[发明专利]一种基于腔长可调F-P白光干涉解调装置的分布式光纤应变测量系统

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及的是一种可用于多点准分布应变或者准温度分布等物理量的实时监测与测量的基于腔长可调F-P白光干涉解调装置的分布式光纤应变测量系统。

背景技术

光纤白光干涉仪的优点之一就是可以很容易地实现多路复用。多个传感器在各自的相干长度内，只存在单一的光干涉信号，因而勿需更复杂的时间或者频率复用技术对信号进行处理。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。因此，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。

白光干涉光纤传感器可以有效地避免窄带激光光源情况下相干长度很长的信号所遇到的限制和问题。空分复用白光干涉光纤传感器的一个主要优点是可以测量绝对长度和时间延迟。另外，由于传感信号的相干长度短，可以消除系统杂散光的时变干扰。空分复用白光干涉技术的另一个优点是不需要相对复杂的时分复用或频分复用技术便可以将多个传感器相干复用在一个信号中。空分复用技术是通过使用扫描干涉仪(如迈克尔逊干涉仪)实现信号光与参考光的光程相匹配来实现的。如果两路信号光的光程相匹配，在干涉仪的输出信号中会观察到白光干涉条纹。可实现高精度的绝对测量，能够测量的参量包括位置、位移、应变和温度等。

在实际应用中，尤其是在建筑结构的监测中，通常需要对建筑结构进行长距离、多点的准分布式测量。然而，对于传统的光纤白光干涉仪结构，传感光纤的长度受到可变扫描臂的调节范围的限制。另外，即使可以得到长距离的调节范围，光信号在长距离的空间光路中传输的损耗也会很大。

为解决上述问题，1995年美国H-P公司Wayne V.Sorin和Douglas M.Baney公开了一种基于光程自相关器的白光干涉传感器的复用方法(美国专利：专利号5557400)，基于Michelson干涉仪结构，利用光信号在Michelson干涉仪固定臂和可变扫描臂之间形成的光程差与光纤传感器的前后两个端面反射光信号光程差之间的匹配实现光程自相关，获得该传感器的白光干涉信号，再利用改变扫描臂与固定臂之间光的程差与多个首尾相接的串行光纤传感器阵列中的每个传感器逐一匹配，完成光纤传感器的多路复用。

此外，申请人于2007年和2008年公开的低相干绞扭式类Sagnac光纤形变传感装置(中国专利：200710072350.9)和空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪及测量方法(中国专利号：ZL 200810136824.6)主要用来解决光纤传感器复用阵列布设过程中抗毁坏的问题；申请人于2008年公开的光纤Mach-Zehnder与Michelson干涉仪阵列的组合测量仪(中国专利：ZL 200810136819.5)和孪生阵列Michelson光纤白光干涉应变仪(中国专利号：ZL200810136820.8)主要用于解决白光光纤干涉仪多路复用中温度对测量干扰，以及温度和应变同时测量问题；申请人于2008年公开的一种简化式多路复用白光干涉光纤传感解调装置(中国专利：ZL 200810136826.5)和基于可调Fabry-Perot谐振腔的分布式光纤白光干涉传感器阵列(中国专利：ZL 200810136833.5)，引入环形腔、F-P腔光程自相关器主要用于简化多路复用干涉仪的拓扑结构，构造共光路形式，提高温度稳定性；申请人于2008年公开的一种双基准长度低相干光纤环形网络传感解调装置(中国专利申请号：200810136821.2)4×4光纤耦合器光程自相关器的引入，目的是解决多基准传感器的同时测量问题。