基于低相干法的光纤应变测量技术及其应用研究

南京航空航天大学
硕士学位论文
基于低相干法的光纤应变测量技术及其应用研究
姓名：陈盛票
申请学位级别：硕士
专业：测试计量技术及仪器
指导教师：朱永凯
2011-01
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
目前，桥梁、大坝、天然气管道、风力发电场等大型设施安全问题不断出现，急需发展能有效地对这些设施的结构安全进行监测的技术，其中，设施应变的实时监测是结构健康监测的目标之一。

光学方法和光纤传感技术用于应变测量具有强抗干扰性、高测量精度、易于多路复用等诸多优点，通过对应变测量方法的分析，本文提出了基于光学低相干应变测量的方法。

对低相干法光纤应变测量技术进行了理论分析；设计构建了1550nm近红外波段放大自发辐射光源（Amplifier Spontaneous Emission，ASE）的全光纤光学低相干应变传感测量系统，分别对光路干涉模块、信号采集及处理模块、显示存储和控制模块进行了详细设计；软件部分，用LabVIEW 开发设计了具有良好人机交互性能的上位机软件平台；针对抑制色散、滤除信号干扰噪声等技术环节，研究了系统优化方法，提高了系统的测量精度及稳定性；提出了低相干应变测量用于拉伸和扭转的方法，可应用于结构件应变的监测。

系统性能验证结果表明系统的线性度达到±0.44%，重复性可达到0.4%，传感性能良好；应用实验表明，系统能灵敏地检测出结构件发生拉伸和扭转形变的趋势及形变量，具有很好的应用价值。

