專利名稱：全光纖應(yīng)變、振動(dòng)定位測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是新的應(yīng)變、振動(dòng)測(cè)試方法。該方法能夠同時(shí)測(cè)量應(yīng)變、振動(dòng)點(diǎn)位置和應(yīng)變、振動(dòng)量大小。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代社會(huì)中，對(duì)應(yīng)變、振動(dòng)的測(cè)試不僅在航空領(lǐng)域研究材料的應(yīng)變、振動(dòng)特性廣泛應(yīng)用，對(duì)大型建筑物、管道、光纜、橋梁、隧道、水壩、礦井的應(yīng)變、振動(dòng)監(jiān)測(cè)，更是關(guān)系到國(guó)際名聲和社會(huì)安定的大事。特別是在目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有切實(shí)可行的監(jiān)測(cè)技術(shù)背景下，一種新的應(yīng)變、振動(dòng)測(cè)試技術(shù)的出現(xiàn)，具有重要的社會(huì)意義。傳統(tǒng)的應(yīng)變、振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，往往需要確定的應(yīng)變、振動(dòng)位置，并且不能應(yīng)用于大范圍(以公里計(jì))監(jiān)測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是獲得一種方法簡(jiǎn)單、監(jiān)測(cè)范圍大的全光纖應(yīng)變、振動(dòng)定位測(cè)試方法。
根據(jù)彈光效應(yīng)，外界應(yīng)變、振動(dòng)對(duì)光纖的折射率和光纖的長(zhǎng)度都會(huì)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致光的傳輸相位發(fā)生變化，這種變化通過(guò)不同的全光纖干涉系統(tǒng)，形成不同的干涉相位，干涉相位的大小與應(yīng)變、振動(dòng)、振動(dòng)位置密切相關(guān)。利用這一特點(diǎn)，構(gòu)造應(yīng)變、振動(dòng)位置差固定的兩干涉系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變、振動(dòng)點(diǎn)準(zhǔn)確定位的功能。
穩(wěn)定光源(1)發(fā)出的光通過(guò)光纖耦合器(2)進(jìn)入光纖耦合器(3)和(4)，光纖耦合器(3)、(5)、(6)和光纖耦合器(4)、(5)、(6)分別形成了兩套干涉系統(tǒng)，稱為干涉系統(tǒng)I和II。由于光纖延遲線(8)、(9)的長(zhǎng)度不同，同一測(cè)試對(duì)象在不同干涉系統(tǒng)中形成了不同的干涉信號(hào)，對(duì)應(yīng)不同的干涉相位。通過(guò)對(duì)干涉相位的分析，可以確定擾動(dòng)源(應(yīng)變、振動(dòng)點(diǎn))的位置。
根據(jù)全光纖干涉系統(tǒng)的工作原理知道，干涉信號(hào)的相位(t)與光纖延遲線形成的時(shí)間延遲τ、擾動(dòng)源速度V(t)的關(guān)系如下(t)＝2πV(t-τ/2)·τ/λ(1)假設(shè)光纖延遲線(8)、(9)對(duì)應(yīng)的時(shí)間延遲為τ1和τ2，并且精確確定。擾動(dòng)源A在傳感光纖中的位置如下所示。
上示中，(5)、(6)為圖1中光纖耦合器的位置，傳感光纖長(zhǎng)度l0為已知，建議以(5)端為坐標(biāo)起點(diǎn)，擾動(dòng)源位置為l，在全光纖干涉系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的時(shí)間延遲為τ0，τ0=neffl0-2lC----(2)]]>在干涉系統(tǒng)I中，相位1(t)可表示為1(t)＝2πV(t1-τ/2)·(τ1+τ0)/λ (3)在干涉系統(tǒng)II中，相位2(t)可表示為2(t)＝2πV(t-τ/2)·(τ2+τ0)/λ (4)假定兩干涉系統(tǒng)形成的干涉相位比為η 通過(guò)式(5)和式(2)，可準(zhǔn)確確定擾動(dòng)源的位置，l=12[l0-Cneff(τ1-τ2η/η-1)]----(6)]]>利用上式，可設(shè)計(jì)出能夠滿足工業(yè)需要的應(yīng)用程序。
本發(fā)明中，光源(1)發(fā)出的光通過(guò)光纖耦合器(2)進(jìn)入光纖耦合器(3)、(4)，光纖耦合器(3)、(5)、(6)和光纖器(4)、(5)、(6)組成兩路干涉光路，光纖延遲線(8)、(9)分別位于兩路干涉光路中，光電探測(cè)器(10)、(11)和(12)、(13)分別是兩路干涉光路的檢測(cè)器。
本發(fā)明中，采用的光纖是單模光纖，或者是多模光纖。
本發(fā)明中，光源是超輻射發(fā)光二極管構(gòu)成的光源，或者是發(fā)光二極管構(gòu)造的光源或者是固體發(fā)光管構(gòu)成的光源；光源的中心波長(zhǎng)為1.31微米和1.55微米，或者是0.632微米和0.85微米。
本發(fā)明中，光纖耦合器的分光比為均分，耦合器的類型為錐型光纖耦合器。
本發(fā)明的方法不復(fù)雜，且有大的監(jiān)測(cè)范圍和測(cè)量應(yīng)變、振動(dòng)點(diǎn)位置的功能，測(cè)量簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確，是傳統(tǒng)應(yīng)變、振動(dòng)測(cè)試技術(shù)無(wú)法完成的。


圖1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，1是穩(wěn)定光源，2、5、6是1×2光纖耦合器，3和4是3×3光纖耦合器，7是粘貼在測(cè)試對(duì)象上面的傳感光纖，8、9是光纖延遲線，10、11、12、13是光電探測(cè)器。
