一种基于光纤宏弯损耗的多点位移传感系统及使用方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种多点位移传感系统。

背景技术

近年来，光纤位移传感器得到了广泛的研究。与传统位移传感器相比，光纤位移传感器具有结构紧凑、耐腐蚀、抗电磁干扰和多路复用的优点。广泛应用于路基沉降监测、土体变形监测和土建结构裂缝监测。随着光纤位移传感器的不断发展，目前的光纤位移传感器大多基于光纤布拉格光栅、长周期光栅、法布里-珀罗腔和光纤干涉仪。它们一般采用波长解调方式，大多数存在位移和温度具有交叉灵敏的问题，不利于其工程应用。

相比之下，基于光纤弯曲损耗的位移传感器具有结构简单、成本低、多点测量等优点。该方法可真正应用于结构健康监测工程问题，实现工程经济效益的提高。基于不同结构SMF弯曲损失的位移传感器不断被提出。由于SMF的弯曲损失不明显，由于直接使用SMF作为传感器头，测得的动态范围一般很低，在实际工程应用中受到很大限制。因此，如何实现一种能克服温度和位移交叉敏感问题、高动态测量范围、稳定度高和低成本的多点光纤位移传感系统成为目前急需解决的问题。

发明内容

本发明旨在解决以上光纤传感存在的问题，提出了一种基于光纤宏弯损耗的多点位移传感系统。该系统由光纤位移传感器、光纤环反射镜(FLM)和光时域反射仪(OTDR)三部分组成。光纤位移传感器采用级联单模-无芯-单模(SNS)光纤设计，SNS连接在由3dB耦合器构成的FLM上，用来提高测量动态范围。位移的变化会显著改变SNS宏观弯曲损失的值，从而引起FLM反射能量的变化，最终实现位移测量。每个FLM构成一个位移传感单元，以此传感单元为基础搭建多点位移传感系统，从而实现位移温度不灵敏，高动态范围，宽范围，低噪声、高稳定性、低成本的快速传感。

为了实现以上目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于光纤宏弯损耗的多点位移传感系统，包括相连的脉冲激光器、第一光纤耦合器、光纤连接器、第一单模光纤、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、第一位移传感器、第二单模光纤、第四光纤耦合器、第五光纤耦合器、第二位移传感器、第三单模光纤、光电探测器、电压放大器、A/D转换器、数据采集器；其中：

所述第一光纤耦合器内包含P1、P2、P3三个端口，P1端与脉冲激光器的输出端相连接，P2、P3两端分别连接光电探测器的输入端与前端的光纤连接器的输入端；

所述光纤连接器的输出端与第一单模光纤首端相连，第二光纤耦合器的输入端连接第一单模光纤尾端，两个输出端分别与第二单模光纤首端和第三光纤耦合器的输入端相连，第一位移传感器的两端分别与第三光纤耦合器的两个输出端相连；

所述第四光纤耦合器的输入端与第二单模光纤的尾端相连，两个输出端分别与第三单模光纤首端和第五光纤耦合器的输入端相连，位移传感器的两端分别与第五光纤耦合器的两个输出端相连；

所述电压放大器的输入、输出端分别连接光电探测器的输出端与A/D转换器的输入端，A/D转换器的输出端与数据采集器的输入端相连接。

为了进一步优化本发明，可优先选用以下技术方案：

优选的，所述的脉冲激光器的脉冲功率为10mW，脉宽为10ns，损耗测量精度为0.01dB，群折射率范围为1.400000 -1.699999。

优选的，所述的第一光纤耦合器、第三光纤耦合器和第五光纤耦合器的分光比都为50:50；第二光纤耦合器和第四光纤耦合器的分光比都为95:5。

优选的，第一单模光纤的长度为1030m，第二单模光纤的长度为860m，第三单模光纤的长度为595m，衰减系数都为0.18dB/km。

优选的，所述第一位移传感器与第二位移传感器的结构相同，均包括第四单模光纤、无芯光纤、第五单模光纤号；无芯光纤的两端分别与第四单模光纤尾端、第五单模光纤首端同轴熔接。

优选的，所述光电探测器为平衡光电探测器，将采集到的光信号转换为电信号，经过电压放大器进行电压放大，通过A/D转换器转化为数字信号，最后被数据采集器处理并显示。

优选的，所有器件的光路连接均是通过单模光纤采用电弧放电熔融连接。

一种基于多点位移传感系统的使用方法，包括以下步骤：所述脉冲激光器发出的脉冲光依次通过第一光纤耦合器、光纤连接器、第一单模光纤，最后到达第二光纤耦合器，5％的脉冲光被分出到达由第三光纤耦合器构成的光纤环形镜，其中第一位移传感器连接到光纤环形镜上；另外95％的脉冲光继续向下一个相同的传感单元传输；其中由于位移造成SNS的宏弯损耗，携带宏弯损耗的光纤反射镜的反射光能量信号经过光纤耦合器到光电探测器，经过电压放大、A/D转换、数据采集，最终还原出经过边缘滤波器滤波后的能量信号，从而实现多点位移的传感。

