[發明專利]基于動態BOTDA的多芯循環串接式光纖形狀傳感器

有效

• 申請號: 201810192197.1
• 申請日: 2018-03-08
• 公開（公告）號: CN110243305B
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發明（設計）人: 苑立波;楊世泰;徐榮輝
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G01B11/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供的是一種基于動態BOTDA的多芯循環串接式光纖形狀傳感器。該光纖形狀傳感器由多芯光纖，單模光纖和多芯光纖Fan?in器件，單模光纖和多芯光纖Fan?out器件以及連接Fan?in和Fan?out器件之間的多根單模光纖組成。采用多芯光纖的多根纖芯依次循環串接的方式，實現將多個纖芯展開成一維拓撲光路的功能。本發明可用于動態BOTDA傳感系統的形狀傳感器件，可廣泛用于智能結構的健康監測，還可用于機器人或者飛機機翼的蒙皮結構，實時檢測其形狀變化。

(一)技術領域

本發明涉及的是一種基于動態BOTDA的多芯循環串接式光纖形狀傳感器，可用于智能結構的健康監測，還可用于機器人或者飛機機翼的蒙皮結構，實時檢測其形狀變化，屬于分布式光纖形變傳感技術領域。

(二)背景技術

光纖形變傳感是一種分布式傳感技術，它利用光纖局部應變產生的后向散射信號來探測光纖的彎曲和扭轉等信息，然后對這些信息進行處理以重構光纖的空間形變。這種技術在醫療、能源、國防、航空航天、結構安全監測以及其它智能結構等領域具有廣泛的應用價值。而在航空航天領域，光纖智能結構已應用于自適應機翼、智能蒙皮、振動噪聲控制以及智能結構健康監測等領域的研究。1979年5月，美國國家航空航天局(NASA)哥達德空間飛行中心提出“光纖機敏結構與蒙皮”計劃，將光纖傳感器植入飛行器的復合材料蒙皮中，構建光纖智能結構，監測應變和溫度參數，使得飛行器和關鍵構件具有自檢測、自診斷、自監控、自適應等功能，該計劃開創了智能結構(Intelligent Structures)研究的先河。隨后，美國空軍項目“預測II”計劃提出，21世紀的美國空軍飛機及空間系統將在飛行器結構與蒙皮中植入集成陣列傳感器、執行器，構建新型“機敏結構與蒙皮”，用于對飛行器的外部負載、內部溫度、應力應變、裂紋及其擴展、損傷及失效等進行在線、動態、主動的監測，以保證飛行更加安全、可靠、經濟。

分布式布里淵光纖傳感因具有分布式應變和溫度的測量能力，以及在結構健康監測領域的重要應用而受到廣泛的研究。在多種傳感方案中，布里淵光時域分析技術(BOTDA)具有信噪比好、空間分辨率高、傳感距離遠等優點，受到廣泛關注。但是，傳統的BOTDA系統需要比較費時的平均和掃頻過程，只適宜進行靜態或緩慢的應變測量。為了提升BOTDA系統的動態分布式傳感性能，各國研究人員提出了很多改進方案：偏振補償技術、光學捷變頻技術、斜坡法、光學啁啾鏈技術、光學頻率梳技術等。哈爾濱工業大學的董永康研究團隊采用差分脈寬對的方法，有效的提高了BOTDA系統的空間分辨率(Dong Y，Ba D，Jiang T，etal.High-Spatial-Resolution Fast BOTDA for Dynamic Strain Measurement Based onDifferential Double-Pulse and Second-Order Sideband of Modulation[J].IEEEPhotonics Journal，2013，5(3)：2600407-2600407.)。

基于高分辨率的動態BOTDA系統，為了實現彎曲、扭轉等形狀變化的傳感探測，還需要有結構簡單、形狀變化傳感信息完備、集成度高的光纖形狀傳感器這一核心器件。

將布里淵光纖傳感技術與多芯光纖相結合，國內外研究者在多芯光纖形狀傳感方面開展了卓有成效的探索與研究。2015年，Yosuke Mizuno等人研究了七芯光纖的邊芯和中間芯在布里淵散射測量中對應變和溫度的感知系數不同，指出了多芯光纖用于應變和溫度傳感的可能性(Mizuno Y，Hayashi N，Tanaka H，et al.Brillouin scattering in multi-core optical fibers for sensing applications[J].Sci Rep，2015，5：11388.)。專利CN103438927B中采用多芯光纖作為分布式傳感器件，但是其只是將多芯光纖的多個纖芯作為多個傳輸通道，起到了多次測量的作用，并不能用于作為形狀的實時傳感。

(三)發明內容