该研究为全光纤低相干应变测量技术的进一步应用奠定了基础。

关键词：光学低相干，应变测量，测控系统，LabVIEW，信号处理
I
基于低相干法的光纤应变测量技术及其应用研究
II
ABSTRACT
At present, the safety problems of bridges, dams, natural gas pipelines, wind farm and other large
infrastructure are increasing quickly, there is a great demand for the technology in the safety monitoring of these facilities structure, while the real-time monitoring of facilities strain is one of its goals.
Optical method and optical fiber sensing technology have many advantages such as strong anti-jamming, high measurement precision and easy to multiplexing when they were used in strain measurement, this paper puts forward low coherent strain measurement method through the analysis of strain measurement method, and low coherent method of optical fiber strain measurement technology was analyzed in theory as well. A strain measurement system of 1550nm Amplifier Spontaneous Emission (ASE) was designed based on the optical low-coherence interference theory, which carried on the detailed design on optical road, the signal interference module collection, processing module, display storage and control module, respectively. In software section, with the LabVIEW a good human-machine interaction properties of PC software platform was designed as well. In order to restrain dispersion and filter signal noise interference, the method of system optimization had been studied which was also enhanced the measurement's precision and stability. The method that low coherent strain measurement used in tensional deformation and torsion deformation can also be applied in the monitoring of structure strain.
The system performance experiment showed that the linearity of the system was ±0.44% and the repeatability was 0.4%, and sensing capacity is good. While the experimental studies of this system demonstrated that the system can be sensible to detect the trend and deformation of structure's tensional deformation and torsion deformation, which has good application value. The research will lay the foundation for the further study of all-optical strain measurement technique.
Key words: Optical Low-coherence, Strain Measurement, Monitoring and Control System, LabVIEW, Signal Processing
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图清单
图1.1杭州湾跨海大桥 (1)
图1.2海上风力发电场 (1)
图1.3明尼阿波利斯塌桥 (2)
图1.4光纤应变测量方法总结 (4)
图2.1不同相干信号随反射平面镜位移变化图 (7)
图2.2光学低相干应变测量系统光路图 (11)
图2.3低相干最小测量系统组成原理图 (12)
图2.4带功能扩展的应变测量系统组成原理框图 (13)
图2.5三点弯曲测量法原理图 (16)
图2.6三点弯曲测量法受力模型图 (16)
图2.7三点弯曲法的应力量与曲率半径R及曲率1/R的关系曲线图 (17)
图2.8被测件受力弯曲几何受力模型图 (17)
图3.1应变测量系统整体组成框图 (19)
图3.2全光纤光路干涉模块的组成原理图 (20)
图3.3光电探测电路组成原理图 (23)
图3.4构建的光路干涉模块实物图 (24)
图3.5干涉信号频谱分析图 (25)
图3.6PLV单通道模拟量输入子VI信息 (26)
图3.7包络检波分析功能软件界面图 (27)
图3.8截取点数固定（100点），最值点数不同的包络曲线图 (28)
图3.9截取点数与最值点数比例固定（4:1）的包络曲线图 (29)
图3.10包络检波子程序算法实现流程图 (30)
图3.11系统信号采集及处理模块软件设计流程图 (31)
图3.12波形图表（W A VEFORM C HART）控件 (32)
图3.13生产者/消费者设计模式（数据）的实现框图 (33)
图3.14XY图（XY G RAPH）控件 (33)
图3.15XY图追加显示功能的实现框图 (34)
图3.16系统软件字符串显示控件 (34)
图3.17用时间命名文件子VI的设计 (35)
V
基于低相干法的光纤应变测量技术及其应用研究
图3.18测量结果导出程序框图 (35)
图3.19电机通信子VI的设计 (37)
图3.20电机控制平台的软件实现框图 (38)
图3.21单点应变测量控制程序流程图 (39)
图3.22系统软件中选项卡控件的使用界面图 (40)
图3.23系统软件整体运行流程图 (40)
图4.1传感检测样品的制作原理参数及实物图 (42)
图4.2实验用环氧树脂胶及固化剂实物图 (43)
图4.3构建的应力施加平台实物图 (43)
图4.4系统重复性实验结果图 (44)
图4.5对实验数据求平均后的结果图 (45)
图4.6测量结果的直线拟合曲线图 (45)
图4.7实测应变值和理论应变值间的对比曲线图 (47)
图4.8等强度梁拉伸形变测量实验的光纤贴覆图 (50)
图4.9拉伸形变测量坐标图 (51)
图4.10扭转检测实验的光纤贴覆图 (52)
图4.11扭转形变检测结果坐标图 (53)
VI
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表清单
表1.1应变测量方法比较 (2)
表3.1ASE宽带光源典型性能参数表 (21)
表3.2C0617183光纤耦合器典型性能参数表 (21)
表3.3EMP605光电二极管典型性能参数表 (23)
表3.47STA04150A电动平移台典型性能参数表 (24)
表3.57SC303三轴运动控制器控制指令表 (36)
表4.1对测量数据进行的相关分析表 (48)
表4.2拉伸形变测量数据分析表 (51)
表4.3扭转形变检测数据分析表 (52)
VII
基于低相干法的光纤应变测量技术及其应用研究
VIII 注释表 r E 参考光电场
s E 传感光电场 ()l I 总光强
*s E s E 的复共轭矢量 c 真空光速
l 光程差 0λ 光源中心波长
()t υ 参考镜移动速度 0E 初始场
S 传感镜反射比 ()τΓ 光谱分布自相关函数
()τγ 复相干度 ()arg 相位角函数
0ω 宽带光源中心频率 ()νG 光源功率谱函数
c l 宽带光源相干长度 νΔ 宽带光源半高全宽
λΔ 宽带光源功率谱波长宽度 τ 时间延迟
m 施力顶针应力量 n 支撑顶针间距离
d 检测光纤中轴与中性层间距离 R 曲率半径
ρ 曲率 θ 受力中性层所对圆心角
θ′ 应变检测光纤所对圆心角 0L 应变检测光纤初始长度
L Δ 应变检测光纤长度变化量 ε 应变
s 峰值与信号采集起点间距离 v 扫描速度
t 扫描时间 L 线性度
ξ 线性误差 i S 重复性
i W 极差 n d 极差系数
k
相关系数
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1
第一章 绪论
1.1 课题背景
随着经济的快速发展和科技的不断进步，世界各国不断加大对道路、桥梁、石油天然气管道等各种基础设施建设的投入。

