專利名稱：光纖拉曼與光柵共線融合傳感方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于智能監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及到的是一種分布式測(cè)溫和局部應(yīng)變測(cè)試的光 纖拉曼與光柵共線融合傳感方法。
背景技術(shù)：
應(yīng)力和溫度一直是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的兩個(gè)關(guān)鍵測(cè)試參量。結(jié)構(gòu)局部關(guān)鍵位置的應(yīng)力 狀態(tài)直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全服役狀態(tài)，如局部應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致微裂紋，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。溫 度對(duì)諸如混凝土大壩、基坑等大體積結(jié)構(gòu)影響比較大，溫度應(yīng)力作用往往導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部出 現(xiàn)微裂紋等損傷。此外，溫度影響還會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力傳感器(如光纖光柵傳感器、光纖布里淵 傳感器等)測(cè)試的不確定性。目前用于應(yīng)力和溫度測(cè)試的主要技術(shù)有傳統(tǒng)電測(cè)技術(shù)、光纖 光柵傳感技術(shù)(FBG)、分布式光纖布里淵傳感技術(shù)(BOTDR)和光纖拉曼測(cè)溫技術(shù)(ROTDR) 等。結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)依賴可靠的測(cè)試手段，傳統(tǒng)電測(cè)傳感器的耐久性和抗干擾能力以及覆蓋 范圍不滿足工程需要。光纖傳感器具有體積小、精度高、耐久性好、分布式大范圍覆蓋、絕對(duì) 測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，已成為重大工程結(jié)構(gòu)最為理想的安全監(jiān)測(cè)傳感元件。然而，這些單一的光纖 傳感技術(shù)無(wú)法滿足土木工程的測(cè)試要求。例如，布里淵分布式技術(shù)存在空間分辨率低、精 度較低以及成本過(guò)高等問(wèn)題；高精度的點(diǎn)式光纖光柵具有覆蓋范圍小的缺點(diǎn)；拉曼分布式 測(cè)試技術(shù)僅僅對(duì)溫度敏感，測(cè)試參量過(guò)于單一。如果融合局部光纖光柵傳感技術(shù)和分布式 光纖布里淵或拉曼傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，有望形成一種兼顧全尺度的較高精度測(cè)試和局部高精 度、高穩(wěn)定性測(cè)試的共線技術(shù)，將為大跨、長(zhǎng)距離的重大工程結(jié)構(gòu)提供一種方便、可靠、低成 本的智能傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有重要的工程推廣價(jià)值。歐進(jìn)萍、周智等人融合局部光纖光柵和 光纖布里淵分布式傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提出全尺度分布式與局部高精度共線的光纖傳感方法 (ZL200810064168. 3)，實(shí)現(xiàn)了溫度和應(yīng)變雙參量的測(cè)試。該共線傳感方法雖然一定程度上 解決了在一根耐久性材料封裝共線光纖探頭上實(shí)現(xiàn)了溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量，但是也存在一 定的局限性不方便對(duì)應(yīng)力測(cè)試進(jìn)行絕對(duì)溫度補(bǔ)償(即不需要獲知應(yīng)變感知元件的溫度靈 敏度系數(shù)的溫度補(bǔ)償方法)，且精度較低。主要原因是光纖布里淵的測(cè)試精度較低，導(dǎo)致光 纖光柵應(yīng)變測(cè)試溫度補(bǔ)償精度較低。拉曼測(cè)溫技術(shù)可以對(duì)光纖沿線的溫度場(chǎng)進(jìn)行全尺度測(cè) 試，已在輸油管、儲(chǔ)油罐以及隧道等探溫火災(zāi)預(yù)警方面得到了很好的示范。但是遺憾的是溫 度僅僅是安全監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要參量，增加單一拉曼測(cè)溫傳感器會(huì)大大增加整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳 感器的布設(shè)成本(通常，該成本為系統(tǒng)的50%)。