少模光纤光栅阵列多点分布式扭转测量的系统和方法

1.本发明涉及光纤光栅传感领域，具体涉及一种少模光纤光栅阵列多点分布式扭转测量的系统和方法。


背景技术：

2.随着物联网的不断发展，光纤传感网络凭借着测量范围广、可监测位点多以及抗电磁干扰能力强等特点，成为了一种被广泛应用的传感器件。目前光纤传感网络已成功应用在油气存贮、桥梁隧道、机场铁轨等大型工程健康监测系统中，进一步提高光纤传感网络的复用能力和可靠性成为了新一轮信息化发展重要方向。
3.高灵敏的光纤扭转测量在结构健康监测应用中扮演了十分重要的角色，主要有以下两个方面：一方面，构建大容量的光纤传感网络，往往需要大范围地铺设光纤光缆，如大型石油管道的火警监测要求对数公里长度范围内上万个传感点进行实时测量，以实现在第一时间对可能出现的火源进行预警。在此过程中需要将光纤紧密铺设在管道附近以提高传感网络的可靠性，但光纤在铺设过程中容易受到自身扭转的影响，使光栅处受力影响测量的准确性，因此需要对光纤扭转情况同样进行一个分布式测量以消除可能的误差；另一方面，光纤扭转传感器具有结构紧凑、重量小、可靠性高以及十分灵敏等特点，被广泛用于扭矩测量，主要分为光纤干涉型传感器和光纤光栅传感器等。
4.光纤干涉型传感器主要是通过不同类型的光纤进行焊接，利用纤芯中多个模式在焊接处形成的干涉谱进行光纤扭转测量，具有结构简单、灵敏度较高等特点。现有技术提供了一种利用锥形细芯光纤错位焊接实现高灵敏度且无温度干扰的光纤扭转传感器，可以实现较大动态范围的光纤扭转测量。但此类干涉型光纤传感器往往只能进行单点传感，不利于实现光纤传感网络的多点、多参量同时测量，限制了传感网络的集成化和规模化。
5.光纤布拉格光栅(fiber bragg grating，fbg)是目前应用十分广泛的一种传感器件，其最大的优势在于可以在一根光纤上连续不间断地写入大量布拉格光栅，利用波分复用解调(wdm)技术和时分复用解调(tdm)技术可以对这个光纤上所有光栅的谱形信号进行识别测量，使每一个光栅成为一个传感单元，最终实现同时检测上万个位点。现有技术提供了一种在线光纤光栅制备系统，实现在线连续制备具有较好一致性的光栅阵列。该方案提出的光栅阵列具有较低传输损耗，可以实现较大容量的光纤传感网络的检测要求。目前此类光栅阵列以广泛应用于温度、应变、振动等物理量的大范围多点测量中，但还无法对扭转这一物理量实现多点分布式测量。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种少模光纤光栅阵列多点分布式扭转测量的系统和方法，以实现对扭转量的多点分布式测量。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：包括光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪的信号发射端连接有少模光纤光栅阵列，少模光纤光栅阵列的另一端连接有光纤终接
器；少模光纤光栅阵列外套设有若干相邻设置的光纤旋转套管，光纤旋转套管靠近光纤光栅解调仪的一端套设有起始旋转接头，光纤旋转套管靠近光纤终接器的一端套设有结尾旋转接头，相邻光纤旋转套管接触位置套设有中间旋转接头；所述旋转接头为圆柱滚子轴承，光纤旋转套管两端设置有空心圆柱形凸起，该凸起插入圆柱滚子轴承中，使各光纤旋转套管能够在旋转接头中独立地自由旋转；各旋转接头通过固定用光纤夹持器与少模光纤光栅阵列连接，光纤旋转套管通过扭转用光纤夹持器与少模光纤光栅阵列连接；少模光纤光栅阵列包括与光纤旋转套管数量相同、长度相同的光纤段，每个光纤段均具有光栅，光栅位于固定用光纤夹持器与扭转用光纤夹持器之间；光纤旋转套管在收到外部旋转力而旋转时，带动光栅扭转，进而使得光栅的反射峰发生变化，随后通过光纤光栅解调仪得到被扭转光栅位置的扭转情况，实现了对扭转量的多点分布式测量。
