[发明专利]温度自动补偿光纤光栅动态应变测量方法及其系统

说明书

技术领域

本发明涉及动态应变量及振动量的测量方法及系统，尤其涉及温度自动补偿光纤光栅动态应变测量方法及其系统。

背景技术

光纤布拉格光栅(FBG)传感器件被认为是21世纪最有前途的光纤传感器件，作为新型的光纤传感器件，它除具有光纤传感器的优点，如抗电磁干扰、本质安全等，还具有许多独特的优势：传感信息量波长调制，不受光源光强波动、线路损耗的影响，传感重复性和稳定性好，可方便地实现网络化测量；其自参考特性使它能够实现绝对测量。

缓变参量测量和网络化传感技术都已经比较成熟，并且已得到了广泛应用。而在许多场合，非常需要用FBG传感器测量快速、瞬态应变或振动。如：大型电力设备正常运行时的电磁振动和故障状态下的瞬态结构应变，由于特殊的电磁环境，无法实现测量；对防爆条件要求苛刻的化工设备故障、储油罐或石油管道的泄露诱导的瞬态应变或振动监测；需要长距离传输测量信号的海底缆线、石油管道的健康状况监测；用FBG实现加速度传感；FBG传感器用于分析弹道测试引起的环境波动和在破坏性实验结构破坏引起的振动波等。在上述动态监测中，扰动的幅度和频率信息对研究结构的健康状况、安全性、稳定性和完整性尤为重要。用FBG测量快速或瞬态应变，需要高速波长解调方法。这类事件的特点或是频率高，或是持续时间短，利用目前常用的扫描解调方法，如法-珀干涉仪，其扫描频率才千赫兹，根本无法实现千赫兹及以上的解调。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术之不足，提供一种能实现千赫及千赫以上解调的温度补偿光纤光栅动态应变测量方法及其系统，它通过如下技术方案来实现：

其方法是：采用传感布拉格光纤光栅和滤波布拉格光纤光栅为匹配光栅，通过PID闭环控制结构控制滤波布拉格光纤光栅中心波长，在FBG_S的中心波长随温度时，使滤波布拉格光纤光栅中心波长随传感布拉格光纤光栅中心波长变化而变化，保持两者的中心波长之差恒定，由此稳定所述测量系统的静态工作点，达到对环境温度的自适应。

温度补偿光纤光栅动态应变测量系统的静态工作点选在系统输出值的1/2处。

所述传感布拉格光纤光栅和滤波布拉格光纤光栅的中心波长之差为0.6Δλ，Δλ为光栅反射谱半高全宽。

其系统包括：宽带光源、耦合器、传感布拉格光纤光栅、滤波布拉格光纤光栅、光电二极管、前置放大器、A/D数据转换器、计算机、电致伸缩材料及电致伸缩材料驱动电源，所述滤波布拉格光纤光栅粘贴在电致伸缩材料上，宽带光源通过光纤连接第一耦合器的一输入端，该耦合器的输出端通过光纤连接传感布拉格光纤光栅，第二耦合器输入端与第一耦合器的另一个输入端连接，第二耦合器输出端通过光纤分别连接第三耦合器的一输入端和光电二极管的输入端，第三耦合器的输出端通过光纤连接滤波布拉格光纤光栅，第三耦合器的另一输入端连接光电二极管输入端，所述光电二极管输出端通过电信号连接线连接前置放大器的输入端，A/D数据转换器的输出端连接所述前置放大器的输出端，其输出端连接所述计算机对应输入端，计算机对输入信息处理后通过并行口及数据线将控制信号传输到电致伸缩材料的驱动电源对其输出电压进行控制。

所述第一耦合器、第三耦合器是3dB耦合器，所述第二耦合器是1∶9耦合器。

本发明的有益效果是：本发明是基于FBG光学带通滤波器边缘的相关解调方法而实现的系统，其动态范围小，针对匹配FBG制造困难和温度造成的匹配光栅失配问题，提出滤波FBG波长自动跟踪方法，该方法大大降低了对匹配FBG制造技术的要求、提高系统温度稳定性。使系统在宽温度范围内正常工作。并实现动态应变和测量点温度同时测量。利用FBG边缘相关波长解调法的高灵敏度，实现了基于等应变梁的高谐振频率(千赫及千赫以上解调)、高加速度值的加速度传感系统，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图。

图2是本发明系统用于温度扰动实验的结构示意图。

图3是单光栅解调原理示意图。

图4是PID控制结构图。

图5是FBG传感解调系统工作原理示意图。

图6是系统温度跟踪特性和跟踪工作点电压偏差曲线

图7是闭环控制系统的输入输出信号波形。

具体实施方式