目前，国内大型设施、设备的建设正广泛展开，如“南水北调”、“西气东输”等投资巨大的工程建设，加强了国内不同地域资源的有效利用；修建了全长36公里的世界上最长的跨海大桥——杭州湾跨海大桥（如图1.1所示）[1]，带动了浙江杭州湾地区的经济发展；具有划时代意义的三峡水利枢纽建设，有效解决了部分区域用电紧张的局面。

同时，由于全球石油、煤炭等不可再生能源的不断消耗和枯竭，加上全球气候变暖等不可持续发展问题的日俱严重，世界各国正不断加强对风力发电等新能源的开发投入，而新能源技术的重要环节就是能源设备、设施，因此，各种大型风力发电场也不断得到投资建设。

由于海上风能通常高于陆地，而且相比于陆地，海洋地形平坦，风场也相对平稳[2,3]，因此，近年来海上风力发电场（如图1.2所示）得到了较快发展。

图1.1 杭州湾跨海大桥
图1.2 海上风力发电场[4] 但是，伴随着各领域大型设施设备的发展，也频繁发生各种事故。

1959年12月，法国马尔帕塞特(Malpasset)拱坝垮塌[5]；1998年，中国渤海石油钻井2号平台倒塌[6]；2007年8月，美国明尼苏达州明尼阿波利斯的一座桥梁发生坍塌（见图1.3），导致13人死亡，145人受伤[7,8]；同月，我国湖南省凤凰县境内的沱江大桥发生倒塌[9]；2008年2月，丹麦一风力发电机在工作中突然发生爆炸[10]；等等，均造成了不同程度的人员伤亡和经济损失。

此外，风力发电场、石油天然气管道等均处于野外，环境条件十分恶劣，容易出现故障，维修起来需耗费大量的人力物力。

相比而言，海上风力发电场、跨海大桥、海上石油钻井平台等的建造和维修费用要远远高于陆地，而且海上的自然条件也更加恶劣（如闪电、强风等），更是从各方面加大了这些设施的故障率，大大提高对设施故障的维修难度。

因此，对风力发电设备及桥梁、道路等各种基础设施进行健康监测不仅可以避免重大事故的发生，更可以对可能产生的故障起到提前评估预测，进而提前预防处理，使故障在萌发之初就得到排除解决，从而延
基于低相干法的光纤应变测量技术及其应用研究
2 长这些设施设备的使用寿命，提高使用效率。

图1.3 明尼阿波利斯塌桥
众多设施设备在发生故障或故障前期都会有裂纹、疲劳、脱粘、分层等一种或几种情况产生，在这些情况下，最明显的表现是物体具有可恢复或不可恢复的形变。

