本實(shí)用新型涉及應(yīng)變傳感技術(shù)，尤其涉及一種基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器。

背景技術(shù)：

光纖光柵應(yīng)變傳感器以激光作為應(yīng)變信息的載體，利用光纖傳輸激光，因此，與傳統(tǒng)的電信號(hào)為基礎(chǔ)的應(yīng)變傳感器相比，具有電絕緣、抗電磁干擾、體積小、重量輕、可多路復(fù)用、可現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)遙測(cè)和動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，目前廣泛應(yīng)用于民用工程結(jié)構(gòu)、航空航天業(yè)、船舶航運(yùn)業(yè)、電力工業(yè)、石油化工業(yè)、醫(yī)學(xué)、核工業(yè)等行業(yè)，尤其是在高電壓、強(qiáng)電磁場(chǎng)、易燃易爆的惡劣環(huán)境中具有很強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

光纖光柵不但對(duì)應(yīng)變敏感，同時(shí)對(duì)溫度也異常敏感，因此利用光纖光柵測(cè)量應(yīng)變信號(hào)時(shí)必須消除環(huán)境溫度的影響。此外，1微應(yīng)變只能引起光纖光柵約1pm的波長(zhǎng)變化，要提高光纖光柵的應(yīng)變靈敏度需要借助高靈敏的解調(diào)方法。

光纖環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)是一種光信號(hào)解調(diào)方法，具有靈敏度高、不受光源光強(qiáng)波動(dòng)影響、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，引起了廣泛關(guān)注，成為痕量檢測(cè)的主要技術(shù)手段之一。

文章1（Daqing Tang, Dexing Yang, Yajun Jiang, Jianlin Zhao, Haiyan Wang, Shiquan Jiang, “Fiber loop ring-down optical fiber grating gas pressure sensor,”Optics and Lasers in Engineering,2010,48:1262–1265.）披露了一種基于光纖環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)和單個(gè)光纖光柵的壓力傳感器，盡管此傳感器理論上可提高光纖光柵的測(cè)量靈敏度，但是由于無法補(bǔ)償環(huán)境溫度的影響，因此只能應(yīng)用于恒溫條件下；文章2（N. Ni,C. C. Chan,X. Y. Dong, J. Sunand P Shum, “Cavity ring-down long-period fibregrating strain sensor,”Measurement Science and Technology, 2007, 18:3135–3138.）披露了一種基于光纖環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)、長(zhǎng)周期光柵和光纖光柵的應(yīng)變傳感器，由于長(zhǎng)周期光柵和光纖光柵對(duì)溫度的響應(yīng)不同，因此，此應(yīng)變傳感器同樣無法補(bǔ)償溫度的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在下文中給出了關(guān)于本實(shí)用新型本實(shí)用新型的簡(jiǎn)要概述，以便提供關(guān)于本實(shí)用新型的某些方面的基本理解。應(yīng)當(dāng)理解，這個(gè)概述并不是關(guān)于本實(shí)用新型的窮舉性概述。它并不是意圖確定本實(shí)用新型的關(guān)鍵或重要部分，也不是意圖限定本實(shí)用新型的范圍。其目的僅僅是以簡(jiǎn)化的形式給出某些概念，以此作為稍后論述的更詳細(xì)描述的前序。

鑒于此，本實(shí)用新型提供了一種基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器及應(yīng)變檢測(cè)方法，以至少解決現(xiàn)有的基于光纖環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)和光纖光柵的應(yīng)變傳感器受溫度干擾的問題。

根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提供了一種基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器及應(yīng)變檢測(cè)方法，該基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器包括ASE光源、起偏器、電光調(diào)制器、波形發(fā)生器、環(huán)形衰蕩腔、光電探測(cè)器和示波器；其中，環(huán)形衰蕩腔由第一耦合器、第一環(huán)形器、傳感光纖光柵、EDFA放大器、第二耦合器、第二環(huán)形器、輔助光纖光柵和延時(shí)光纖構(gòu)成; ASE光源發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)起偏器變?yōu)槊}沖光，該脈沖光在環(huán)形衰蕩腔內(nèi)循環(huán)衰減，衰減后的脈沖光信號(hào)由第二耦合器的第二輸出端輸出，然后進(jìn)入光電探測(cè)器，光電探測(cè)器將接收到的衰蕩脈沖光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，該電信號(hào)由示波器輸出。

