基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器及应变检测方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器及应变测量方法。ASE光源发出的连续光经光起偏器、光电调制器后变为脉冲光；脉冲光在环形衰荡腔内多次循环衰减，在每次的循环中，只有小部分信号光通过第二耦合器的第一输出端输出，并被光电探测器检测，其余部分继续在环形腔中衰减。当传感光纤光栅产生应变时，传感光纤光栅和辅助光纤光栅光谱的相对位置发生变化，导致环形衰荡腔的损耗变化，进而导致脉冲信号的衰荡时间变化，因此通过探测脉冲信号的衰荡时间可获得传感光纤光栅的应变。由于传感光纤光栅和辅助光纤光栅的温度响应相同，温度变化不会改变环形衰荡腔的损耗以及光脉冲信号的衰荡时间，因此该传感器可实现温度自动补偿。
【专利说明】
基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器及应变检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及应变传感技术，尤其涉及一种基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器。
【背景技术】
[0002] 光纤光栅应变传感器以激光作为应变信息的载体，利用光纤传输激光，因此，与传 统的电信号为基础的应变传感器相比，具有电绝缘、抗电磁干扰、体积小、重量轻、可多路复 用、可现场实时遥测和动态测量范围广等诸多优点，因此，目前广泛应用于民用工程结构、 航空航天业、船舶航运业、电力工业、石油化工业、医学、核工业等行业，尤其是在高电压、强 电磁场、易燃易爆的恶劣环境中具有很强的应用优势。
[0003] 光纤光栅不但对应变敏感，同时对温度也异常敏感，因此利用光纤光栅测量应变 信号时必须消除环境温度的影响。此外，1微应变只能引起光纤光栅约lpm的波长变化，要提 高光纤光栅的应变灵敏度需要借助高灵敏的解调方法。
[0004] 光纤环形腔衰荡光谱技术是一种光信号解调方法，具有灵敏度高、不受光源光强 波动影响、抗干扰能力强等优点，引起了广泛关注，成为痕量检测的主要技术手段之一。
[0005] 文章 l(Daqing Tang, Dexing Yang, Yajun Jiang, Jianlin Zhao , Haiyan Wang, Shiquan Jiang, "Fiber loop ring-down optical fiber grating gas pressure sensor," Qoiics a/3t/ lasers i/3 2010，48:1262-1265.)披露了一种基于 光纤环形腔衰荡光谱技术和单个光纤光栅的压力传感器，尽管此传感器理论上可提高光纤 光栅的测量灵敏度，但是由于无法补偿环境温度的影响，因此只能应用于恒温条件下;文章 2(N. Ni,C. C. Chan,Χ. Y. Dong, J. Sunand P Shum, "Cavity ring-down long-period fibregrating strain sensorMeasurement Science and Technology, 2007, 18:3135-3138.)披露了一种基于光纤环形腔衰荡光谱技术、长周期光栅和光纤光栅的应变 传感器，由于长周期光栅和光纤光栅对温度的响应不同，因此，此应变传感器同样无法补偿 温度的影响。
【发明内容】
[0006] 在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本 理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关 键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念， 以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
[0007] 鉴于此，本发明提供了 一种基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器及应变检测方 法，以至少解决现有的基于光纤环形腔衰荡光谱技术和光纤光栅的应变传感器受温度干扰 的问题。
[0008] 根据本发明的一个方面，提供了一种基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器及应变 检测方法，该基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器包括ASE光源、起偏器、电光调制器、波形 发生器、环形衰荡腔、光电探测器和示波器;其中，环形衰荡腔由第一耦合器、第一环形器、 传感光纤光栅、EDFA放大器、第二親合器、第二环形器、辅助光纤光栅和延时光纤构成；ASE 光源发出的连续光经起偏器变为脉冲光，该脉冲光在环形衰荡腔内循环衰减，衰减后的脉 冲光信号由第二耦合器的第二输出端输出，然后进入光电探测器，光电探测器将接收到的 衰荡脉冲光信号转化为电信号，该电信号由示波器输出。
