光脉冲的原理相关传感器监测纤维如图 1。光脉冲分为一个参考脉冲和监视脉冲耦合器。监控脉冲通过一个光学循环器,然后进入光纤链接。之后,脉冲反射镜子和指导通过监测纤维和循环器,然后输入光脉冲相关单位。参考脉冲被连接到一个不同的输入端口的光学相关单位。有一个时间漂移 Δ t 参考和监控之间的脉冲,因为它们不同的传播路径。当温度或应变监测纤维变化,监测脉冲的传播路径修改由于长度监测纤维的膨胀和收缩。因此,时间漂移的变化 Δ t 正比于温度和应变监测纤维的变化。

时间漂移 Δ t 由于在传统地区环境变化可以测量光脉冲相关单位( 3- - - - - - 6]。如图 2脉冲相关单位,参考脉冲分裂成两个脉冲,A和B,采用正交极化与一个固定的时间分离20 o p。监测脉搏了 45 ° 极化;因此结合参考脉冲(偏振翻了一番 0 ° 和 90年 ° )。这个收益率通道1,一双向前脉冲和脉冲的时间漂移监测( Δ t ),通道2,一对反向脉冲B和监控脉冲漂移与时间( τ - - - - - - Δ t )。在每个频道中,二次谐波发生(宋惠乔)信号的相关地区参考和监控脉冲观测到宋惠乔& adp模块。非线性相关信号产生了从两个渠道宋惠乔晶体是正比于对应的时间漂移。因此,Ch1-Ch2也是成正比的微分信号 ( 2 Δ t - - - - - - τ ) 可测量灵敏度提高双和隔离电源光脉冲源的影响。然而,这种光脉冲相关传感器可以监测温度或压力的变化只有一个地区;所以它是有限的在真实的应用程序中,因为多个地区测量是必需的。因此,基于局部波长反射和部分地区分离技术力量反射镜在韦茅斯的总部工作。

审讯系统方案点温度传感器和多区分布式应变测量基于脉冲相关技术( 7)如图 3。光源的波长可调谐激光器产生一个脉冲序列。脉冲重复率是由调制频率决定。脉冲序列被耦合到两个不同的港口命名为“ 参考港口”和“ 测量端口”。在脉冲测量端口,通过一个光学循环器,然后输入一连串的应变传感区域(SSRs)分离的波长选择性反射镜(wsr)。SSRs是固定在结构监测应变诱导结构改变。wsr发布免费的结构。wsr改变他们的共振与温度的变化作为温度传感器。扫描波长的脉冲源允许温度点传感器被审讯,还监控SSRs的不同。WSR1本质上,脉冲,脉冲的往返,到达该地区直到SSR1,它只包含这个地区的应变变化信息,而反射的脉冲在WSR2穿过SSR1和SSR2地区。使用反射的信号从WSR1和WSR2 SSR2的应变变化的信息可以被检索。这个方案可以很容易地升级到苏维埃社会主义共和国 n 地区。

反射脉冲返回到一个输入端口脉冲相关器的单位。相关器单元的其他输入与脉冲来自美联储参考港口。测量的参考脉冲和脉冲到达时间不同位置由于不同的光学路径长度。可调延迟线是放置在参考臂允许部分重叠的火车脉冲。的可调谐性范围可调延迟线必须至少一半的频率重复率的倒数。如果应变传感地区改变,测量光路的分支生成参考和测量脉冲之间的时间漂移火车和有一个变化重叠两列车之间的脉冲能量。这种变化可以被光脉冲相关监控单元。微分检测技术是利用脉冲后相关单位。

典型的微分输出电压之间的关系是一个插图图如图所示 3。它有相同的速度脉冲序列的激光源。最重要的微分输出电压曲线,用于传感、突出显示在一个虚线椭圆(嵌入图在图 3)。点表示中央位置(也称为“决策点”)为了执行最高的偏移和检测纤维压缩和伸长。是非常重要的,这个地区的输出关系是线性的和传感应用程序非常有用。每个SSR是调整其初始值在中央位置。这是通过调整可调延迟线对每个区域的反应。可调延时线的初始值被记录和作为引用。然后,任何应变转换应用于输出电压值的变化。

cascadable区域分布式传感器的原理基于光脉冲相关测量和强度部分反射镜(知识产权) 8)如图 4。知识产权由thin-file金属和涂上了金色的金属在光纤磁控管溅射法。锁模激光二极管(ML-LD)和频率调制通过一个同步源 f 米 产生一个短的光脉冲序列。光学脉冲序列分为参考(Ref)脉冲和监控(星期一)脉冲耦合器。监测脉搏访问监测纤维在区域1和2(用来测量压力变化)通过一个循环器。然后,监测脉搏强度部分反射镜反射回来,1和2 (IPR1和IPR2),分别成为两个地区监测脉冲狭义货币供应量M1及广义货币供应量M2。(有多个反射(来回)之间的两个反射镜,这是低反射率的衰减很快,因为第一个反射和吸收的光脉冲功率长传感光纤)。反射脉冲M1和M2再次访问监测纤维,然后达到一个光脉冲相关单元的输入端口,而参考脉冲在不同的端口连接。