進(jìn)一步地，第一耦合器的輸出端與第一環(huán)形器的輸入端連接，第一環(huán)形器的輸入輸出端與傳感光纖光柵連接，第一環(huán)形器的輸出端與EDFA放大器的輸入端連接，EDFA放大器的輸出端與第二耦合器的輸入端連接，第二耦合器的第一輸出端與光電探測(cè)器連接，第二耦合器的第二輸出端與第二環(huán)形器的輸入端連接，第二環(huán)形器的輸入輸出端與輔助光纖光柵連接，第二環(huán)形器的輸出端與延時(shí)光纖的輸入端連接，延時(shí)光纖的輸出端與所述第一耦合器的第二輸入端連接。

進(jìn)一步地，傳感光纖光柵和輔助光纖光柵的反射譜均近似為高斯型，傳感光纖光柵的3dB譜寬小于輔助光纖光柵的3dB譜寬的一半，且傳感光纖光柵的中心波長(zhǎng)位于輔助光纖光柵的反射譜的斜坡上；傳感光纖光柵對(duì)被測(cè)應(yīng)變和環(huán)境溫度同時(shí)敏感，輔助光纖光柵對(duì)環(huán)境溫度敏感而對(duì)被測(cè)應(yīng)變不敏感，且傳感光纖光柵和輔助光纖光柵對(duì)環(huán)境溫度的響應(yīng)相同。

進(jìn)一步地，ASE光源為寬譜光源，且在工作波段內(nèi)輸出光譜的光強(qiáng)相同。

進(jìn)一步地，ASE光源發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)過起偏器和光電調(diào)制器后變?yōu)槊}沖光，該脈沖光由第一耦合器的第一輸入端進(jìn)入環(huán)形衰蕩腔，且在環(huán)形衰蕩腔內(nèi)每循環(huán)一周都有相同光強(qiáng)比例的部分脈沖光由第二耦合器的第一輸出端輸出，然后進(jìn)入光電探測(cè)器接收。

進(jìn)一步地，波形發(fā)生器為光電調(diào)制器提供脈沖調(diào)制信號(hào)。

進(jìn)一步地，所述第一耦合器的第一輸入端和第二輸入端的分光比為1:99，所述第二耦合器的第一輸出端和第二輸出端的分光比為1:99。

進(jìn)一步地，脈沖光在環(huán)形衰蕩腔內(nèi)循環(huán)一周所需的時(shí)間為脈沖光寬度的2-10倍，為脈沖光周期的1/50-1/20。

進(jìn)一步地，ASE光源的工作波段為1530nm-1570nm。

本實(shí)用新型的基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器，通過將兩光纖光柵在環(huán)形衰蕩腔內(nèi)級(jí)聯(lián)的方式解決了溫度對(duì)傳感光纖光柵的干擾問題，由于采用了光纖環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)該應(yīng)變傳感器具有靈敏度高、不受光源光強(qiáng)波動(dòng)影響、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

通過以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的最佳實(shí)施例的詳細(xì)說明，本實(shí)用新型的這些以及其他優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。

附圖說明

本實(shí)用新型可以通過參考下文中結(jié)合附圖所給出的描述而得到更好的理解，其中在所有附圖中使用了相同或相似的附圖標(biāo)記來表示相同或者相似的部件。所述附圖連同下面的詳細(xì)說明一起包含在本說明書中并且形成本說明書的一部分，而且用來進(jìn)一步舉例說明本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例和解釋本實(shí)用新型的原理和優(yōu)點(diǎn)。在附圖中：

圖1是示出本實(shí)用新型的基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器的一個(gè)示例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是示出圖1所示的傳感光纖光柵和輔助光纖光柵的一種可能光譜分布的示意圖；

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，附圖中的元件僅僅是為了簡(jiǎn)單和清楚起見而示出的，而且不一定是按比例繪制的。例如，附圖中某些元件的尺寸可能相對(duì)于其他元件放大了，以便有助于提高對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例的理解；