[0009] 进一步地，第一親合器的输出端与第一环形器的输入端连接，第一环形器的输入 输出端与传感光纤光栅连接，第一环形器的输出端与EDFA放大器的输入端连接，EDFA放大 器的输出端与第二耦合器的输入端连接，第二耦合器的第一输出端与光电探测器连接，第 二耦合器的第二输出端与第二环形器的输入端连接，第二环形器的输入输出端与辅助光纤 光栅连接，第二环形器的输出端与延时光纤的输入端连接，延时光纤的输出端与所述第一 耦合器的第二输入端连接。
[0010] 进一步地，传感光纤光栅和辅助光纤光栅的反射谱均近似为高斯型，传感光纤光 栅的3dB谱宽小于辅助光纤光栅的3dB谱宽的一半，且传感光纤光栅的中心波长位于辅助光 纤光栅的反射谱的斜坡上;传感光纤光栅对被测应变和环境温度同时敏感，辅助光纤光栅 对环境温度敏感而对被测应变不敏感，且传感光纤光栅和辅助光纤光栅对环境温度的响应 相同。
[0011] 进一步地，ASE光源为宽谱光源，且在工作波段内输出光谱的光强相同。
[0012] 进一步地，ASE光源发出的连续光经过起偏器和光电调制器后变为脉冲光，该脉冲 光由第一耦合器的第一输入端进入环形衰荡腔，且在环形衰荡腔内每循环一周都有相同光 强比例的部分脉冲光由第二耦合器的第一输出端输出，然后进入光电探测器接收。
[0013] 进一步地，波形发生器为光电调制器提供脉冲调制信号。
[0014]进一步地，所述第一親合器的第一输入端和第二输入端的分光比为1:99,所述第 二親合器的第一输出端和第二输出端的分光比为1:99。
[0015] 进一步地，脉冲光在环形衰荡腔内循环一周所需的时间为脉冲光宽度的2-10倍， 为脉冲光周期的1/50-1/20。
[0016] 进一步地，ASE光源的工作波段为1530nm-1570nm。
[0017] 根据本发明的另一方面，还提供了一种基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器的应 变检测方法，该检测方法为： 步骤一:波形发生器给光电调制器提供脉冲信号，使ASE光源发出的连续光经起偏器和 光电调制器后变为脉冲光，通过控制该脉冲光的脉宽和周期以及延时光纤的长度，使脉冲 光在环形衰荡腔内循环一周所需的时间i r为脉冲光脉宽的2-10倍、脉冲光周期的1/50-1/ 20； 步骤二:通过调节EDFA放大器的增益调节环形衰荡腔的环路损耗，使示波器输出衰荡 的脉冲电压信号，然后固定H)FA放大器的增益，保证应变测量过程中此增益保持不变； 步骤三:根据辅助光纤光栅反射谱的边带斜率1、传感光纤光栅的弹光系数光脉 冲信号在环形衰荡腔中传输一圈所用的时间和脉冲光在环形衰荡腔内衰荡时间r的变 化量(6/得到传感光纤光栅的应变变化量(6/ ?。
[0018] 本发明的基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器，通过将两光纤光栅在环形衰荡腔 内级联的方式解决了温度对传感光纤光栅的干扰问题，由于采用了光纤环形腔衰荡光谱技 术该应变传感器具有灵敏度高、不受光源光强波动影响、抗干扰能力强的优点。
[0019] 通过以下结合附图对本发明的最佳实施例的详细说明，本发明的这些以及其他优 点将更加明显。
[0020]
【附图说明】
[0021]本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所 有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的 详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本 发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中： 图1是示出本发明的基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器的一个示例的结构示意图； 图2是示出图1所示的传感光纤光栅和辅助光纤光栅的一种可能光谱分布的示意图； 本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且 不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有 助于提高对本发明实施例的理解； 图3是示出本发明的基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器的应变检测方法。
