基于光频域布里渊散射的全分布式光纤应变传感器的

图5 A、B、C3点的应力反射谱
由实验结果可知,Δv/ε=9.72×1010,系统应变测量 分 辨 率 为 0.62µε。 实 验 图 中 ,前 7 次 测 量 结 果 基 本 为 线 性,而后面的测量结果不是线性,这主要是由于ห้องสมุดไป่ตู้FBGFPI 的腔长是由 PZT 进行控制,在腔长增加的过程中,PZT 呈 现 出 非 线 性 的 特 征 ,而 且 随 着 测 量 频 率 的 增 加 ,FBGFPI的中心透射谱的透射率逐渐降低而导致的。
摘要 根据光纤受到拉伸应变时布里渊散射频移改变的特性,提出了基于光频域反射法的分布式光纤 应 变 测 量 系 统,系 统 采 用 了光纤光栅法布里 珀罗干涉仪对布里渊频移进行直接测量的新方法,并给出了实验系统及实验结果,表明了该方案的可行性。 关键词 光频域反射法 布里渊散射 光纤光栅法布里 珀罗干涉仪 应 变 中图分类号 TP212.14 文献标识码 A 国家标准学科分类代码 460.4035
速 。 因 此 ,由 式 (6)和 式 (7)可 以 得 到 :
fbeat=2fsΔfLn/c
(8)
由(8)式可以看 出,对 应 光 纤 上 不 同 的 测 量 点,接
收端有不同的时延,从 而 由 混 频 器 产 生 不 同 的 拍 频 信
号。通过测量不同的拍频信号就可以确定光纤上测量
点的位置。同时结合由 FBGFPI测量得到的布里渊频 移 量 ,最 后 实 现 光 纤 应 变 的 分 布 测 量 。
mentalsetupandresultarepresented.Theprimaryresultconfirmsthisconfigurationisfeasible.
Keywords OFDR Brillouinscattering FBGFPI Strain 用前景[1]。目前,基于布 里 渊 散 射 的 分 布 式 传 感 系 统
频 移 一 般 都 很 小 ,直 接 测 量 极 为 困 难 。P.C.Wait等 人 利用 F-P 干涉仪实现了布里渊信 号 的 测 量[3],由 于 F-
好的传光性能,对光波的损耗非常低,而且具有很好 的 P干涉仪的稳定性较差,影响测量精度的提高。近年来,
埋入性,可以直接 将 其 埋 入 材 料 或 结 构 体 内。 通 过 对 随着光纤光栅的技术的发展,利用光纤光栅形成的干涉
onBrilliouinoptical-fiberfrequencydomainreflectometry(BOFDR).Anew measurementisreportedbyutilizing
fiberBragggratingFabry-Perotinterferometer(FBGFPI)todirectlyseparatetheBrilliouinsignal.Theexperi-
电探测器的转换系数为 K,可得到输出电压信号为:
V=KBIB =KBDIin[1+mcosφ(ti)]
(4)
式中:B 为 背 向 散 射 光 经 过 环 形 器、FBGFPI、EDFA、
FBG3 的 光 强 变 化 系 数 。
光电探 测 器 输 出 的 电 压 信 号 与 VCO 参 考 信 号
VS=V0cosφ(t0)在混 频 器 中 进 行 混 频,混 频 信 号 经 低 通 滤 波 ,除 去 直 流 分 量 后 可 得 到 输 出 信 号 为 :
∫ φ(t)=2π fidt
调制光经由环形 器 进 入 传 感 光 纤,由 于 光 进 入 光
纤后会发生衰减和色散,假设总的衰减系数为 D,所以 调制光在光纤 A 处产生的背向布里渊散射光强可以 表示为:
IB =DIin[1+mcosφ(ti)]
(3)
对于传感光 纤 上 不 同 的 测 量 点 (A、B、C3 点 处 ),
fB (ε)=fB (0)(1+αε)
(1)
式中:fB(0)为光纤无应变时的布里 渊 频 移:α 为 常 数,
α=Δn+ΔE+Δµ+Δρ,其中:Δn、ΔE、Δµ 和 Δρ 皆 为 与 光纤本身的组成和结构形式有关的材料与结构系数,
