復(fù)合星形光纖傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。
[0013] 本實用新型的有益效果在于：
[0014] 本實用新型公開了一種基于腔長可調(diào)F-P白光干涉解調(diào)裝置的低相干多路復(fù)用 分布式光纖應(yīng)變測量系統(tǒng)。可用于多點準分布應(yīng)變或者準溫度分布等物理量的實時監(jiān)測與 測量，可廣泛用于大尺寸的智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等領(lǐng)域。它采用Sagnac光纖結(jié)構(gòu)將一個腔長 可調(diào)的F-P干涉儀作為解調(diào)干涉儀連接到系統(tǒng)的光路中。通過采用兩個光纖環(huán)行器將光纖 傳感器陣列和光電探測器連接起來，使光纖傳感器反射的信號全部耦合到光電探測器中， 與在先技術(shù)相比，由于光纖環(huán)形器的使用，消除了反饋回光源的信號，提高了光源的穩(wěn)定 性，同時增強了光源功率的利用率，能夠使光源發(fā)出的光全部得到利用，也進一步提高了傳 感系統(tǒng)的復(fù)用能力。
【附圖說明】
[0015] 圖1是基于腔長可調(diào)F-P白光干涉解調(diào)