圖2是系統(tǒng)端口(10)的輸出信號(hào)。
圖3是系統(tǒng)端口(11)的輸出信號(hào)。
圖4是系統(tǒng)端口(12)的輸出信號(hào)。
圖5是系統(tǒng)端口(13)的輸出信號(hào)。
四路干涉信號(hào)中，圖2、3路分別對(duì)應(yīng)于比較小的光纖延遲線，第4、5路對(duì)應(yīng)于較大的光纖延遲線。
圖6是針對(duì)輸出端口信號(hào)(10)和(11)信號(hào)的處理結(jié)果。
圖7是針對(duì)輸出端口信號(hào)(12)和(13)信號(hào)的處理結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
利用圖1所示的系統(tǒng)，光源為工作波長(zhǎng)為1310納米、武漢郵電研究院生產(chǎn)的SOF1310-A固體激光器光源，所有的光纖耦合器為電子部44所提供，探測(cè)器是44所提供的銦鉀砷光電探測(cè)器，所用光纖為美國(guó)康寧公司生產(chǎn)的單模光纖，光纖器件之間的連接采用跳線連接。擾動(dòng)源位置相對(duì)于系統(tǒng)的光纖延遲線長(zhǎng)度分別為1262米和2612米，傳感光纖長(zhǎng)度為50米，得到4路干涉信號(hào)如圖2所示。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，得到的干涉信號(hào)分析結(jié)果如圖3、4所示。利用式(5)，可計(jì)算出η＝2.108；利用式(6)，得到擾動(dòng)源位置為距離光纖延遲線距離為1259米和2608米，測(cè)試誤差小于千分之二。結(jié)果表明本測(cè)試方法能夠很好實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試對(duì)象的定位和測(cè)試的目的。
權(quán)利要求
1.一種全光纖應(yīng)變、振動(dòng)定位測(cè)試方法，是根據(jù)彈光效應(yīng)，外界的應(yīng)變對(duì)光纖的折射率、長(zhǎng)度的變化導(dǎo)致光的傳輸相位變化，其特征是從全光纖干涉系統(tǒng)得到干涉信號(hào)的相位(t)與光纖延遲線的時(shí)間延遲τ、擾動(dòng)源速度V(t)的關(guān)系如下(t)＝2πV(t-τ/2)·τ/λ (1)光纖延遲線的時(shí)間延遲為τ1、τ2，傳感光纖長(zhǎng)度l0為已知，擾動(dòng)源位置為l，在全光纖干涉系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的時(shí)間延遲為τ0，τ0=neffl0-2lC′---(2)]]>相應(yīng)干涉系統(tǒng)的相位1(t)可表示為1(t)＝2πV(t-τ/2)·(τ1+τ0)/λ (3)2(t)＝2πV(t-τ/2)·(τ2+τ0)/λ (4)干涉系統(tǒng)相位比η為 擾動(dòng)源的位置通過(guò)(5)、(2)即可得到l=12[l0-Cneff(τ1-τ2η/η-1)].---(6)]]>
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試方法的裝置，其特征是光源(1)發(fā)出的光通過(guò)光纖耦合器(2)進(jìn)入光纖耦合器(3)、(4)，光纖耦合器(3)、(5)、(6)和光纖耦合器(4)、(5)、(6)組成兩路干涉光路，光纖延遲線(8)、(9)分別位于兩路干涉光路中，光電探測(cè)器(10)、(11)和(12)、(13)分別是兩路干涉光路的檢測(cè)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)試方法的裝置，其特征是采用的光纖是單模光纖，或者是多模光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)試方法的裝置，其特征是光源是超輻射發(fā)光二極管構(gòu)成的光源，或者是發(fā)光二極管構(gòu)造的光源，或者是固體發(fā)光管構(gòu)成的光源；光源的中心波長(zhǎng)為1.31微米和1.55微米，或者是0.632微米和0.85微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)試方法的裝置，其特征是耦合器是分光比為均分的錐型光纖耦合器。
全文摘要
本發(fā)明涉及全光纖應(yīng)變、振動(dòng)定位測(cè)試方法，提供了一種準(zhǔn)確定位應(yīng)變、振動(dòng)位置和測(cè)量應(yīng)變、振動(dòng)量大小的方法。傳統(tǒng)的應(yīng)變、振動(dòng)測(cè)量方法只能實(shí)現(xiàn)微小應(yīng)變、振動(dòng)的測(cè)量，并且應(yīng)變、振動(dòng)點(diǎn)是已知的。本發(fā)明提出的全光纖應(yīng)變、振動(dòng)測(cè)試方法，克服了測(cè)量應(yīng)變、振動(dòng)為小范圍的限制，同時(shí)還提供應(yīng)變、振動(dòng)點(diǎn)位置確定方法。是對(duì)傳統(tǒng)應(yīng)變、振動(dòng)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，使得測(cè)試方法的應(yīng)用范圍擴(kuò)大，并且能夠完成對(duì)大型建筑物和長(zhǎng)距離管道安全、健康狀況的監(jiān)測(cè)功能，具有明確的工業(yè)應(yīng)用背景。
文檔編號(hào)G01H9/00GK1558189SQ200410016038
公開日2004年12月29日 申請(qǐng)日期2004年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月29日
發(fā)明者賈波, 章驊, 唐璜, 洪廣偉, 吳東方, 賈 波 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)