[发明专利]孪生阵列Michelson光纤白光干涉应变仪

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种测量装置，具体涉及一种基于空分复用原理构造的光纤干涉应变仪。

背景技术

采用低相干、宽谱带的光源的光纤干涉仪通常被称为白光光纤干涉仪，与其他光纤干涉仪相比，除了具有高灵敏度、本质安全、抗电磁场干扰等特点外，最大特点是可对压力、应变、温度等待测量进行绝对测量。因此，白光干涉型光纤干涉仪被广泛用于对物理量、机械量、环境量、化学量和生物医学量等的测量。

近年来，白光干涉传感技术得到了蓬勃的发展，其中的一个热点就是发展了多种基于多路复用技术的光纤传感器和测试系统，用于应变、温度、压力等物理量的测量。多路复用技术的发展背景主要是由于，在实际测量与测试应用中，单个物理量以及单一位置点的传感，已经远不能满足人们对事物整体或者系统状态感知的要求，这往往需要对多个或者多点物理量的分布进行在线或者实时的量测。例如对大型结构(水电站、大坝、桥梁等)的无损检测与监测以确定其安全的过程中，需要将光纤传感器植入关键部位，并构筑成监测网络，对其内部的应力、应变以及温度等信息进行提取。如此，传感器数量通常为几十个或者上百个，如果测试系统仅以单点传感器进行连接，无疑，其测试造价将大大提高，同时降低了系统可靠性。采用多路复用技术，利用同一个解调系统对多个传感器的测量信息进行问询，这不仅极大简化了系统复杂程度，而且使测量精度和可靠性也得到了保证。同时，由于多路复用技术，降低了单点传感器的造价，从而使测试费用大为降低，提高了性价比，使光纤传感器与传统传感器相比更具优势。

现已发展的多路复用技术主要有：时分复用技术(TDM)、频分复用技术(FDM或FMCW)、波分复用技术(WDM)、码分复用技术(CDM)和空复用技术(SDM)。其中，已用于白光干涉传感系统中有TDM、FDM以及SDM。

SANTOS等人[Coherence sensing of time-addressed optical-fiber sensorsilluminated by a multimode laser diode，Appl.Opti.，30：5068-5077，1991]发展的时分复用技术(TDM)，是利用光纤对光波的延迟效应来寻址的复用技术。这种方法结构复杂，复用数量有限，测量范围小，测量精度低。

LIU等人[A frequency division multiplexed low-finesse fiber opticalFabry-Perot sensor system for strain and displacement measurements，Review ofScientific instruments，71(3)，1275-1278，2000]发展的频分复用技术(FDM)，利用光谱分析仪直接测量多个腔长不同的Fabry-Perot干涉仪输出的光谱叠加结果，这种方法受腔长和腔长差的限制，干涉仪的复用数量仅为几个。

与其它类型的光纤传感器比较，基于空分复用技术构成传感系统是白光干涉传感技术的一个特色。在白光干涉传感系统中，通常要求各个传感器长度各不相同，则对于复用阵列中的传感器在其各自相干长度内，只存在单一的白光干涉信号。通过分立参考干涉仪的时间或空间光程扫描，对多传感器的区分，实现待测物理量的解调与问询，很方便的实现多路复用，而勿需更复杂的时间或者频率复用技术。这种复用技术，由于各个传感器所对应的干涉信号在光程扫描空间内的分立性，所以也称为空分复用技术(SDM)。

[YUAN L B，ZHOU L M，JIN W.Quasi-distributed strain sensing withwhite-light a novel approach，Optics Letters，25，1074-1076，2000]中公开的空分复用技术(SDM)，通过分立参考干涉仪进行时间和空间连续光程扫描，即可实现对多传感器的解调和问询，从而很方便的实现多路复用，这种方法结构简单，测量精度高。

申请人于2006年公开了多路复用光纤干涉仪及其嵌套构建方法(中国专利公开号：CA1963399A)，发明了可以构造传感器阵列和网络的全光纤干涉仪光纤及其实现方法，解决光纤干涉仪的复用数量少，结构复杂的问题。申请人于2007年公开的低相干绞扭式类Sagnac光纤形变传感装置(中国专利公开号：101074867A)中，虽然干涉仪结构在理论上可以解决抗毁坏的问题，但由于其结构过于复杂，尤其是光信号行经的路径过多，强度较弱，信噪比较低，不利于实际测量中布设使用。