因此，对物体的形变及形变量（也即应变情况）进行测量是结构健康监测中最为重要的监测参量之一。

因此，本课题选择应变测量作为应用研究的对象具有实际意义。

1.2 应变测量方法概述
目前，测量应变及应变量的方法可分为电学、光学、声学等几大类，而每类中又包含有各种不同的测量方法[11-14]。

表1.1对各主要测量方法的优缺点进行了总结比较。

表1.1 应变测量方法比较
方法 优点
缺点 压阻式[15-18] 1. 精度较高、线性特性较好
2. 易于集成，对结构性能影响小
3. 易于进行各种补偿
4. 可实现在线实时检测
5. 价格较便宜
1. 易受温湿度等环境因素影响
2. 大面积检测系统复杂度高 压电式[19,20] 1. 可对损伤进行准确定位 2. 可实现在线实时检测
3. 价格较便宜
1. 易受温湿度、声噪声等环境因素影响
2. 压电陶瓷具有易脆性
3. 提取的信号较微弱
表1.1（续）
方法优点缺点
光纤[21-24]1.尺寸小、重量轻
2.灵敏度高、测量带宽很宽
3.防腐蚀、抗电磁干扰
4.可构成传感网络，实现在线实
时检测
1.具有易脆性
2.应变和温度识别力差
3.出入口转换问题
4.造价较高
声发射[25,26]1.可监测缺陷的发生和发展
2.可用来确定特定负载下损伤的
危险程度
3.可进行实时实地监测
1.微弱的声发射信号衰减相对较快
2.缺少好的理论结果和监测方法
3.传感器在检测中必须与试件耦合良好
4.试件必须处于应力状态
5.当同时出现大量损伤时精度降低
超声[27-29]1.对表层和内层断裂都较敏感
2.穿透深度优于其它方法
3.在定位反射位置和预测缺陷尺
寸及形状上精度较高
1.要求被检表面光滑
2.需要耦合介质(如水、空气)
3.难以探测出细小裂纹
4.不适用于形状复杂或表面粗糙的试件
涡流[30,31]1.用简单的仪器设备就可实现高
性能快速检测，开发成本低
2.对小缺陷敏感，且适用于进行
局部评估
1.材料必须导电
2.检测范围相对较小
3.多数检测只适用于简单规则的物体
4.精度随检测深度的增加而降低
雷达和微波[32-35]1.可快速高效地进行大面积检测
2.不需要耦合介质
3.对物质变化和结构特征敏感
4.适用于对非金属材料的检测
1.工作受诸多因素影响(如潮湿等)
2.穿透深度受高频限制
3.不能检测金属导体内部缺陷
4.空间分辨率较低(>1mm)
热振动和热弹性[36,37]1.用一个快照就可对大面积进行
检测
2.数据易于保存和处理
3.检测速度快
1.高度依赖于缺陷的深度和尺寸
2.热量的产生高度依赖于裂痕表面的磨
损程度
在以上应变测量方法中，可用于在线实时检测的只有压阻式、压电式、声发射和光纤应变测量法，但压阻式在大面积结构检测中进行应用的难度较大，压电式和声发射的检测信号都较微弱，抗干扰性差，而课题背景部分所提到的设施设备都具有结构巨大、应用环境较为恶劣的特点，因此，只有光纤应变测量法适合用于对大面积结构进行在线实时的检测。

这也是本课题
选择光纤传感器进行应变测量的依据。

而本课题所采用的光学低相干法，除具有一般光学传感的优点外，还具有传感光纤长度可变、易于多路复用等功能特点，更适合应用于结构形变量的测量。

1.3 光纤应变测量技术的发展
光纤应变测量法以光纤作为传感介质，利用光学原理和技术，通过对光的强度、位相、偏振态、波长等光学参数因外界因素（如拉力、压力等）的作用而发生的变化进行检测度量，以
实现对被测物体应变量的测量[38,39]。

虽然光纤应变测量的产生和发展才20多年，但已在较多领域得到研究和应用。

1.3.1 光纤应变测量的发展
光纤自上世纪70年代初被成功加工出来后，因具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、高灵敏度等优点，不仅在通讯领域得到广泛应用，在传感领域也得到了快速的发展和应用。

美国是光纤传感研究起步最早的国家。

从最初在军事领域的航空监测研究应用到后来民用设施传感检测领域的应用，美国在技术上都处于国际领先水平。

上世纪80年代初，日本和欧洲的一些发达国家也相继投入光纤传感研究领域。

随着各国研究的深入，各种不同测量原理的光纤应变测量方法不断得到发展应用。

现根据不同调制方式将光纤应变测量方法总结如下[40-42]：
⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧−−⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧光纤光栅应变传感
波长调制光纤偏振干涉
偏振态调制光纤环形腔干涉干涉光纤干涉
光纤干涉光纤干涉光纤相位调制传感光纤受抑全内反射应变光纤微弯应变传感振幅调制光纤应变测量法 Perot -Fabry Sagnac Zehnder -Mach Michelson 图1.4 光纤应变测量方法总结
我国光纤传感研究始于上世纪70年代末，起步较早。

目前，包括中国科学院、清华大学、南京大学、华中科技大学、上海交通大学、重庆大学、南京航空航天大学、哈尔滨工程大学等上百个科研院所都在从事包括应变测量在内的光纤传感领域的应用研究，而从事光纤传感器生产的公司企业更是为数众多。

