[發(fā)明專利]一種基于動(dòng)態(tài)BOTDA的逐芯掃描式多芯光纖形狀傳感器

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810192317.8
• 申請(qǐng)日: 2018-03-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110243301A
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-09-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 苑立波;楊世泰;徐榮輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 桂林電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/16
• 分類號(hào): G01B11/16
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明提供的是一種基于動(dòng)態(tài)BOTDA的逐芯掃描式多芯光纖形狀傳感器。它由多芯光纖，多芯光纖Fan?in器件，多芯光纖Fan?out器件，兩個(gè)光開(kāi)關(guān)和連接各個(gè)部件的單模光纖組成。在多芯光纖的兩端都依次連接有一個(gè)多芯光纖Fan?in/out器件和光開(kāi)關(guān)，通過(guò)兩個(gè)光開(kāi)關(guān)的控制，能夠使得光波在多芯光纖的各個(gè)纖芯內(nèi)逐芯掃描，從而獲得每個(gè)纖芯各自的形變信息。本發(fā)明可用于動(dòng)態(tài)BOTDA傳感系統(tǒng)的形狀傳感器件，可廣泛用于智能結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)，還可用于機(jī)器人或者飛機(jī)機(jī)翼的蒙皮結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)檢測(cè)其形狀變化。

(一)技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種基于動(dòng)態(tài)BOTDA的逐芯掃描式多芯光纖形狀傳感器，可用于智能結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)，還可用于機(jī)器人或者飛機(jī)機(jī)翼的蒙皮結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)檢測(cè)其形狀變化，屬于分布式光纖形變傳感技術(shù)領(lǐng)域。

(二)背景技術(shù)

光纖形變傳感是一種分布式傳感技術(shù)，它利用光纖局部應(yīng)變產(chǎn)生的后向散射信號(hào)來(lái)探測(cè)光纖的彎曲和扭轉(zhuǎn)等信息，然后對(duì)這些信息進(jìn)行處理以重構(gòu)光纖的空間形變。這種技術(shù)在醫(yī)療、能源、國(guó)防、航空航天、結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)以及其它智能結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。而在航空航天領(lǐng)域，光纖智能結(jié)構(gòu)已應(yīng)用于自適應(yīng)機(jī)翼、智能蒙皮、振動(dòng)噪聲控制以及智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的研究。1979年5月，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)哥達(dá)德空間飛行中心提出“光纖機(jī)敏結(jié)構(gòu)與蒙皮”計(jì)劃，將光纖傳感器植入飛行器的復(fù)合材料蒙皮中，構(gòu)建光纖智能結(jié)構(gòu)，監(jiān)測(cè)應(yīng)變和溫度參數(shù)，使得飛行器和關(guān)鍵構(gòu)件具有自檢測(cè)、自診斷、自監(jiān)控、自適應(yīng)等功能，該計(jì)劃開(kāi)創(chuàng)了智能結(jié)構(gòu)(Intelligent Structures)研究的先河。隨后，美國(guó)空軍項(xiàng)目“預(yù)測(cè)II”計(jì)劃提出，21世紀(jì)的美國(guó)空軍飛機(jī)及空間系統(tǒng)將在飛行器結(jié)構(gòu)與蒙皮中植入集成陣列傳感器、執(zhí)行器，構(gòu)建新型“機(jī)敏結(jié)構(gòu)與蒙皮”，用于對(duì)飛行器的外部負(fù)載、內(nèi)部溫度、應(yīng)力應(yīng)變、裂紋及其擴(kuò)展、損傷及失效等進(jìn)行在線、動(dòng)態(tài)、主動(dòng)的監(jiān)測(cè)，以保證飛行更加安全、可靠、經(jīng)濟(jì)。

分布式布里淵光纖傳感因具有分布式應(yīng)變和溫度的測(cè)量能力，以及在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的重要應(yīng)用而受到廣泛的研究。在多種傳感方案中，布里淵光時(shí)域分析技術(shù)(BOTDA)具有信噪比好、空間分辨率高、傳感距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。但是，傳統(tǒng)的BOTDA系統(tǒng)需要比較費(fèi)時(shí)的平均和掃頻過(guò)程，只適宜進(jìn)行靜態(tài)或緩慢的應(yīng)變測(cè)量。為了提升BOTDA系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分布式傳感性能，各國(guó)研究人員提出了很多改進(jìn)方案：偏振補(bǔ)償技術(shù)、光學(xué)捷變頻技術(shù)、斜坡法、光學(xué)啁啾鏈技術(shù)、光學(xué)頻率梳技術(shù)等。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的董永康研究團(tuán)隊(duì)采用差分脈寬對(duì)的方法，有效的提高了BOTDA系統(tǒng)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(dòng)態(tài)BOTDA系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)彎曲、扭轉(zhuǎn)等形狀變化的傳感探測(cè)，還需要有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shù)與多芯光纖相結(jié)合，國(guó)內(nèi)外研究者在多芯光纖形狀傳感方面開(kāi)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(cè)量中對(duì)應(yīng)變和溫度的感知系數(shù)不同，指出了多芯光纖用于應(yīng)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(gè)纖芯作為多個(gè)傳輸通道，起到了多次測(cè)量的作用，并不能用于作為形狀的實(shí)時(shí)傳感。

(三)發(fā)明內(nèi)容