对 于 石 英 光 纤 ,近 似 计 算 有α=3.83[5]。
系统原理如图1 所 示,激 光 器 发 出 窄 谱 光 进 入 外
接式强度调制器进行光强调制。强度调制器被压控振
荡器(VCO)发 出 的 频 率 变 化 为 线 性 三 角 波 的 高 频 率 信号所控制,所以通过强度调制器后的光强可以表示为:
I=Iin[1+mcosφ(t)]
(2)
式中:Iin为激光器输 入 光 强,m 为 光 强 调 制 系 数,φ(t)
为光强瞬时调制相位,它是由 VCO 瞬时频率fi 决定的:
源,输出波长为 1550nm,线 宽 约 为 100kHz,输 出 功 率 约为2mW。三角波调制信号的参数 为:Δf=40MHz、 fs=1kHz。 传 感 光 纤 采 用 约 1km 的 非 色 散 单 模 光 纤。系统中使用的3 个 光 纤 光 栅 完 全 相 同,中 心 波 长 为1550nm,带 宽 为 0.13nm,反 射 率 为 98%。 光 纤 光 栅 法 布 里-珀 罗 干 涉 仪 结 构 如 图 2 所 示 。
由于光程不同,信号的延时不同,导致背向布里渊散 射
调制光的相位也不同。
(EDFA)输入 环 形 器 2。由 于 FBGFPI输 出 包 含 了 一
部分背景光,EDFA 也有很强的自发辐射(ASE)输 出,
因此,传感信号再经过光纤光栅(FBG3)进 行 滤 波。最
后输出光信号由光 电 探 测 器 转 换 为 电 压 信 号,假 设 光
1引 言
多集中 在 光 时 域 反 射 计 法 (BOTDR)[2],这 种 方 法 虽 然解决了分布式测 量 的 问 题,但 是 系 统 的 空 间 分 辨 率
光在光纤内传播 时 会 产 生 布 里 渊 散 射,由 于 布 里 受到激光脉冲的限制。而且光纤内应力引起的布里 渊
渊散射光频率与光 纤 内 应 力 有 关,因 而 可 通 过 测 量 光 纤的布里渊频移来测量光纤的拉伸应变。光纤具有良
* 本文于2004年11月收到,系国家自然科学基金(60377002)资助项目。
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仪器仪表学报
第 27 卷
实 现 分 布 式 应 变 测 量 ,并 取 得 了 很 好 的 效 果 。
2 传感系统原理
当光纤受到外力 产 生 应 变 时,所 引 起 的 布 里 渊 频
移与应变呈线性关 系,因 此 可 以 通 过 测 量 背 向 散 射 光 布 里 渊 频 移 来 计 算 应 变 的 大 小 [4]:
2个相同的 光 纤 光 栅 分 别 放 在 波 导 桥 中,中 间 的 F P 干涉腔粘 贴 在 PZT 上,通 过 控 制 电 压 改 变 PZT 的 伸 缩 来 控 制 腔 长 的 变 化。 用 2 个 弹 簧 片 将 PT-
第3期
基于光频域布里渊散射的全分布式光纤应变传感器的研究
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BS200/2×3.5/5 型 PZT 固 定 在 壳 体 上,可 以 提 高 PZT 的回复性。系 统 所 使 用 的 光 纤 光 栅 法 布 里-珀 罗 干涉仪的透射谱如图3所示。
的反射谱如图5所示。B 点反射谱的放大 图 如 图 6所 示。在光纤的 B 点处施加连 续 应 变 (由 连 续 电 压 信 号 控制 PZT 产生),由光纤光栅法布里-珀 罗 干 涉 仪 进 行 布 里 渊 信 号 的 检 测。用 计 算 机 进 行 记 录,可 以 得 到 B 点处光纤应变的实验结果如图7所示。
第27卷 第3期 2006 年 3 月
仪器仪表学报
ChineseJournalofScientificInstrument
Vol.27 No.3 Mar.2006
基于光频域布里渊散射的全分布式光纤应变传感器的 研究*
吴朝霞1,2 吴 飞1 牛力勇1 李志全1
1(燕山大学电气工程学院 秦皇岛 066004) 2(东北大学秦皇岛分校自动化系 秦皇岛 066004)
V(t)= 12KBDIinmcos[φ(ti)-φ(t0)]
