[发明专利]基于啁啾光栅的应变-温变双参量测量方法

摘要

本发明涉及基于啁啾光栅的应变-温变双参量测量方法，该测量方法通过在光纤上刻写凸字形啁啾光栅，凸字形啁啾光栅的啁啾系数为P，啁啾光栅沿光纤轴向长度为L，啁啾光栅整体谱宽P×L，啁啾光栅中间L/3～2L/3区域反射率高于两侧，形成一个凸字形反射谱，m个凸字形反射谱连续排列，形成连续谱列；进而获得啁啾光栅的应变量εz，啁啾光栅的温变量ΔT及点温变化位置z′，本发明首次利用凸字形啁啾光纤光栅受到轴向应变变化和点温突变影响时光谱变化情况，同时测量点温变化和轴向应变两个参量，实现了真正意义上的光栅式传感器对温度和应变的毫米级分布式测量，大大提高了高阶应变的测量能力和温变位置的精确度。

主权项

1.基于啁啾光栅的应变-温变双参量测量方法，其特征在于包括如下步骤：(1)在光纤上刻写凸字形啁啾光栅，所述凸字形啁啾光栅的啁啾系数为P，啁啾光栅沿光纤轴向长度为L，啁啾光栅整体谱宽P×L，啁啾光栅中间L/3～2L/3区域反射率高于两侧，形成一个凸字形反射谱，m个凸字形反射谱连续排列，形成连续谱列；(2)获得啁啾光栅的应变量ε_z，具体方法如下：(a)设凸字形反射谱连续谱列起始波长为λ，则凸字形反射谱连续谱列中m个拐点处的波长值依次为λ+PL/m、λ+2PL/m.......λ+PL；(b)计算凸字形反射谱连续谱列中m个拐点处的应变量ε_zi，i为正整数，且i∈m：ϵzi=ΔλBiλBi×(1-Pe)]]>其中：P_e为有效弹光系数，硅纤介质中P_e＝0.22；Δλ_Bi为布拉格波长的变化量；λ_Bi为布拉格波长，即凸字形反射谱连续谱列中m个拐点处的波长λ+PL/m和λ+2PL/m.......λ+PL；(c)将由步骤(b)计算得出的凸字形反射谱连续谱列中m个拐点处的应变量ε_zi和起始点的应变量带入沿光纤方向的应变计算公式：ε_z＝K_mz^m+K_m-1z^m-1+…+K₁z+K₀联立求得系数K₀、K₁......K_m；其中z为沿凸字形反射谱连续谱列的位置数值；(d)再将系数K₀、K₁.......K_m带入应变计算公式ε_z＝K_mz^m+K_m-1z^m-1+…+K₁z+K₀，即可求得沿凸字形反射谱连续谱列方向任意位置的应变参量ε_z；(3)获得啁啾光栅的温变量ΔT及点温变化位置z′，具体方法如下：(e)从点温变化时的凸字形反射谱连续谱列中找到尖锐的凹陷点，并计算凹陷点对应的点温变化位置z′，具体方法为：从光谱仪读出点温变化时所述凹陷点对应的波长λ′_B，点温变化前所述凹陷点对应的波长为λ_B，且λ_B＝λ+P×z′，则点温变化位置z′处的布拉格波长的变化量Δλ_B＝λ′_B-λ_B，将Δλ_B＝λ′_B-λ_B与λ_B＝λ+P×z′代入下式：ϵzi=ΔλBiλBi×(1-Pe);]]>得到ϵz=λB′-λBλB×(1-Pe)=λB′-(λ+P×z′)(λ+P×z′)×(1-Pe)]]>联立公式与ε_z＝K_mz^m+K_m-1z^m-1+…+K₁z+K₀即可求得点温变化位置z′；其中：λ为凸字形反射谱连续谱列起始波长；P为凸字形啁啾光栅的啁啾系数；(f)利用下式计算得到啁啾光栅的温变量ΔT，ΔλBλB=(α+ξ)ΔT]]>其中：α为光纤材料的膨胀系数；ξ为热光系数，硅纤中ξ＝6.67×10^-6℃^-1；Δλ_B为点温变化位置z′处的布拉格波长的变化量；λ_B为点温变化位置z′处的布拉格波长。