虽然一些研究成果达到了国际先进水平，但是，更多的应用研究还是处于实验室研制阶段，在传感器的商品化方面跟欧美等发达国家相比还有较大差距。

而且，公司生产的也是偏低端的光纤传感器产品，高端产品还大量依赖进口。

1.3.2光纤应变传感器的应用
由于具有长传输引线、可嵌入和易于多路复用等优点，在传统的应变测量传感器所无法应用的领域，光纤应变传感器已充分显现出其应用优势。

下面对一些主要的应用领域进行叙述，更为详细的应用可参考文献[43]、[44]、[45]。

(1)海事应用
在海洋环境中，光纤应变传感器具有在短期应用测量中不需要采取大量防水措施的优势。

此外，许多应变传感系统可通过大量传感器的复用，实现对舰艇和潜艇等大型结构的大面积传感检测。

例如，光纤布拉格光栅应变传感器在舰艇表面的波冲击和载荷测量中得到了应用[46,47]，美国船级社（ABS）则将其用于载人潜艇的认证中[48]。

(2)石油和天然气应用
近年来，光纤应变传感器在石油和天然气领域的应用取得了较大进展。

在结构监测方面，已实现将光纤应变传感器应用于管道上升管的监测中。

上升管是在近海平台中广泛应用于包括钻探、注水和石油收集等地方的长结构部件。

由于潮汐会引起这些结构的振动，进而对上升管结构产生影响，因此，最近研究人员将光纤应变传感器用于该领域的应用研究中[49,50]。

(3)风力发电应用
随着石油价格的上涨，发展其替代能源得到了越来越广泛的关注。

其中，风能等可再生能源已成为研究热点。

风力发电机是由复合材料叶片等组成的大型结构。

由于光纤应变传感器易于复用、不受射频噪声影响、不受雷击电荷影响，而且能嵌入复合材料内部进行测量，使其在风机监测方面得到了广泛研究与关注。

风机制造商正在研究提高风机设备效率的有效方法，且开始利用光纤应变传感器进行载荷监测和数据测量[51]。

同时，光纤应变传感器在风机的健康监测[51]、叶片形状测量[52]等方面也有应用。

(4)土木结构监测
光纤应变传感器在土木结构监测中的应用是目前获益最大的领域。

利用长引线纤维和传感器复用的特性，光纤传感器成为大型结构的载荷及结构健康监测的理想方法。

目前，光纤布拉格光栅应变传感器已被应用于桥面[43]、桥墩[53]、斜拉锁[43]等桥梁结构的监测。

在这些监测中，通常将传感器埋入结构内部。

随着光纤布拉格光栅应变传感技术的发展，它将在越来越多的民用结构中得到应用。

基于迈克尔逊干涉仪的系统也被应用于桥梁[54]、大坝[55]、建筑[56]等土木结构的监测。

由于迈克尔逊干涉仪传感器的长度可以做得很长，因此，常被用于大型结构的损伤探测中。

而且，迈克尔逊干涉仪的参考臂和传感臂可以封装在一起，易于实现被测信号的温度补偿。

布里渊散射应变传感系统由于易于埋入被测结构中，也常用于如管道、大坝等土木结构的
监测[57]。

另外，布里渊散射应变传感系统的分布式传感特性允许沿光纤每米间隔进行应变测量，使其在土木结构监测中得到广泛应用。

1.4研究意义
光纤应变传感器所涉及的应用研究领域虽然越来越广，但是，目前应用较成熟的是光纤布拉格光栅应变传感器和光纤F-P应变传感器，它们的应用领域主要集中于土木结构和复合材料的应变传感测量。

其它的应变传感测量方法在国外虽然有一些应用报道，但在国内，更多的都还处于实验室研究阶段，并未实现产品化。

因此，本课题对基于低相干法的光纤应变测量技术及其应用进行研究，是对光纤应变传感方法的补充，具有一定的实际意义，也是后续开展实际应用性研究的基础。

1.5本文的工作
本课题基于光学低相干原理，结合虚拟仪器技术、计算机技术及数字信号处理技术，构建了以全光纤迈克尔逊干涉系统为传感前端，以计算机为硬件核心，虚拟仪器软件平台LabVIEW 为软件核心的应变测量系统，并用其对应变和扭转进行了有效的应用检测。

