[发明专利]基于布里渊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，具体地指一种基于布里渊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。

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，焊点多，焊点与光纤光栅涂覆层位置处抗机械张力远少于光纤本身，造成传感系统可靠性差。布里渊光纤传感通过检测背向的自发或受激布里渊散射光来实现分布式温度与应变的测量，传感距离长，但是解调速度慢、测量精度低。上述两种传感系统也均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，如公开号为CN102607621A的中国发明专利申请《同时检测温度和应变的分布式光纤布里渊传感装置和方法》，其通过两根光纤同时检测温度与应变，因此要求两根光纤具有相同的温度与应变，这限制了工程应用。在实际工程应用中，相关研究学者将高精度的光纤光栅传感与布里渊分布式技术简单组合在一起对结构进行应变检测，除布设分布式传感光纤外，还需要在结构重要位置安装高精度的局部光栅传感器，该检测系统布设相对困难，线路复杂且布设成本高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于布里渊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中传感单元容量小、光纤光栅与光纤熔接点位置引入的插入损耗大、其抗机械强度不能满足工程要求的不足，以及分布式布里渊光纤传感响应慢、测量精度低的不足，本发明具有容量大、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、检测速度和可靠性高等特点。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种基于布里渊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连动态续刻写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传感光纤，m根大容量光纤光栅阵列传感光纤与2×m光开关连接，作为传感探头；

2）宽带光源的激光接入第二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，脉冲信号经第二三端口环形器、2×m光开关后，进入所选择的一根大容量光纤光栅阵列传感光纤，产生的反射信号经2×m光开关回到第二三端口环形器，再经放大、滤波处理后进入高速CCD波长解调模块，解调得到各光纤光栅的反射中心波长λ_i（i=1，2，……N）；

与此同时，窄线宽光源的激光接入第一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传感光纤中全同弱光纤光栅之间的间隔；脉冲信号经第一三端口环形器、2×m光开关后，进入所选择的一根大容量光纤光栅阵列传感光纤，产生的背向布里渊散射信号经2×m光开关回到第一三端口环形器，再经放大、滤波处理后进入布里渊频移外差解调模块，得到各光纤光栅处的布里渊频移ν_i（i=1，2，……N）；

3）某大容量光纤光栅阵列传感光纤上各光纤光栅的反射中心波长λi和布里渊频移νi满足如下公式：

λ_i=λ_i0+C_TΔT_i+C_εΔε_i   （1）

v_i=v_i0+K_TΔT_i+K_εΔε_i   （2）