[发明专利]长距离分布式大测量范围快速响应光纤动态应变传感装置

说明书

技术领域

本发明涉及分布式光纤动态应变测量技术领域，具体涉及长距离分布式大测量范围快速响应光纤动态应变传感装置。

背景技术

由动态应变引起的设备和建筑物受损越来越多，尤其在地震高发区，振动和冲击波等对大坝、桥梁以及房屋等的破坏非常严重，因此迫切需要具有快速响应的动态应变传感网络。由于光纤具有损耗小、耐高温、耐腐蚀、绝缘、抗电磁干扰等显著优势，且对研究结构的健康状况、安全性、稳定性和完整性影响较小，因此本质上光纤传感技术成为构建分布式动态应变监测的最优选择。

目前，实现分布式光纤动态应变传感技术的研究主要有如下几类：一是基于光纤光栅动态应变传感技术（详见A.Cusano,et al.,Sens.Actuator A-Phys.110,276(2004)），外界动态应变或振动引起光纤光栅反射波长的动态漂移，但构建超大规模光纤光栅动态应变传感网络的技术难度和成本很高；二是基于光纤干涉结构的动态应变传感技术（详见Tapanes Edward E.,US Patent,20030198425,(2003)），利用干涉结构将光纤受外界动态应变或振动扰动的相位调制转化为光功率或者其他参量的变化，但干涉结构需要相移器和闭环控制系统来实时稳定最佳工作点，系统稳定性和定位精度较差；三是基于瑞利散射的分布式动态应变传感技术，其中较为成功的技术是相位敏感型光时域反射计(Φ-OTDR)（详见Z.Pan,et al.,Proc.of SPIE8421,842129(2012)；Z.Qin,et al.,Opt.Express20,20459(2012)），通过测量光脉冲覆盖区域内瑞利散射光的干涉叠加效果来解调动态扰动，但此方案对缓变扰动感知困难，且无法实现动态应变幅度的定量测量。

对于连续分布式传感，布里渊型分布式光纤传感技术可对光纤沿线上任意位置处的应力变形和温度进行连续测量，经过二十几年的发展，基于布里渊非线性效应的分布式光纤传感技术优势得到了充分展示并取得到了广泛应用。但是，这种常规基于重构布里渊增益谱分布的方案，本质上在响应速度方面还无法满足动态应变信号传感的迫切需求。国际上一些研究小组在常规布里渊分布式光纤传感技术基础上，有针对性的探索相关技术来实现分布式动态应变传感。相关探索主要集中在以下两个方面：

一方面是提高响应速度。2009年，A.Minardo等人提出了一种频差斜边偏置探测的方案（详见R.Bernini,et al.,Opt.Lett.34,2613(2009)），实现将布里渊增益谱的漂移转化为探测光功率的波动，从而大大提高系统响应速度到98Hz，但此方案动态应变测量的范围小于±350με（形变范围±0.035%）。2011年，A.Voskoboinik等人提出一种无扫频重构布里渊增益谱的方案（详见A.Voskoboinik,et al.,US Patent,US20130025374A1,(2013)），实现无需扫描即可覆盖传感频谱，因此响应速度也可达到几十Hz量级，但此方案技术方案动态应变测量范围也只能达到±900με。2012年，A.Loayssa等人提出一种基于布里渊相移分析型的分布式动态应变测量方案（详见J.Urricelqui,et al.,Opt.Express20,26942(2012)），通过解调应变导致布里渊增益的相位变化来实现动态应变传感，此方案中应变传感范围也仅达到±1280με。这些技术方案尽管有效提高了系统对动态应变的响应速度到100Hz左右，但是应变传感范围小于±1000με，无法满足实际应用对大测量范围的需求（±4000με以上）。