圖3是示出本實(shí)用新型的基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器的應(yīng)變檢測(cè)方法。

具體實(shí)施方式

在下文中將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的示范性實(shí)施例進(jìn)行描述。為了清楚和簡(jiǎn)明起見，在說明書中并未描述實(shí)際實(shí)施方式的所有特征。然而，應(yīng)該了解，在開發(fā)任何這種實(shí)際實(shí)施例的過程中必須做出很多特定于實(shí)施方式的決定，以便實(shí)現(xiàn)開發(fā)人員的具體目標(biāo)，例如，符合與系統(tǒng)及業(yè)務(wù)相關(guān)的那些限制條件，并且這些限制條件可能會(huì)隨著實(shí)施方式的不同而有所改變。此外，還應(yīng)該了解，雖然開發(fā)工作有可能是非常復(fù)雜和費(fèi)時(shí)的，但對(duì)得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，這種開發(fā)工作僅僅是例行的任務(wù)。

在此，還需要說明的一點(diǎn)是，為了避免因不必要的細(xì)節(jié)而模糊了本實(shí)用新型，在附圖中僅僅示出了與根據(jù)本實(shí)用新型的方案密切相關(guān)的裝置結(jié)構(gòu)和/或處理步驟，而省略了與本實(shí)用新型關(guān)系不大的其他細(xì)節(jié)。

本實(shí)用新型的實(shí)施例提供了一種基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器，該基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器包括ASE光源、起偏器、電光調(diào)制器、波形發(fā)生器、環(huán)形衰蕩腔、光電探測(cè)器和示波器；環(huán)形衰蕩腔由第一耦合器、第一環(huán)形器、傳感光纖光柵、EDFA放大器、第二耦合器、第二環(huán)形器、輔助光纖光柵和延時(shí)光纖構(gòu)成; ASE光源發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)過起偏器和光電調(diào)制器后變?yōu)槊}沖光，該脈沖光由第一耦合器的第一輸入端進(jìn)入環(huán)形衰蕩腔，且在環(huán)形衰蕩腔內(nèi)每循環(huán)一周都有相同光強(qiáng)比例的部分脈沖光由第二耦合器的第一輸出端輸出，然后進(jìn)入光電探測(cè)器接收。

下面結(jié)合圖1來描述本實(shí)用新型的基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器的一個(gè)示例。如圖1所示，本實(shí)用新型的基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器包括ASE光源1、起偏器2、電光調(diào)制器3、波形發(fā)生器4、環(huán)形衰蕩腔5、光電探測(cè)器6和示波器7。

其中，環(huán)形衰蕩腔5包括第一耦合器501、第一環(huán)形器502、傳感光纖光柵503、EDFA放大器504、第二耦合器505、第二環(huán)形器506、輔助光纖光柵507和延時(shí)光纖508。

第一耦合器501的輸出端501C與第一環(huán)形器502的輸入端502A連接，第一環(huán)形器502的輸入輸出端502B與傳感光纖光柵503連接，第一環(huán)形器502的輸出端502C與EDFA放大器504的輸入端連接，EDFA放大器504的輸出端與第二耦合器505的輸入端505C連接，第二耦合器505的第一輸出端505A與光電探測(cè)器6連接，第二耦合器505的第二輸出端505B與第二環(huán)形器506的輸入端506A連接，第二環(huán)形器506的輸入輸出端506B與輔助光纖光柵507連接，第二環(huán)形器506的輸出端506C與所述延時(shí)光纖508的輸入端連接，延時(shí)光纖508的輸出端與第一耦合器501的第二輸入端501B連接。

如圖2所示，所述光纖光柵503和輔助光纖光柵507的反射譜均近似為高斯型，傳感光纖光柵503的3dB譜寬小于輔助光纖光柵507的3dB譜寬的一半，且傳感光纖光柵503的中心波長(zhǎng)位于輔助光纖光柵507的反射譜的斜坡上。

傳感光纖光柵503對(duì)被測(cè)應(yīng)變和環(huán)境溫度同時(shí)敏感，輔助光纖光柵507對(duì)環(huán)境溫度敏感而對(duì)被測(cè)應(yīng)變不敏感，且傳感光纖光柵503和輔助光纖光柵507對(duì)環(huán)境溫度的響應(yīng)相同；