本文的主要工作包括：
1、详细介绍应变测量技术的发展状况；阐述了低相干测量原理，研究了低相干应变测量系统组成模块的功能原理；分析论证了三点弯曲应变测量法。

2、设计并构建基于光学低相干原理的光纤应变测量系统。

系统根据全光纤低相干应变测量系统的组成原理进行构建，组成包括光路干涉、信号采集及处理、显示存储、控制等模块。

其中，光路干涉模块采用全光纤迈克尔逊干涉原理进行构建；信号采集用数据采集卡实现；信号的接收处理、实时显示、控制信号的发生等均通过上位机LabVIEW软件平台编程实现。

3、通过具体实验对所构建应变测量系统（包括应变检测传感器）的线性特性、重复性等主要性能参数进行实验研究，并对系统进行测量结果的标定。

在该部分实验中，将应变检测光纤贴覆于实验样品表面，并采用力学研究中的三点弯曲法对系统进行性能研究。

4、用所构建的应变测量系统对物体的拉伸及扭转形变分别进行应用实验研究。

应用实验的应变传感检测光纤采用与性能研究实验中相同的贴覆方法，以便直接应用性能研究中所得到的系统特性参数。

在拉伸形变检测实验中，将应变检测光纤贴覆于等强度梁的上边沿，后通过对等强度梁施加应力使其产生弯曲形变；扭转形变的检测通过将两条应变检测光纤在被测样品表面进行交叉贴覆的方式进行。

5、对研究工作所存在的不足及改进措施进行阐述，并就后续有待进行的工作进行展望。

第二章低相干法光纤应变测量技术
低相干光纤应变测量技术的原理是构建实际应变测量系统的基础。

因此，对低相干原理及测量系统组成模块的功能原理有比较全面、深入的理解后，才能构建出合理可行的测量系统。

在本章中，主要从理论层面对低相干法光纤应变测量技术所涉及的相关技术原理进行分析。

本章首先对应变测量所采用的光学低相干原理进行介绍，后着重介绍应变测量系统组成模块的功能原理，最后，对低相干应变测量研究中所采用的三点弯曲法进行理论分析论证。

2.1低相干法光纤应变测量原理
2.1.1光学低相干原理
在两个(或多个)光波叠加的区域，某些点的振动始终加强，另一些点的振动始终减弱，形成在该区域内稳定的光强强弱分布的现象称为光的干涉[58]。

在波动光学里，把能产生相关叠加的两束光称为相干光[59]。

要产生相干叠加，两路光必须满足振动频率相同、方向相同、相位差恒定三个基本条件。

一般两个独立光源所发出的光波无法同时满足上述三个相干条件。

即使它们的频率和振动方向都相同，其相位差也不可能保持恒定。

同一光源两个不同部分所发出的光，也不能满足相干条件，也不是相干光。

因此，只有从同一光源的相同部分发出的光，通过分束装置进行分束，然后再经过不同的光程后相遇，才能满足相干条件，产生光的干涉现象。

普通单色光（如激光）产生干涉条纹的形式是如图 2.1(a)所示的周期性等幅正弦波。

在低相干光学中，由于采用的是宽带光源，因此，产生的是包络经光源光谱傅立叶函数变换调制的正弦波。

由于调制函数的作用，只有传感臂和参考臂的光程差小于光源的相干长度时，才会产生如图2.1 (b)所示的干涉条纹。

其中，具有极大振幅的中心干涉条纹对应于传感臂和参考臂光程的等光程处。

在实际的应用测量中，就是根据产生的干涉信号寻找这一极大的中心干涉条纹。

(a)
强相干光源的情形(b) 低相干光源的情形图2.1 不同相干信号随反射平面镜位移变化图。