一种光频域反射中用薄包层光纤提高应变测量灵敏度方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及分布式光纤传感仪器技术领域，尤其涉及一种光频域反射中利用不同 包层直径光纤提高应变测量灵敏度方法。
【背景技术】
[0002] 高精度高空间分辨率的分布式应变传感广泛应用于民生、国防安全等多个领域 中，如飞行器、航天器、船舶、国防装备、工业设备、桥梁涵洞等重点部位的结构健康监控，利 用光频域反射中单模光纤瑞利散射光谱移动可实现高精度高空间分辨率的分布式应变传 感。这种方法采用普通单模通讯光纤为传感光纤，其包层直径为125微米，加涂覆层层直径 为250微米。但这种采用普通单模光纤作为传感光纤应变传感灵敏度不高，需要牺牲空间分 辨率来提高可测量的最小应变值。
【发明内容】
[0003] 本发明提供了一种光频域反射中利用薄包层直径光纤提高应变测量灵敏度方法， 本发明克服现有普通单模光纤作为传感光纤应变传感灵敏度不高的问题，提出采用较小直 径包层的光纤即细径光纤作为传感光纤的方法，实现在同样空间分辨率的条件下，可测量 更小应变值，详见下文描述：
[0004] 当光纤受到一个给定轴向应力P，两种不同直径光纤感受到的应变^^可以分别 表示为：
[0005]
[0006] 其中&为两种不用包层光纤的截面积，E为光纤的杨氏模量。还可得下面关系：
[0007] Δ ει/Δ ε2=Α2/Αι.
[0008] 从上面关系可以看出，光纤感受的应变量与光纤的截面积成反比，采用较小包层 直径的光纤会提高应变测量的灵敏度。本光纤传感原理是通过光频域反射中测量光纤中瑞 利散射光谱移动进行应变测量，其中光纤中瑞利散射光谱移动与应变值成正比。光纤贴附 到待测材料表面，待测材料发生形变(应变)会施加在光纤一个轴向应力。根据上面的数学 表达式，较小包层直径的光纤会感受到更大的光纤自身应变，这样提高了对材料发生应变 测量的灵敏度。
[0009] -种光频域反射中用薄包层光纤提高应变测量灵敏度方法，所述方法包括以下步 骤：
[0010] (1)在主干涉仪中由薄包层的光纤即细径光纤背向瑞利散射形成拍频干涉信号， 并对这拍频干涉信号分别进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到对应细径光纤中各个 位置的距离域信息，对距离域信息通过一定宽度的移动窗依次选取细径光纤的各个位置形 成本地距离域信息；
[0011] (2)参考信号和测量信号都利用移动窗选取细径光纤的本地距离域信息，将其利 用复数傅里叶反变换再转换到光频域得到参考信号和测量信号的本地光频域信息；
[0012] (3)参考信号和测量信号的本地光频域信息，利用互相关运算对参考信号和测量 信号的本地光频域信息进行频移估计，互相关峰移动量反映瑞利散射光谱频移，瑞利散射 光谱频移与应变量成正比，通过互相关峰移动量即反映应变量；
[0013] 在光频域反射中单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变测量，当采用较小直 径包层的光纤即细径光纤作为传感光纤时，光纤瑞利散射光谱移动量与应变量比值即应变 传感灵敏度较普通通讯光纤有显著提高。
[0014] 所述细径光纤为包层直径为80微米。
[0015] 本发明提供的技术方案的有益效果是:本发明提供的采用较小直径包层的光纤即 细径光纤作为传感光纤时，光纤瑞利散射光谱移动量与应变量比值即应变传感灵敏度较普 通通讯光光纤(包层直径为125微米)有显著提高。实现了在同样空间分辨率的条件下，可测 量更小应变值的效果。
【附图说明】
[0016] 图1是一种基于光频域反射中光纤瑞利散射光谱移动应变传感的解调方法的流程 图；
[0017] 图2是一种基于光频域反射中光纤瑞利散射光谱移动应变传感装置示意图；
[0018] 图3是传感光纤为包层直径125微米普通单模光纤、和包层直径为80微米细径光纤 应变传感灵敏度对比图。
[0019] 附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0020] 1:可调谐激光器； 4:1:99光分束器；
[0021] 11:计算机； 21:调谐信号控制模块；
[0022] 24:基于辅助干涉仪的时钟触发系统；25:主干涉仪；
[0023] 2:探测器； 5:第一50:50親合器；
[0024] 6:时钟整形电路模块； 7:延迟光纤；
[0025] 8:第一法拉第转镜； 9:第二法拉第转镜；
[0026] 10:隔离器； 3:50:50分束器；
[0027] 12:偏振控制器； 13:环形器；
[0028] 14:第二50:50耦合器； 15:细径光纤；
[0029] 16:第一偏振分束器； 17:第二偏振分束器；
[0030] 18:第一平衡探测器； 19:第二平衡探测器；
[0031] 20:采集装置； 21:GPIB控制模块；
[0032] 22:参考臂； 23:测试臂。
【具体实施方式】
[0033]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步 地详细描述。
[0034] -种光频域反射中用薄包层光纤提高应变测量灵敏度方法，参见图1和图2,该应 变测量灵敏度方法具体包括以下步骤：
[0035] (1)在主干涉仪25中由较小直径包层的光纤即细径光纤15背向瑞利散射形成拍频 干涉信号(偏振分束器两路信号加和），并对这拍频干涉信号(光频域信息)分别进行快速傅 里叶变换，将光频域信息转换到对应细径光纤15中各个位置的距离域信息，对距离域信息 通过一定宽度的移动窗依次选取细径光纤15中的各个位置形成本地距离域信息;其中本地 距离域信息信号长度就是移动窗宽度，
[0036]其中，上述操作进行两次，一次为细径光纤15上没有应变作为参考信号，另一次为 细径光纤15上施加应变作为测量信号。
[0037] (2)参考信号和测量信号都利用移动窗选取细径光纤15的本地距离域信息，将其 利用复数傅里叶反变换再转换到光频域得到参考信号和测量信号的本地光频域信息。
[0038] (3)参考信号和测量信号的本地光频域信息，利用互相关运算对参考信号和测量 信号的本地光频域信息进行频移估计，互相关峰移动量反映瑞利散射光谱频移，瑞利散射 光谱频移与应变量成正比，通过互相关峰移动量即反映应变量。
[0039] 其中，本发明实施例中应用到的应变传感装置，如图2所示。该应变传感装置包括： 可调谐激光器1、1:99光分束器4、计算机11、GPIB控制模块21、基于辅助干涉仪的时钟触发 系统24、主干涉仪25。
[0040] 基于辅助干涉仪的时钟触发系统24包括:探测器2、第一 50:50耦合器5、时钟倍频 电路模块6、延迟光纤7、第一法拉第转镜8、第二法拉第转镜9和隔离器10。基于辅助干涉仪 的时钟触发系统24用于实现等光频间距采样，其目的是抑制光源的非线性扫描。
[0041 ] 主干涉仪25包括：50:50分束器3、偏振控制器12、环形器13、第二50: 50耦合器14、 细径光纤15、第一偏振分束器16、第二偏振分束器17、第一平衡探测器18、第二平衡探测器 19、采集装置20、参考臂22和测试臂23。主干涉仪25是光频域反射仪的核心，其为改进型马 赫泽德干涉仪。
[0042] GPIB控制模块21输入端与计算机11相连;GPIB控制模块21输出端与可调谐激光器 1相连;可调谐激光器1与1:99光分束器4的a端口相连；1:99光分束器4的b端口与隔离器10 的一端相连;1:99光分束器4的c端