脈沖光在光纖環(huán)形腔內(nèi)循環(huán)一周所需的時(shí)間為脈沖光寬度的2-10倍，為脈沖光周期的1/50-1/20。

ASE光源為寬譜光源，輸出波長(zhǎng)為1530nm-1570nm，且在此工作波段內(nèi)輸出光譜的光強(qiáng)相同；

結(jié)合圖3說明了本實(shí)用新型的基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器的應(yīng)變檢測(cè)方法，該檢測(cè)方法為：

步驟一：波形發(fā)生器給光電調(diào)制器提供脈沖信號(hào)，使ASE光源發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)起偏器和光電調(diào)制器后變?yōu)槊}沖光，通過控制該脈沖光的脈寬和周期以及延時(shí)光纖的長(zhǎng)度，使脈沖光在環(huán)形衰蕩腔內(nèi)循環(huán)一周所需的時(shí)間t_r為脈沖光脈寬的2-10倍、脈沖光周期的1/50-1/20；

步驟二：通過調(diào)節(jié)EDFA放大器的增益調(diào)節(jié)環(huán)形衰蕩腔的環(huán)路損耗，使示波器輸出衰蕩的脈沖電壓信號(hào)，然后固定EDFA放大器的增益，保證應(yīng)變測(cè)量過程中此增益保持不變；

步驟三：根據(jù)輔助光纖光柵反射譜的邊帶斜率k 、傳感光纖光柵的彈光系數(shù)P_e、光脈沖信號(hào)在環(huán)形衰蕩腔中傳輸一圈所用的時(shí)間t_r和脈沖光在環(huán)形衰蕩腔內(nèi)衰蕩時(shí)間τ 的變化量d τ得到傳感光纖光柵的應(yīng)變變化量d ε。

相比于文章1（Daqing Tang, Dexing Yang, Yajun Jiang, Jianlin Zhao, Haiyan Wang, Shiquan Jiang, “Fiber loop ring-down optical fiber grating gas pressure sensor,”Optics and Lasers in Engineering,2010,48:1262–1265.）和文章2（N. Ni,C. C. Chan,X. Y. Dong, J. Sunand P Shum, “Cavity ring-down long-period fibregrating strain sensor,”Measurement Science and Technology, 2007, 18:3135–3138.），本實(shí)用新型的基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器由于采用了雙光纖光柵級(jí)聯(lián)的方式構(gòu)成環(huán)形衰蕩腔，而且兩光纖光柵的溫度響應(yīng)相同，導(dǎo)致環(huán)形衰蕩腔的損耗與溫度無關(guān)，因此可實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)補(bǔ)償。而上述文章1中由于只使用了單根光纖光柵，因此無法實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)補(bǔ)償；上述文章2中由于長(zhǎng)周期光纖光柵和光纖光柵的溫度響應(yīng)不同，因此也不能實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。

此外，相對(duì)于上述文章1，本實(shí)用新型的基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器由于采用了ASE光源，因此，還具有可多點(diǎn)分布式傳感的優(yōu)點(diǎn)，而上述文章1披露的傳感器采用的是窄帶光源，因此無法實(shí)現(xiàn)分布式傳感。相對(duì)于上述文章2，本實(shí)用新型的應(yīng)變傳感器還具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)楸緦?shí)用新型的應(yīng)變傳感器所采用了雙光纖光柵級(jí)聯(lián)的方式比上述文章2披露的傳感器所采用的長(zhǎng)周期光柵與光纖光柵級(jí)聯(lián)的方式靈敏度高。

應(yīng)用示例1

下面描述本實(shí)用新型的基于環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)應(yīng)變傳感器的一個(gè)應(yīng)用示例。

ASE光源發(fā)出的連續(xù)光被電光調(diào)制器調(diào)制后變?yōu)槊}沖信號(hào)光，經(jīng)第一耦合器后進(jìn)入環(huán)形衰蕩腔循環(huán)多次，在每次的循環(huán)中，只有一小部分脈沖信號(hào)光通過第二耦合器的第一輸出端輸出，并被光電探測(cè)器檢測(cè)到，其余部分繼續(xù)在環(huán)形腔中衰蕩損耗。被光電探測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào)光呈現(xiàn)指數(shù)衰減形式，可以用下式表示：