【具体实施方式】
[0022]在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见， 在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施 例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符 合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有 所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开 内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
[0023] 在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中 仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明 关系不大的其他细节。
[0024] 本发明的实施例提供了一种基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器，该基于环形腔 衰荡光谱技术应变传感器包括ASE光源、起偏器、电光调制器、波形发生器、环形衰荡腔、光 电探测器和示波器;环形衰荡腔由第一耦合器、第一环形器、传感光纤光栅、EDFA放大器、第 二耦合器、第二环形器、辅助光纤光栅和延时光纤构成；ASE光源发出的连续光经过起偏器 和光电调制器后变为脉冲光，该脉冲光由第一耦合器的第一输入端进入环形衰荡腔，且在 环形衰荡腔内每循环一周都有相同光强比例的部分脉冲光由第二親合器的第一输出端输 出，然后进入光电探测器接收。
[0025] 下面结合图1来描述本发明的基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器的一个示例。 如图1所示，本发明的基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器包括ASE光源1、起偏器2、电光调 制器3、波形发生器4、环形衰荡腔5、光电探测器6和示波器7。
[0026] 其中，环形衰荡腔5包括第一親合器501、第一环形器502、传感光纤光栅503、EDFA 放大器504、第二親合器505、第二环形器506、辅助光纤光栅507和延时光纤508。
[0027] 第一親合器501的输出端501C与第一环形器502的输入端502A连接，第一环形器 502的输入输出端502B与传感光纤光栅503连接，第一环形器502的输出端502C与EDFA放大 器504的输入端连接，EDFA放大器504输出端与第二耦合器505的输入端505C连接，第二耦合 器505的第一输出端505A与光电探测器6连接，第二親合器505的第二输出端505B与第二环 形器506的输入端506A连接，第二环形器506的输入输出端506B与辅助光纤光栅507连接，第 二环形器506的输出端506C与所述延时光纤508的输入端连接，延时光纤508的输出端与第 一耦合器501的第二输入端501B连接。
[0028]如图2所示，所述光纤光栅503和辅助光纤光栅507的反射谱均近似为高斯型，传感 光纤光栅503的3dB谱宽小于辅助光纤光栅507的3dB谱宽的一半，且传感光纤光栅503的中 心波长位于辅助光纤光栅507的反射谱的斜坡上。
[0029] 传感光纤光栅503对被测应变和环境温度同时敏感，辅助光纤光栅507对环境温度 敏感而对被测应变不敏感，且传感光纤光栅503和辅助光纤光栅507对环境温度的响应相 同； 脉冲光在光纤环形腔内循环一周所需的时间为脉冲光宽度的2-10倍，为脉冲光周期的 1/50-1/20。
[0030] ASE光源为宽谱光源，输出波长为1530nm-1570nm，且在此工作波段内输出光谱的 光强相同。
[0031] 结合图3说明了本发明的基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器的应变检测方法， 该检测方法为： 步骤一:波形发生器给光电调制器提供脉冲信号，使ASE光源发出的连续光经起偏器和 光电调制器后变为脉冲光，通过控制该脉冲光的脉宽和周期以及延时光纤的长度，使脉冲 光在环形衰荡腔内循环一周所需的时间i r为脉冲光脉宽的2-10倍、脉冲光周期的1/50-1/ 20； 步骤二:通过调节EDFA放大器的增益调节环形衰荡腔的环路损耗，使示波器输出衰荡 的脉冲电压信号，然后固定H)FA放大器的增益，保证应变测量过程中此增益保持不变； 步骤三:根据辅助光纤光栅反射谱的边带斜率1、传感光纤光栅的弹光系数光脉 冲信号在环形衰荡腔中传输一圈所用的时间和脉冲光在环形衰荡腔内衰荡时间r的变 化量c/ r得到传感光纤光栅的应变变化量(6/
