[发明专利]利用偏移芯光纤的高分辨率分布式传感器

说明书

一种具有偏移芯的延长长度的光纤，该偏移芯具有刻写的布拉格光栅，该光纤被用作与光频域反射测定法(OFDR)相结合的分布式传感器，以使得能够测量施加到光纤的小尺度(例如，亚毫米)扭曲和力。偏移芯可以围绕光纤的中心轴线以螺旋配置设置，以提高测量的空间分辨率。参考表面呈现预定纹理(以一系列波纹的形式，例如，其可以是周期性的或非周期性的，只要是先验已知的即可)被设置为邻近传感器光纤的纵向部分。对板和光纤的组合施加的力在沿光纤的偏移芯形成的光栅中产生局部应变，这导致光栅的布拉格波长的偏移。使用ODFR测量技术，布拉格波长偏移的分析允许获得高分辨率的力测量结果。

相关申请的交叉引用

本申请要求在2018年12月4日提交的美国临时申请62/775,123的权益，并通过引用将其在此并入。

技术领域

本发明涉及使用延长长度的光纤作为分布式传感器，并且更具体地，涉及使用具有刻写的光栅的偏移芯光纤来执行小尺度(亚毫米)扭曲和施加的力的光频域反射测定法(OFDR)测量。

背景技术

除了用作通信信号路径之外，光纤还用在感测应用中，其中环境条件的变化改变光纤的性质，使得传播的光信号经历可以被测量并且然后与特定环境变化(例如，温度、应变、施加的力、扭曲等的变化)相关的变化。有利地，光纤的延长长度可以用作分布式传感器，从而沿着其整个长度(可以长达数十公里)检测一个或多个选定的测量结果。

当沿这种光纤传感器刻写离散或连续的布拉格光栅时，传感器的性能可以被大大提高，且获得和使用沿光纤所测量的变化的方法可以被简化。许多分布式光纤传感器应用涉及用于监测建筑物、桥梁跨度等的结构完整性的长长度的光纤。用于油/气井的井下感测、安全监控(包括检测环境中存在的不期望的气体或液体)是其它有用应用的示例。

在大多数这些情况下，布拉格光栅被刻写在沿光纤的中心轴线设置的芯区域内。其它光纤配置利用偏移芯，或者甚至一组偏移芯(也称为多芯偏移光纤)来检测和测量沿光纤的各个点处的弯曲。因此，形成为包括偏移芯的光纤传感器能够测量沿光纤产生的离轴应变(正或负-取决于弯曲的方向)。因此，具有从中心轴线偏移的光导芯的光纤可用于通过对偏移芯中的布拉格光栅波长的偏移进行局部应变测量来检测沿光纤的弯曲和扭曲(即，扭转)。

此外，可以使用围绕中心轴线对称地定位的这种纤芯的三元组(即，多芯偏移光纤)来获得关于施加在所研究的对象上的曲率和扭转的完整的三维信息。

虽然过去的工作已经研究了在厘米到米的长度范围内的弯曲和其他扭曲，但是可用的传感器光纤缺乏识别和测量扭曲或施加的力的亚毫米变化的能力。

发明内容

本发明解决了现有技术中存在的需求，本发明涉及使用延长长度的光纤作为分布式传感器，并且更具体地，涉及使用具有刻写的光栅的偏移芯光纤来执行小尺度(例如，亚毫米)扭曲和施加的力的光频域反射测定法(OFDR)测量。

在一个或多个示例性实施例中，扭曲感测光纤包括以螺旋配置围绕将用作传感器光纤的光纤的中心轴线设置的偏移芯(有时也称为“扭曲”配置)。包括“可调谐激光源”(TLS)的OFDR与空间傅立叶分析器结合使用，以获得关于沿光纤长度的弯曲和位移的信息。

本发明的各种实施例可以利用多个偏移芯，每个偏移芯呈现相同的螺旋周期，但是彼此间隔开。例如，一组三个偏移芯可以全部被定位在距传感器光纤的中心相同的径向位移处，其中在每个纤芯之间具有120°的均匀空间间隔，因此使得能够在所有方向上测量亚毫米畸变。然而，其他实施例可以利用沿着传感器光纤的长度沿着单个方位线设置的单个偏移芯(即，不形成为围绕传感器光纤的中心轴线的螺旋)。只要偏移芯不位于与所施加的力的平面垂直的平面中，就可以使用这种实施例。也可使用多个非螺旋的偏移源。

虽然传感器光纤可以由常规玻璃材料形成，但是其他实施例可以利用由弹性较小的材料形成的传感器光纤，其具有允许更精细程度的测量分辨率的较小杨氏模量。