[发明专利]一种光频域反射中用薄包层光纤提高应变测量灵敏度方法

说明书

本发明公开了一种光频域反射中用薄包层光纤提高应变测量灵敏度方法，该方法是基于光频域反射中单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变测量，当采用较小直径包层的光纤即细径光纤作为传感光纤时，光纤瑞利散射光谱移动量与应变量比值即应变传感灵敏度有显著提高。实现了在同样空间分辨率的条件下，可测量更小应变值的效果。

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感仪器技术领域，尤其涉及一种光频域反射中利用不同包层直径光纤提高应变测量灵敏度方法。

背景技术

高精度高空间分辨率的分布式应变传感广泛应用于民生、国防安全等多个领域中，如飞行器、航天器、船舶、国防装备、工业设备、桥梁涵洞等重点部位的结构健康监控，利用光频域反射中单模光纤瑞利散射光谱移动可实现高精度高空间分辨率的分布式应变传感。这种方法采用普通单模通讯光纤为传感光纤，其包层直径为125微米，加涂覆层层直径为250微米。但这种采用普通单模光纤作为传感光纤应变传感灵敏度不高，需要牺牲空间分辨率来提高可测量的最小应变值。

发明内容

本发明提供了一种光频域反射中利用薄包层直径光纤提高应变测量灵敏度方法，本发明克服现有普通单模光纤作为传感光纤应变传感灵敏度不高的问题，提出采用较小直径包层的光纤即细径光纤作为传感光纤的方法，实现在同样空间分辨率的条件下，可测量更小应变值，详见下文描述：

当光纤受到一个给定轴向应力P，两种不同直径光纤感受到的应变Δε_i可以分别表示为：

其中A_i为两种不用包层光纤的截面积，E为光纤的杨氏模量。还可得下面关系：

Δε₁/Δε₂＝A₂/A₁.

从上面关系可以看出，光纤感受的应变量与光纤的截面积成反比，采用较小包层直径的光纤会提高应变测量的灵敏度。本光纤传感原理是通过光频域反射中测量光纤中瑞利散射光谱移动进行应变测量，其中光纤中瑞利散射光谱移动与应变值成正比。光纤贴附到待测材料表面，待测材料发生形变(应变)会施加在光纤一个轴向应力。根据上面的数学表达式，较小包层直径的光纤会感受到更大的光纤自身应变，这样提高了对材料发生应变测量的灵敏度。

一种光频域反射中用薄包层光纤提高应变测量灵敏度方法，所述方法包括以下步骤：

(1)在主干涉仪中由薄包层的光纤即细径光纤背向瑞利散射形成拍频干涉信号，并对这拍频干涉信号分别进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到对应细径光纤中各个位置的距离域信息，对距离域信息通过一定宽度的移动窗依次选取细径光纤的各个位置形成本地距离域信息；

(2)参考信号和测量信号都利用移动窗选取细径光纤的本地距离域信息，将其利用复数傅里叶反变换再转换到光频域得到参考信号和测量信号的本地光频域信息；

(3)参考信号和测量信号的本地光频域信息，利用互相关运算对参考信号和测量信号的本地光频域信息进行频移估计，互相关峰移动量反映瑞利散射光谱频移，瑞利散射光谱频移与应变量成正比，通过互相关峰移动量即反映应变量；

在光频域反射中单模光纤瑞利散射光谱移动进行分布式应变测量，当采用较小直径包层的光纤即细径光纤作为传感光纤时，光纤瑞利散射光谱移动量与应变量比值即应变传感灵敏度较普通通讯光纤有显著提高。

所述细径光纤为包层直径为80微米。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明提供的采用较小直径包层的光纤即细径光纤作为传感光纤时，光纤瑞利散射光谱移动量与应变量比值即应变传感灵敏度较普通通讯光光纤(包层直径为125微米)有显著提高。实现了在同样空间分辨率的条件下，可测量更小应变值的效果。

附图说明