若光纖拉曼測(cè)溫技術(shù)采用普通單模光纖作 為其溫度傳感器，而光纖光柵測(cè)試系統(tǒng)中，單模光纖僅僅作為其信號(hào)傳輸，因此，如果將光 纖光柵傳輸光纖直接作為光纖拉曼測(cè)溫傳感探頭，有望在不額外布設(shè)溫度傳感探頭的前提 下，同時(shí)獲得結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)信息和關(guān)鍵位置應(yīng)力信息。此外，將多點(diǎn)光柵與拉曼溫度測(cè)試融 合，還可以實(shí)現(xiàn)另外兩個(gè)功能拉曼的溫度測(cè)試結(jié)果可以作為光柵應(yīng)變測(cè)試的溫度補(bǔ)償數(shù) 據(jù)，而光柵的高精度溫度測(cè)試數(shù)據(jù)可以為拉曼溫度測(cè)試的校正。這樣，既能擴(kuò)大測(cè)試效果， 也能極大節(jié)約成本，特別適合工程應(yīng)用。目前尚沒(méi)有關(guān)于光纖光柵和光纖拉曼共線融合系 統(tǒng)的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光纖拉曼與光柵共線融合傳感方法，解決了光纖拉曼和 光纖光柵單一傳感技術(shù)無(wú)法滿足溫度應(yīng)變多參量同時(shí)測(cè)試的問(wèn)題。本發(fā)明的技術(shù)方案是直接采用一根寫有光纖光柵的光纖作為光纖共線傳感探 頭，并通過(guò)光開關(guān)將光纖共線傳感探頭與拉曼測(cè)溫解調(diào)儀和光纖光柵測(cè)試系統(tǒng)建立光纖拉 曼與光柵共線融合傳感系統(tǒng)；系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，光纖共線傳感探頭將感測(cè)到分布式溫度信號(hào)傳 遞給拉曼測(cè)溫解調(diào)儀，同時(shí)光纖共線傳感探頭將光纖光柵位置處局部應(yīng)變和溫度信號(hào)傳遞 給光纖光柵解調(diào)儀。實(shí)際工程應(yīng)用中，光纖共線傳感探頭可以采用耐久性材料(如FRP、PP 等)封裝光纖光柵部分，光纖部分采用耐久性好的套管保護(hù)，如鎧裝光纜等。上述的光纖拉曼與光柵共線融合傳感方法的實(shí)施步驟是①采用光開關(guān)將一根寫有光纖光柵的光纖共線傳感探頭與拉曼測(cè)溫解調(diào)儀和光 纖光柵解調(diào)儀連接構(gòu)建光纖拉曼與光柵共線融合傳感系統(tǒng)；②測(cè)試時(shí)，首先通過(guò)光開關(guān)切換將光纖共線傳感探頭與拉曼測(cè)溫解調(diào)儀連接測(cè)試 光纖共線傳感探頭的溫度場(chǎng)；然后通過(guò)光開關(guān)切換將光纖共線傳感探頭與光纖光柵解調(diào)儀 連接測(cè)量光纖光柵位置應(yīng)變和溫度信息；③采用拉曼測(cè)溫解調(diào)儀測(cè)量的分布式溫度信號(hào)對(duì)光纖光柵解調(diào)儀器測(cè)量的局部 應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，消除溫度變化導(dǎo)致光纖光柵應(yīng)力測(cè)試的不確定性，提高應(yīng)力測(cè)試 的可靠性；④采用光纖光柵解調(diào)儀器測(cè)量的局部溫度信號(hào)對(duì)拉曼測(cè)溫解調(diào)儀測(cè)量的分布式 溫度信號(hào)進(jìn)行校正，進(jìn)而提高拉曼測(cè)試溫度的精度。本發(fā)明的效果和益處是本光纖拉曼與光柵共線融合傳感方法在一根寫有光纖光 柵的光纖共線傳感探頭上同時(shí)獲得結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)信息和關(guān)鍵位置應(yīng)力信息，降低傳感器布 設(shè)成本和傳感器布設(shè)線路的復(fù)雜性。對(duì)于已集成的光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其傳輸光纖作為拉曼溫 度探頭可以對(duì)沿線上的光纖光柵應(yīng)變傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，適合新建和已服役的健康監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)的長(zhǎng)期溫度和應(yīng)力同時(shí)測(cè)試，具有十分重要的工程應(yīng)用價(jià)值。