[0032] 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.)萍口文章 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.)，本发明的基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器由于采用了双光纤光栅级 联的方式构成环形衰荡腔，而且两光纤光栅的温度响应相同，导致环形衰荡腔的损耗与温 度无关，因此可实现温度自动补偿。而上述文章1中由于只使用了单根光纤光栅，因此无法 实现温度自动补偿;上述文章2中由于长周期光纤光栅和光纤光栅的温度响应不同，因此也 不能实现温度补偿。
[0033] 此外，相对于上述文章1，本发明的基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器由于采用 了ASE光源，因此，还具有可多点分布式传感的优点，而上述文章1披露的传感器采用的是窄 带光源，因此无法实现分布式传感。相对于上述文章2,本发明的应变传感器还具有灵敏度 高的优点，因为本发明的应变传感器所采用了双光纤光栅级联的方式比上述文章2披露的 传感器所采用的长周期光栅与光纤光栅级联的方式灵敏度高。
[0034] 应用示例1 下面描述本发明的基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器的一个应用示例。
[0035] ASE光源发出的连续光被电光调制器调制后变为脉冲信号光，经第一耦合器后进 入环形衰荡腔循环多次，在每次的循环中，只有一小部分脉冲信号光通过第二耦合器的第 一输出端输出，并被光电探测器检测到，其余部分继续在环形腔中衰荡损耗。被光电探测器 检测到的信号光呈现指数衰减形式，可以用下式表示：
式（1)中I表不在t时刻的光强（也即从第二親合器第二输出端输出的光强）， L，c，n和δ分别表示该环形衰荡腔光纤的总长度，光在光纤中的传播速度，光纤纤芯的折射 率及光在环形腔内的总损耗。而实时脉冲信号光强度I可以由（2)式得出：
Ιο表示初始光强（也即从第一耦合器的第一输入端输入环形衰荡腔的光强为 光脉冲信号在环形腔中传输一圈所用的时间，当光电探测器检测到光强在环形腔内衰减到 初始光强/〇的Ι/e时，衰荡光谱的衰荡时间r与环形衰荡腔损耗5之间的关系为：
对公式(3)两边进行微分可得：
式中，知是环形衰荡腔的固定损耗值，是外界物理量作用下脉冲光信号在传感单 元中产生的损耗。如图2所示，当传感光栅产生应变e时，其中心波长相对于辅助光纤光栅 移动A A，导致信号光产生的损耗为 & 义 ΑΛλ # I - (5) 其中为辅助光纤光栅反射谱的斜率，为传感光纤光栅的弹光系数，e为传感光 纤光栅的应变，A Α为传感光纤光栅波长的变化量。
[0036] 将公式(5)代入公式(4)得：
公式(6)表明：传感光纤光栅应变的变化量(6/ e与脉冲光在环形衰荡腔内的衰荡时间 的变化量c/ r成正比，通过测量脉冲光在环形衰荡腔内的衰荡时间即可获得传感光纤光栅 应变。
[0037]本发明应变传感器可温度自动补偿的原因： 由于传感光纤光栅和辅助光纤光栅材料相同，且处于相同环境下，所以它们对温度的 响应是相同的，环境温度变化时传感光纤光栅和辅助光纤光栅中心波长的变化相同，因此 温度不会改变传感光纤光栅和辅助光纤光栅中心波长的相对位置，即不会改变环形衰荡腔 的损耗，进而不会改变脉冲光在环形衰荡腔内的衰荡时间。因此，本发明应变传感器可实现 温度自动补偿。
[0038]尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域 内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意， 本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限 定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本 技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本 发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
【主权项】
