[發明專利]多物理量光纖傳感系統、其反饋回路控制以及其檢測方法

在審

• 申請號: 201810359103.5
• 申請日: 2018-04-20
• 公開（公告）號: CN108871419A
• 公開（公告）日: 2018-11-23
• 發明（設計）人: 吳奇;王容;熊克
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔;徐曉鷺

1.一種多物理量光纖傳感系統，其特征在于，所述裝置包括可調諧激光器(1)、耦合器(2)、第一環形器(3)、相移光纖光柵(4)、平衡光電探測器(5)、第二環形器(6)、光纖布拉格光柵(7)、光電探測器(8)和數據采集模塊(9)、濾波器(10)、PID控制器(11)、執行電路(12)；

其中，所述可調諧激光器(1)經耦合器(2)分成第一光路和第二光路；

第一環形器(3)、相移光纖光柵(4)、平衡光電探測器(5)共同構成第一光路；第二環形器(6)、光纖布拉格光柵(7)、光電探測器(8)共同構成第二光路；第一光路、第二光路的輸出端連接到數據采集模塊(9)上，數據采集模塊(9)、濾波器(10)、PID控制器(11)、執行電路(12)、可調諧激光器(1)構成反饋回路。

2.如權利要求1所述的一種多物理量光纖傳感系統，其特征在于，所述可調諧激光器(1)的輸出端與耦合器(2)的入射端連接，耦合器(2)的第一個出射端與第一環形器(3)的入射端連接，第一環形器(3)的反射端與相移光纖光柵(4)的入射端連接，相移光纖光柵(4)的出射端與平衡光電探測器(5)的第一入射端連接；第一環形器(3)的出射端與平衡光電探測器(5)的第二入射端連接，平衡光電探測器(5)的出射端與數據采集模塊(9)的入射端連接。

3.如權利要求1所述的一種多物理量光纖傳感系統，其特征在于，所述耦合器(2)的第二個出射端與第二環形器(6)的入射端連接，第二環形器(6)的反射端與光纖布拉格光柵(7)的入射端連接；第二環形器(6)的出射端與光電探測器(8)的入射端連接，光電探測器(8)的出射端與數據采集模塊(9)的入射端連接。

4.如權利要求1所述的一種多物理量光纖傳感系統，其特征在于，所述數據采集模塊(9)的輸出端與濾波器(10)的輸入端連接，濾波器(10)的低頻信號輸出端與PID控制器(11)的輸入端連接，PID控制器(11)的輸出端與執行電路(12)的輸入端連接，執行電路(12)的輸出端與可調諧激光器(1)的輸入端連接。

5.如權利要求1至4任一項所述的一種多物理量光纖傳感系統，其特征在于，所述相移光纖光柵反射信號與透射信號均通過光柵增敏裝置，并被平衡光電探測器接收。

6.如權利要求5所述的一種多物理量光纖傳感系統，其特征在于，所述相移光柵增敏裝置采用橋式共振結構，其兩端通過粘合劑并有間隙的粘結在待測試件表面。

7.如權利要求5所述的光一種多物理量光纖傳感系統，其特征在于，當超聲波信號通過橋式共振結構后，通過公式求得共振頻率，所述公式為其中l為相移光柵到達膠兩端的長度，c_f為超聲波在光纖中傳播的群速度，f_n為共振頻率。

8.如權利要求6所述的一種多物理量光纖傳感系統，其特征在于，所述光纖布拉格光柵整體粘貼在待測試件表面上。

9.如權利要求1所述的系統反饋回路控制方法，其特征在于，所述控制方法如下：

激光器的波長的調節使其位于相移光柵光譜陡峭斜坡處，此時通過數據采集模塊采集各個頻帶的數據，濾波器將數據采集模塊采集到的各個頻帶的信號分離成高頻和低頻信號；低頻信號作為反饋信號提供給PID控制器，PID控制器輸出控制信號進入執行電路，執行電路控制可調諧激光器的波長使光的波長位于相移光柵光譜的陡峭斜坡處，讓整個相移光柵傳感系統重新處于平衡位置。

10.多物理量光纖傳感檢測方法，其特征在于，所述檢測方法如下：

通過光電檢測器將高頻超聲信號記錄為電壓振動信號，光纖布拉格光柵接收全頻帶的超聲信號，橋式結構的相移光柵接收并放大特定的共振頻率的超聲；當低頻信號應變與溫度傳入相移光柵與光纖光柵后，僅檢測溫度信號，光纖布拉格光柵檢測應變及溫度信號；隨著外界溫度的變化，通過反饋回路調節激光器波長使相移光柵傳感系統重新到達平衡位置，通過以下公式實現對超聲波、溫度及應變的同時測量：

其中，△λ_PS-FBG為相移光柵的波長變化量，λ_PS-FBG為相移光柵的中心波長，△λ_FBG為光纖布拉格光柵的波長變化量，△λ_laser為激光器調節引起的波長偏移量，λ_FBG為光纖光柵的中心波長，C_T1為相移光柵的溫度系數，C_T2為光纖光柵的溫度系數，C_ε為光纖光柵的應變系數，△T為溫度變化量，△ε為應變變化量。