8.按上述方案，光纤光栅解调仪采用波分时分混合复用技术对少模光纤光栅阵列上的每一个光栅进行识别定位，通过对光栅反射谱中反射峰的强度变化进行测量，表征光栅所在光纤段的扭转情况；光纤光栅解调仪能够识别的光栅反射率为-30db～-50db，其允许同时测量的光栅数量最大为10000，其允许测量的光纤长度最长为10km。
9.按上述方案，少模光纤光栅阵列所采用的光纤为经由拉丝塔在线拉制得到的低损耗传输光纤，该光纤纤芯能够稳定传输两种模式，其基模传输损耗≤0.3db/km，二阶模式传输损耗≤0.5db/km。
10.按上述方案，光纤旋转套管的长度与少模光纤光栅阵列中相邻光栅的间隔长度相同，且长度范围为0.1～50m。
11.按上述方案，每个光纤旋转套管所对应的固定用光纤夹持器和扭转用光纤夹持器之间的距离为0.1～0.5m。
12.按上述方案，每个光栅的长度为1-10mm。
13.按上述方案，每个光栅的单光栅反射率≤-30db。
14.按上述方案，少模光纤光栅阵列为通过单脉冲相位掩模法在线制备所得，通过调节位移平台使安装在平台上的相位掩模板沿水平方向发生一定角度倾斜，从而使得刻写在光纤纤芯中的光栅发生倾斜，其中相位掩模板的倾斜角度为0.1～7
°
。
15.一种利用上文所述少模光纤光栅阵列多点分布式扭转测量的系统实现的少模光纤光栅阵列多点分布式扭转测量的方法，包括如下步骤，
16.s1、将内含少模光纤光栅阵列的光纤旋转套管设置于测量位置；
17.s2、少模光纤光栅阵列的每个光栅均具有三个反射峰，由短波长至长波长分别为高阶模式自耦和形成、高阶模式与基模互耦合形成、基模自耦和形成；利用光纤光栅解调仪对每个光栅的高阶模式与基模互耦合形成的反射峰进行检测，得到光栅对应位置的扭转情况。
18.按上述方案，s2还包括，对每个光栅的基模自耦和形成的反射峰进行检测，得到光栅对应位置的温度变化情况。
19.本发明的有益效果是：通过在少模光纤光栅阵列外套设光纤旋转套管，并通过旋转接头使各光纤旋转套管能够各自独立地自由旋转，并通过光纤夹持器将光栅两端分别与固定的旋转接头、能够转动的光纤旋转套管连接，使得光纤旋转套管在收到外部旋转力而旋转时，带动光栅扭转，进而使得光栅的反射峰发生变化，随后通过光纤光栅解调仪得到被
扭转光栅位置的扭转情况，实现了对扭转量的多点分布式测量。
附图说明
20.图1为本发明一实施例的少模光纤光栅阵列多点分布式扭转测量系统的结构示意图；
21.图2为本发明一实施例的光栅在光纤扭转状态下的反射谱变化示意图；
22.图3为本发明一实施例的光栅在光纤扭转过程中扭转角度与光栅谱形对应关系示意图；
23.图4本发明一实施例的10m长度范围内光纤扭转分布式测量变化曲线示意图。
24.图中：1—光栅解调仪、2—起始旋转接头、3—固定用光纤夹持器、4—少模光纤光栅阵列、5—扭转用光纤夹持器、6—光纤旋转套管、7—中间旋转接头、8—结尾旋转接头、9—光纤终结器、10—未扭转时模式互耦合形成的反射峰、11—扭转时模式互耦合形成的反射峰，12-圆柱滚子轴承。
具体实施方式
25.为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
26.参见图1，一种少模光纤光栅阵列多点分布式扭转测量的系统，包括光纤光栅解调仪1，光纤光栅解调仪1的信号发射端连接有少模光纤光栅阵列4，少模光纤光栅阵列4的另一端连接有光纤终接器9；少模光纤光栅阵列4外套设有若干相邻设置的光纤旋转套管6，光纤旋转套管6靠近光纤光栅解调仪的一端套设有起始旋转接头2，光纤旋转套管6靠近光纤终接器9的一端套设有结尾旋转接头8，相邻光纤旋转套管6接触位置套设有中间旋转接头7，所述旋转接头为圆柱滚子轴承12，光纤旋转套管6两端设置有空心圆柱形凸起，该凸起插入圆柱滚子轴承12中，使各光纤旋转套管6能够在旋转接头中独立地自由旋转；各旋转接头通过固定用光纤夹持器3与少模光纤光栅阵列4连接，光纤旋转套管6通过扭转用光纤夹持器5与少模光纤光栅阵列4连接；少模光纤光栅阵列4包括与光纤旋转套管6数量相同、长度相同的光纤段，每个光纤段均具有光栅，光栅位于固定用光纤夹持器3与扭转用光纤夹持器5之间。