1. 基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器，其特征在于，所述基于环形腔衰荡光谱技术 应变传感器包括ASE光源（1)、起偏器(2)、电光调制器(3)、波形发生器(4)、环形衰荡腔(5)、 光电探测器(6)和示波器(7); 其中，所述环形衰荡腔（5)由第一親合器（501)、第一环形器（502)、传感光纤光栅 (503)、EDFA放大器(504)、第二耦合器(505)、第二环形器(506)、辅助光纤光栅(507)和延时 光纤(508)构成； 所述第一親合器(501)的输出端(501C)与所述第一环形器(502)的输入端(502A)连接， 所述第一环形器（502)的输入输出端（502B)与传感光纤光栅（503)连接，所述第一环形器 (502)的输出端(502C)与所述EDFA放大器(504)的输入端连接，所述EDFA放大器(504)的输 出端与所述第二親合器（505)的输入端（505C)连接，所述第二親合器(505)的第一输出端 (505A)与所述光电探测器(6)连接，所述第二耦合器(505)的第二输出端(505B)与所述第二 环形器(506)的输入端(506A)连接，所述第二环形器(506)的输入输出端(506B)与辅助光纤 光栅(507)连接，所述第二环形器(506)的输出端（506C)与所述延时光纤（508)的输入端连 接，所述延时光纤(508)的输出端与所述第一親合器(501)的第二输入端(501B)连接； 所述传感光纤光栅(503)和所述辅助光纤光栅(507)的反射谱均近似为高斯型，所述传 感光纤光栅(503)的3dB谱宽小于所述辅助光纤光栅(507)的3dB谱宽的一半，且所述传感光 纤光栅(503)的中心波长位于所述辅助光纤光栅(507)的反射谱的边带上； 所述传感光纤光栅(503)对被测应变和环境温度同时敏感，所述辅助光纤光栅(507)对 环境温度敏感而对被测应变不敏感，且所述传感光纤光栅(503)和所述辅助光纤光栅(507) 对环境温度的响应相同； 所述的ASE光源为宽谱光源，且在工作波段内输出光谱的光强相同； 所述的ASE光源（1)发出的连续光经过所述起偏器(2)和所述光电调制器(3)后变为脉 冲光，所述脉冲光由所述第一耦合器的第一输入端(501A)进入所述环形衰荡腔(5)，并在环 形衰荡腔（5)内循环衰减，在每次的循环中，只有一小部分脉冲信号光通过第二耦合器 (505)的第一输出端(505A)输出，并被光电探测器检测，其余部分继续在环形腔中衰减。2. 根据权利要求1所述的基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器，其特征在于，所述第一 親合器(501)的第一输入端(501A)和第二输入端（501B)的分光比为1:99,所述第二親合器 (505)的第一输出端(505A)和第二输出端(505B)的分光比为1:99。3. 根据权利要求1-2任一项所述的基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器，其特征在于， 所述脉冲光在所述环形衰荡腔(5)内循环一周所需的时间为所述脉冲光的脉冲宽度的2-10 倍，且所述脉冲光在所述环形衰荡腔(5)内循环一周所需的时间为所述脉冲光周期的1/50-1/20〇4. 根据权利要求1-3任一项所述的基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器，其特征在于， 所述ASE光源（1)的工作波段为1530nm-1570nm。5. 根据权利要求1所述的基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器的应变检测方法，其特 征在于，所述方法为： 步骤一:波形发生器(4)给光电调制器(3)提供脉冲信号，使ASE光源（1)发出的连续光 经起偏器(2)和光电调制器(3)后变为脉冲光，通过控制该脉冲光的脉宽和周期以及延时光 纤(508)的长度，使脉冲光在环形衰荡腔(5)内循环一周所需的时间^为脉冲光脉宽的2-10 倍、脉冲光周期的1/50-1/20; 步骤二:通过调节EDFA放大器(504)的增益调节环形衰荡腔（5)的环路损耗，使示波器 (7)输出衰荡的脉冲电压信号，然后固定EDFA放大器(504)的增益，保证应变测量过程中此 增益保持不变； 步骤三:根据辅助光纤光栅（507)反射谱的边带斜率1、传感光纤光栅（503)的弹光系 数Ρ Θ、光脉冲信号在环形衰荡腔(5)中传输一圈所用的时间? _r和脉冲光在环形衰荡腔(5) 内衰荡时间Γ的变化量(6/ Γ得到传感光纤光栅(503)的应变变化量c/e。
【文档编号】G01B11/16GK106091973SQ201610518516
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月5日
【发明人】杨玉强, 葛伟, 李林军, 张换男, 杨群
【申请人】哈尔滨理工大学