= 12KBDIinmcos(2πfbeat·t)
(5)
式中:fbeat为差 拍 信 号 频 率。若 调 制 信 号 为 三 角 波 信
号,三角波调制最 大 频 率 为 Δf,周 期 为 Ts,测 量 信 号
与 参 考 信 号 的 延 迟 为τ,产 生 的 拍 频 信 号 fbeat为 :
fbeat=Pτ=2fsΔfτ
(6)
式中:P 为三 角 波 信 号 的 斜 率,fs 为 三 角 波 信 号 的 频
率 。 时 延τ 可 由 式 (7)表 示 为 :
τ=Ln/c
(7)
式中:n 为光纤的折射率,L 为 光 强 度 调 制 器 输 出 光 经
由测量点后 到 光 电 探 测 器 接 收 总 传 输 的 距 离,c 为 光
图2 FBGFPI实验结构图
图3 FBGFPI透射谱
由图3(a)可 见,透 射 谱 在 光 纤 光 栅 的 中 心 波 长 (1550nm)附近有极 窄 线 宽 的 输 出。 而 且 随 着 腔 长 的 变化,中 心 透 射 谱 将 发 生 微 小 的 移 动。 图 3(b)为 1550nm 附 近 透 射 谱 的 放 大 图,谱 线 半 宽 度 为 0.00049nm(约 为 60MHz)。 图 中 在 中 心 谱 线 周 围 还 存在一些背景光,所以光纤光 栅 法 布 里-珀 罗 腔 的 输 出 谱必须经过 FBG3 进 行 滤 波 处 理。 实 验 使 用 的 FBGFPI输 出 波 长 与 电 压 的 关 系 如 图 4 所 示 。
TheFullyDistributedOpticalFiberStrainSensorBasedonBrilliouin Optical-fiberFrequencyDomainReflectometry
WuZhaoxia1,2 Wu Fei1 NiuLiyong1 LiZhiquan1
1 (ElectricalEngineeringInstitute,YanshanUniversity,Qinhuangdao066004,China) 2 (DepartmentofAutomation,QinhuangdaoBranchof NortheastUniversity,Qinhuangdao066004,China)
图6 B 点应力反射谱的放大图
图4 FBGFPI输出波长与电压的关系
实验时,以 光 纤 A 点 为 基 准 点,B 点 距 A 点 为 200m,C 点 距 A 点 为 500m,分 别 在 相 应 各 点 粘 贴 PZT,通 过 控 制 电 压 给 光 纤 施 加 微 应 变。fbeatA = 300fs,fbeatB =500fs,fbeatC =800fs,对 于 光 纤 不 同 的 测 量 位 置 ,所 产 生 的 拍 频 信 号 与 调 制 波 的 频 率 有 关 ,经 计算可得系统的空间分 辨 率 约 为 1.25m。A、B、C3 点
光纤多点应变测量,可以从中提取一些相关的信息,诸 滤波器结构实现了高分辨率的窄带宽滤波,使提高光纤
如:加 速 度、裂 度、位 移、振 动 等 等。 这 在 大 型 工 程 机 布里渊频移直接测量精度成为可能。为此,文中采用光
构、智能机构、航空航天及光纤通信等领域有广阔的 应 频域反射法(BOFDR)和光纤光栅法布里 珀罗滤波器
3 实验结果
图1 自发布里渊散射测量系统框图
当传感光信号由 环 形 器 端 口 3 输 出,进 入 光 纤 光 栅法布里-珀罗干涉仪(FBGFPI)进行 自 发 布 里 渊 和 瑞 利散射 的 分 离,选 出 的 布 里 渊 信 号 光 经 光 纤 放 大 器
实验系统 采 用 外 腔 式 半 导 体 连 续 激 光 器 作 为 光
Abstract Basedonthephenomenonofthefrequencyshiftin Brillouionback-scatteringlightrelatedtothe
strainoftheopticalfiber,anewfullydistributedfiberopticalstrainsensingisproposed.Theschemeisbased