附圖是光纖拉曼與光柵共線融合傳感系統(tǒng)集成示意圖。圖中1拉曼測(cè)溫解調(diào)儀；2光纖光柵解調(diào)儀；3光開關(guān)；4光纖光柵；5光纖共線傳 感探頭。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。光纖拉曼與光柵共線融合傳感方法采用的共線融合傳感系統(tǒng)如附圖所示。該系統(tǒng) 包括1拉曼測(cè)溫解調(diào)儀、2光纖光柵解調(diào)儀、3光開關(guān)、4光纖光柵和5光纖共線傳感探頭。 其中5光纖共線傳感探頭為一根寫有4光纖光柵的單模光纖，4光纖光柵在光纖共線傳感探 頭中的位置與結(jié)構(gòu)局部關(guān)鍵應(yīng)力熱點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)。該光纖拉曼與光柵共線融合傳感系統(tǒng)的構(gòu) 建方法通過(guò)3光開關(guān)將5光纖共線傳感探頭與1拉曼測(cè)溫解調(diào)儀和2光纖光柵解調(diào)儀連接。光纖拉曼與光柵共線融合傳感測(cè)試方法首先，通過(guò)3光開關(guān)切換，將5光纖共線傳感探頭與1拉曼測(cè)溫解調(diào)儀連接，5光纖 共線傳感探頭將感測(cè)的溫度信息傳遞給1拉曼測(cè)溫解調(diào)儀，1拉曼解調(diào)儀根據(jù)測(cè)量得到拉 曼后向散射光光強(qiáng)R(Tk)得到5光纖共線傳感探頭沿線的溫度場(chǎng)Tk
權(quán)利要求
1.一種光纖拉曼與光柵共線融合傳感方法，其特征是直接采用一根寫有光纖光柵 (4)的光纖作為光纖共線傳感探頭(5)，并通過(guò)光開關(guān)(3)將光纖共線傳感探頭(5)與拉曼 測(cè)溫解調(diào)儀(1)和光纖光柵解調(diào)儀( 連接建立光纖拉曼與光柵共線融合傳感系統(tǒng)；系統(tǒng) 測(cè)試時(shí)，光纖共線傳感探頭( 將感測(cè)到的分布式溫度信號(hào)傳遞給拉曼測(cè)溫解調(diào)儀(1)，同 時(shí)光纖共線傳感探頭( 將光纖光柵(4)位置處的局部應(yīng)變和溫度信號(hào)傳遞給光纖光柵解 調(diào)儀⑵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖拉曼與光柵共線融合傳感方法，其特征是所述的 傳感探頭采用拉曼測(cè)溫解調(diào)儀(1)測(cè)量的分布式溫度信號(hào)對(duì)光纖光柵解調(diào)儀( 測(cè)量的局 部應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖拉曼與光柵共線融合傳感方法，其特征是所述的 傳感探頭采用光纖光柵解調(diào)儀( 測(cè)量的局部溫度信號(hào)對(duì)拉曼測(cè)溫解調(diào)儀(1)測(cè)量的分布 式溫度信號(hào)進(jìn)行校正。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2和3所述的一種光纖拉曼與光柵共線融合傳感方法，其特征是 所述的光纖作為光纖共線傳感探頭(5)中光纖光柵(4)在單模光纖中的位置與結(jié)構(gòu)局部關(guān) 鍵應(yīng)力熱點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)。
全文摘要
光纖拉曼與光柵共線融合傳感方法，屬于智能監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。其特征是直接采用一根寫有光纖光柵的光纖作為光纖共線傳感探頭，并通過(guò)光開關(guān)將光纖共線傳感探頭與拉曼測(cè)溫解調(diào)儀和光纖光柵解調(diào)儀連接建立光纖拉曼與光柵共線融合傳感系統(tǒng)。系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，光纖共線傳感探頭同時(shí)感測(cè)拉曼分布式溫度場(chǎng)和光纖光柵局部應(yīng)變和溫度，并采用拉曼測(cè)溫值對(duì)光纖光柵應(yīng)變測(cè)試進(jìn)行溫度補(bǔ)償以及利用光纖光柵測(cè)溫值對(duì)拉曼測(cè)溫值進(jìn)行校正。本發(fā)明的效果和益處是實(shí)現(xiàn)溫度應(yīng)變多參量同時(shí)測(cè)試，降低了傳感器工程布設(shè)成本和傳感線路的復(fù)雜性，具有重大的工程應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01K11/32GK102147299SQ20101062416
公開日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2010年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月29日
發(fā)明者何建平, 周智, 歐進(jìn)萍, 黃明華 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)