本发明具有以下有益效果：

1、本方案中位移传感器可重复制造，制造的位移传感器安装在光纤环形镜上构成位移传感单元。位移传感器的位移变化显著影响了其宏观弯曲损失的值，从而影响了光时域反射仪监测的光纤环形镜的峰值反射能量。本方案中将制造的SNS搭载到环形镜来搭建位移传感系统，SNS的位移改变影响SNS宏弯损耗的值，进而影响环形镜反射光能量峰值，由OTDR来监测这种峰值，对于每个光纤环形镜，我们只引入5％的光源能量，以减少传感器系统对光源的依赖，并增加可重用传感器的数量。该系统稳定的，各传感器均能保持相近的传感效果，温度的变化很难引起光纤环形镜峰值反射光能量的变化，克服了位移与温度交叉敏感的问题。在结构健康监测中具有广泛的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明中多点位移传感系统的结构示意图；

图2为本发明引入的一种位移传感器的连接示意图；

图3为本发明由实验数据得出的位移与光纤环形镜反射光峰值能量的拟合图；

图4为本发明由实验数据得出的光纤环形镜反射光峰值能量随温度的变化图；

其中，1-脉冲激光器；2-第一光纤耦合器；3-光纤连接器；4-第一单模光纤；5-第二光纤耦合器；6-第三光纤耦合器；7-第一位移传感器；8-第二单模光纤；9-第四光纤耦合器；10-第五光纤耦合器；11-第二位移传感器；12-第三单模光纤；13-光电探测器；14-电压放大器；15-A/D转换器；16-数据采集器；7-1-第四单模光纤、7-2-无芯光纤、7-3-第五单模光纤。

具体实施方式

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1-4：一种基于光纤宏弯损耗的多点位移传感系统，其特征在于：包括相连的脉冲激光器1、第一光纤耦合器2、光纤连接器3、第一单模光纤4、第二光纤耦合器5、第三光纤耦合器6、第一位移传感器7、第二单模光纤8、第四光纤耦合器9、第五光纤耦合器10、第二位移传感器11、第三单模光纤12、光电探测器13、电压放大器14、A/D转换器15、数据采集器16；其中：

其中第一光纤耦合器2内包含P1、P2、P3三个端口，P1端与脉冲激光器1的输出端相连接，P2、P3两端分别连接光电探测器9的输入端与前端的光纤连接器3的输入端；

其中光纤连接器3的输出端与第一单模光纤4首端相连，第二光纤耦合器5的输入端连接第一单模光纤4尾端，两个输出端分别与第二单模光纤8首端和第三光纤耦合器6的输入端相连，第一位移传感器7的两端分别与第三光纤耦合器6的两个输出端相连；

其中第四光纤耦合器9的输入端与第二单模光纤8的尾端相连，两个输出端分别与第三单模光纤12首端和第五光纤耦合器10的输入端相连，位移传感器11的两端分别与第五光纤耦合器10的两个输出端相连；

其中电压放大器14的输入、输出端分别连接光电探测器13的输出端与A/D转换器15的输入端，A/D转换器15的输出端与数据采集器16的输入端相连接。

其中脉冲激光器1的脉冲功率为10mW，脉宽为10ns，损耗测量精度为0.01dB，群折射率范围为1.400000 -1.699999。

其中第一光纤耦合器2、第三光纤耦合器6和第五光纤耦合器10的分光比都为50:50；第二光纤耦合器和第四光纤耦合器9的分光比都为95:5。

其中第一单模光纤4的长度为1030m，第二单模光纤8的长度为860m，第三单模光纤12的长度为595m，衰减系数都为0.18dB/km。

其中第一位移传感器与第二位移传感器的结构相同，均包括第四单模光纤7-1、无芯光纤7-2、第五单模光纤5号；无芯光纤7-2的两端分别与第四单模光纤7-1尾端、第五单模光纤7-3首端同轴熔接；其中无芯光纤7-2的长度为2mm，包层直径为125um。

其中光电探测器13为平衡光电探测器，将采集到的光信号转换为电信号，经过电压放大器14进行电压放大，通过A/D转换器15转化为数字信号，最后被数据采集器16处理并显示。所有器件的光路连接均是通过单模光纤采用电弧放电熔融连接。

一种基于多点位移传感系统的使用方法，包括以下步骤：脉冲激光器1发出的脉冲光依次通过第一光纤耦合器2-光纤连接器3-第一单模光纤4-到达第二光纤耦合器5，5％的脉冲光被分出到达由第三光纤耦合器6构成的光纤环形镜，其中第一位移传感器7连接到光纤环形镜上；另外95％的脉冲光继续向下一个相同的传感单元传输；其中由于位移造成SNS的宏弯损耗，携带宏弯损耗的光纤反射镜的反射光能量信号经过光纤耦合器到光电探测器，经过电压放大、A/D转换、数据采集，最终还原出经过边缘滤波器滤波后的能量信号，从而实现多点位移的传感。

本系统的测量原理为：

光纤宏观弯曲损失系数为:

α

其中，α

宏观弯曲损耗表示如下

ΔI

其中，I

ΔI

由式(3)可知，当光纤类型、光源工作方式、弯曲光纤长度均确定时，光纤的宏弯损耗仅取决于弯曲光纤的曲率半径。由于SNS弯曲长度是固定的，我们给SNS不同的位移来改变SNS的曲率半径，从而改变SNS的宏弯损耗值。我们主要利用携带光纤宏弯损耗信息的反射事件来测量位移。反射事件的OTDR迹线可以表示为:

RL(z)＝-10lg[P

其中，P

其中，A(z)为整个传感系统的插入损耗，P

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。