27.进一步地，光纤光栅解调仪1采用波分时分混合复用技术对少模光纤光栅阵列4上的每一个光栅进行识别定位，通过对光栅反射谱中反射峰的强度变化进行测量，表征光栅所在光纤段的扭转情况；光纤光栅解调仪能够识别的光栅反射率为-30db～-50db，其允许同时测量的光栅数量最大为10000，其允许测量的光纤长度最长为10km。
28.进一步地，少模光纤光栅阵列4所采用的光纤为经由拉丝塔在线拉制得到的低损耗传输光纤，该光纤纤芯能够稳定传输两种模式，其基模传输损耗≤0.3db/km，二阶模式传输损耗≤0.5db/km；
29.其中光纤的归一化截止频率vc满足如下公式，
[0030][0031]
其中，λ0为工作波长，a为光纤纤芯直径，n1为纤芯有效折射率，n2为包层有效折射率；
[0032]
少模光纤光栅阵列4的光栅由一串低反射率的布拉格光栅构成，每个布拉格光栅的长度、反射率、谱形均相等。
[0033]
进一步地，光纤旋转套管6的长度与少模光纤光栅阵列4中相邻光栅的间隔长度相同，且长度范围为0.1～50m。
[0034]
进一步地，每个光纤旋转套管6所对应的固定用光纤夹持器3和扭转用光纤夹持器5之间的距离为0.1～0.5m。
[0035]
进一步地，每个光栅的长度为1-10mm。
[0036]
进一步地，每个光栅的单光栅反射率≤-30db。
[0037]
进一步地，少模光纤光栅阵列4为通过单脉冲相位掩模法在线制备所得，通过调节位移平台使安装在平台上的相位掩模板沿水平方向发生一定角度倾斜，从而使得刻写在光纤纤芯中的光栅发生倾斜，其中相位掩模板的倾斜角度为0.1～7
°
。
[0038]
一种利用上文所述少模光纤光栅阵列多点分布式扭转测量的系统实现的少模光纤光栅阵列多点分布式扭转测量的方法，包括如下步骤，
[0039]
s1、将内含少模光纤光栅阵列4的光纤旋转套管6设置于测量位置；
[0040]
s2、少模光纤光栅阵列4的每个光栅均具有三个反射峰，由短波长至长波长分别为高阶模式自耦和形成、高阶模式与基模互耦合形成、基模自耦和形成；利用光纤光栅解调仪1对每个光栅的高阶模式与基模互耦合形成的反射峰进行检测，得到光栅对应位置的扭转情况；光纤的扭转程度如下，
[0041]
γ＝τ/l
[0042]
式中γ为该段光纤的扭转率，τ为扭转用光纤夹持器5的旋转角度，l为该段光纤对应的固定用光纤夹持器3与扭转用光纤夹持器5之间的距离。
[0043]
进一步地，s2还包括，对每个光栅的基模自耦和形成的反射峰进行检测，得到光栅对应位置的温度变化情况。
[0044]
参见图2、图3，通过上述方法对一段长距离的光栅阵列其中一段光纤的扭转状态进行测量，光纤扭转区域的光栅在扭转过程中模式互耦合形成的反射峰变化明显，而其余反射峰几乎无变化，进而该系统也能够实现光栅阵列的温度准分布式传感。
[0045]
对一段长度为10m的光纤进行扭转分布式测量，少模光纤光栅阵列4的光栅间隔为1m，光栅扭转长度为0.1m，每个光栅所在区域的扭转角度分别为0
°
、0
°
、90
°
、180
°
、360
°
、180
°
、90
°
、0
°
、0
°
、0
°
，测量结果参见图4。该测量结果表明，在光纤分区域扭转过程中光栅反射峰的强度变化与自身扭转角度的大小密切相关，而且前端光栅的扭转对后端光栅的测量影响可通过校准，即已知前端的扭转程度，通过大量的实验累积数值，预测其对后端各个位置的光栅本身的影响程度，通过特定计算方式消除前端误差，实现后端光栅的准确测量。
[0046]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。