[發(fā)明專利]長距離分布式大測量范圍快速響應(yīng)光纖動態(tài)應(yīng)變傳感裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410133462.0
• 申請日: 2014-04-03
• 公開（公告）號: CN103954226B
• 公開（公告）日: 2017-01-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 甘久林;陳佳利;楊中民
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司44102
• 代理人: 何淑珍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及分布式光纖動態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及長距離分布式大測量范圍快速響應(yīng)光纖動態(tài)應(yīng)變傳感裝置。

背景技術(shù)

由動態(tài)應(yīng)變引起的設(shè)備和建筑物受損越來越多，尤其在地震高發(fā)區(qū)，振動和沖擊波等對大壩、橋梁以及房屋等的破壞非常嚴(yán)重，因此迫切需要具有快速響應(yīng)的動態(tài)應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)。由于光纖具有損耗小、耐高溫、耐腐蝕、絕緣、抗電磁干擾等顯著優(yōu)勢，且對研究結(jié)構(gòu)的健康狀況、安全性、穩(wěn)定性和完整性影響較小，因此本質(zhì)上光纖傳感技術(shù)成為構(gòu)建分布式動態(tài)應(yīng)變監(jiān)測的最優(yōu)選擇。

目前，實(shí)現(xiàn)分布式光纖動態(tài)應(yīng)變傳感技術(shù)的研究主要有如下幾類：一是基于光纖光柵動態(tài)應(yīng)變傳感技術(shù)（詳見A.Cusano,et?al.,Sens.Actuator?A-Phys.110,276(2004)），外界動態(tài)應(yīng)變或振動引起光纖光柵反射波長的動態(tài)漂移，但構(gòu)建超大規(guī)模光纖光柵動態(tài)應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)難度和成本很高；二是基于光纖干涉結(jié)構(gòu)的動態(tài)應(yīng)變傳感技術(shù)（詳見Tapanes?Edward?E.,US?Patent,20030198425,(2003)），利用干涉結(jié)構(gòu)將光纖受外界動態(tài)應(yīng)變或振動擾動的相位調(diào)制轉(zhuǎn)化為光功率或者其他參量的變化，但干涉結(jié)構(gòu)需要相移器和閉環(huán)控制系統(tǒng)來實(shí)時穩(wěn)定最佳工作點(diǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性和定位精度較差；三是基于瑞利散射的分布式動態(tài)應(yīng)變傳感技術(shù)，其中較為成功的技術(shù)是相位敏感型光時域反射計(jì)(Φ-OTDR)（詳見Z.Pan,et?al.,Proc.of?SPIE8421,842129(2012)；Z.Qin,et?al.,Opt.Express20,20459(2012)），通過測量光脈沖覆蓋區(qū)域內(nèi)瑞利散射光的干涉疊加效果來解調(diào)動態(tài)擾動，但此方案對緩變擾動感知困難，且無法實(shí)現(xiàn)動態(tài)應(yīng)變幅度的定量測量。

對于連續(xù)分布式傳感，布里淵型分布式光纖傳感技術(shù)可對光纖沿線上任意位置處的應(yīng)力變形和溫度進(jìn)行連續(xù)測量，經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，基于布里淵非線性效應(yīng)的分布式光纖傳感技術(shù)優(yōu)勢得到了充分展示并取得到了廣泛應(yīng)用。但是，這種常規(guī)基于重構(gòu)布里淵增益譜分布的方案，本質(zhì)上在響應(yīng)速度方面還無法滿足動態(tài)應(yīng)變信號傳感的迫切需求。國際上一些研究小組在常規(guī)布里淵分布式光纖傳感技術(shù)基礎(chǔ)上，有針對性的探索相關(guān)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)分布式動態(tài)應(yīng)變傳感。相關(guān)探索主要集中在以下兩個方面：

一方面是提高響應(yīng)速度。2009年，A.Minardo等人提出了一種頻差斜邊偏置探測的方案（詳見R.Bernini,et?al.,Opt.Lett.34,2613(2009)），實(shí)現(xiàn)將布里淵增益譜的漂移轉(zhuǎn)化為探測光功率的波動，從而大大提高系統(tǒng)響應(yīng)速度到98Hz，但此方案動態(tài)應(yīng)變測量的范圍小于±350με（形變范圍±0.035%）。2011年，A.Voskoboinik等人提出一種無掃頻重構(gòu)布里淵增益譜的方案（詳見A.Voskoboinik,et?al.,US?Patent,US20130025374A1,(2013)），實(shí)現(xiàn)無需掃描即可覆蓋傳感頻譜，因此響應(yīng)速度也可達(dá)到幾十Hz量級，但此方案技術(shù)方案動態(tài)應(yīng)變測量范圍也只能達(dá)到±900με。2012年，A.Loayssa等人提出一種基于布里淵相移分析型的分布式動態(tài)應(yīng)變測量方案（詳見J.Urricelqui,et?al.,Opt.Express20,26942(2012)），通過解調(diào)應(yīng)變導(dǎo)致布里淵增益的相位變化來實(shí)現(xiàn)動態(tài)應(yīng)變傳感，此方案中應(yīng)變傳感范圍也僅達(dá)到±1280με。這些技術(shù)方案盡管有效提高了系統(tǒng)對動態(tài)應(yīng)變的響應(yīng)速度到100Hz左右，但是應(yīng)變傳感范圍小于±1000με，無法滿足實(shí)際應(yīng)用對大測量范圍的需求（±4000με以上）。