（1）

式 (1) 中 I 表示在 t 時(shí)刻的光強(qiáng) (也即從第二耦合器第二輸出端輸出的光強(qiáng) )，L，c，n 和δ分別表示該環(huán)形衰蕩腔光纖的總長(zhǎng)度，光在光纖中的傳播速度，光纖纖芯的折射率及光在環(huán)形腔內(nèi)的總損耗。而實(shí)時(shí)脈沖信號(hào)光強(qiáng)度 I 可以由 (2) 式得出：

（2）

I₀表示初始光強(qiáng) (也即從第一耦合器的第一輸入端輸入環(huán)形衰蕩腔的光強(qiáng))，t_r為光脈沖信號(hào)在環(huán)形腔中傳輸一圈所用的時(shí)間，當(dāng)光電探測(cè)器檢測(cè)到光強(qiáng)在環(huán)形腔內(nèi)衰減到初始光強(qiáng)I₀的1/e 時(shí)，衰蕩光譜的衰蕩時(shí)間τ 與環(huán)形衰蕩腔損耗δ 之間的關(guān)系為：

（3）

對(duì)公式（3）兩邊進(jìn)行微分可得：

（4）

式中，δ₀是環(huán)形衰蕩腔的固定損耗值，δ_ε是外界物理量作用下脈沖光信號(hào)在傳感單元中產(chǎn)生的損耗。如圖2所示，當(dāng)傳感光柵產(chǎn)生應(yīng)變ε 時(shí)，其中心波長(zhǎng)相對(duì)于輔助光纖光柵移動(dòng)Δλ ，導(dǎo)致信號(hào)光產(chǎn)生的損耗為

（5）

其中，k 為輔助光纖光柵反射譜的斜率，P_e為傳感光纖光柵的彈光系數(shù)，ε 為傳感光纖光柵的應(yīng)變，Δλ 為傳感光纖光柵波長(zhǎng)的變化量。

將公式（5）代入公式（4）得：

（6）

公式（6）表明：傳感光纖光柵應(yīng)變的變化量d ε與脈沖光在環(huán)形衰蕩腔內(nèi)的衰蕩時(shí)間的變化量d τ成正比，通過測(cè)量脈沖光在環(huán)形衰蕩腔內(nèi)的衰蕩時(shí)間即可獲得傳感光纖光柵應(yīng)變。

本實(shí)用新型應(yīng)變傳感器可溫度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)脑颍?/p>

由于傳感光纖光柵和輔助光纖光柵材料相同，且處于相同環(huán)境下，所以它們對(duì)溫度的響應(yīng)是相同的，環(huán)境溫度變化時(shí)傳感光纖光柵和輔助光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化相同，因此溫度不會(huì)改變傳感光纖光柵和輔助光纖光柵中心波長(zhǎng)的相對(duì)位置，即不會(huì)改變環(huán)形衰蕩腔的損耗，進(jìn)而不會(huì)改變脈沖光在環(huán)形衰蕩腔內(nèi)的衰蕩時(shí)間。因此，本實(shí)用新型應(yīng)變傳感器可實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)補(bǔ)償。

盡管根據(jù)有限數(shù)量的實(shí)施例描述了本實(shí)用新型，但是受益于上面的描述，本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員明白，在由此描述的本實(shí)用新型的范圍內(nèi)，可以設(shè)想其它實(shí)施例。此外，應(yīng)當(dāng)注意，本說明書中使用的語(yǔ)言主要是為了可讀性和教導(dǎo)的目的而選擇的，而不是為了解釋或者限定本實(shí)用新型的主題而選擇的。因此，在不偏離所附權(quán)利要求書的范圍和精神的情況下，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說許多修改和變更都是顯而易見的。對(duì)于本實(shí)用新型的范圍，對(duì)本實(shí)用新型所做的公開是說明性的，而非限制性的，本實(shí)用新型的范圍由所附權(quán)利要求書限定。