因此,M1传球只有通过区域1,而M2穿过这两个地区1和2。使用光脉冲相关单位检测反射脉冲之间的时间漂移M1, M2,参考脉冲,区域1和2的应变变化的信息。这个方案可以很容易地升级到该地区 N 。因此,脉冲之间的时间漂移监测反映在部分反射器 1、2 , … , N (PR1 PR2, … ,公关 N )及其附近给出的参考脉冲 (1) Δ t 我 = n c Δ l 我 + T 延迟 - - - - - - k 我 T 米 , 在下标 我 = 1 , 2 , … , N 标明PR1 PR2, … 打印, T 米 是调制信号的周期等于什么 1 / f 米 , Δ l 我 ( 我 = 1、2 , … , N ) 传播长度之间的差距反映监测和参考脉冲,脉冲 k 我 ( 我 = 1、2 , … , N ) 是常数整数站 Δ t 我 不到 T 米 , T 延迟 是时候光学延迟线器件的位置。方程( 1)表明, Δ l 我 成正比 T 延迟 和 T 米 当其他参数保持不变。因此,我们可以使用扫描时间位置的方法监控温度和应变的变化不同的感应区域。如图 5显示,当移动时间延时线设备的位置参考传播路径,参考脉冲的时间位置会改变,以及参考和监控脉冲之间的时间漂移会改变,所以每个信道的相关性。而微分关联值位于峰值点,监测脉搏与参考脉冲完全重叠。换句话说,峰值点的微分相关性表明每个区域的监控脉冲位置,如图 5。因此,通过扫描时间参考脉冲的位置我们可以检测的变化监测纤维长度在每一个地区。

实验设置如图 6。锁模光纤激光器(ML-FL)已经被用来作为激光源。波长可调谐激光源和脉冲宽度可以调节10 ps和20 ps。在这种实验装置,脉冲宽度为12.9 ps已经使用,3.4 dBm的输出功率和频率为9.956104 GHz,这意味着100.4微微秒脉冲重复率。把火车脉冲分为参考和测量端口,90/10的比例已经采用光耦合器。

在参考港口,已经下了延迟线可以手动调整。端口,使用光学循环器路由脉冲传感区域和相关单位。两个光纤布拉格光栅(fbg)用作wsr的示范。光纤光栅中心波长为1548.86纳米光纤光栅1和1545.81纳米光纤光栅2、0.26 nm的半宽度(应用)和80%的光纤光栅反射率。SSRs已经实现了两个标准单模光纤的长度48.5厘米和54.8厘米,分别。脉冲相关单位和双重SH接收器(月)连接到一个12位模拟数字转换器(ADC)获得的电压值两个单通道。最后,这些通道的输出差分信号存储在个人电脑。光纤光栅的温度变化已经感觉到使用光学频谱分析仪(阻塞性睡眠呼吸暂停综合症)。

审讯系统已经通过检查其线性特征,稳定性和分辨率。在第一个实验中,激光源已调整为1545.8 nm。然后,已经应用到一些应变SSR2在0.1毫米的步骤(182.5微应变54.8厘米的纤维长度)和微分输出电压值。计算应变,第一步是调整决策点当SSR2放松(中心点的坚实的曲线插图图在图 3)。然后,应用应变的任何改变(伸长或压缩)自动转换输出差分电压的变化。结果如图所示 7。可以看出传感器线性响应。每个应变测量的垂直误差点的最大射程偏差后几十个周期。稳定的测量是相当高,波动小于0.2%的即使在最坏的情况下被观察到。

证明没有两个应变传感区域之间的串扰,激光源被调到1545.8 nm选择WSR 2。这时,一个SSR2压力被应用。图的虚线 8显示了输出电压的变化。后,激光被调到1548.9 nm选择wsr 1和类似的压力被应用到相同的感应区域(SSR2)。没有检测到微分输出电压的变化(实线)显示没有相声。同时,光纤光栅的温度1和2可以感觉到自由应变测量的中心波长变化与阻塞性睡眠呼吸暂停综合症。SSR的菌株1、2点可以通过使用光纤光栅的温度测量值修正。

我们用图所示的实验装置 9。锁模激光二极管(ML-LD)光脉冲源与1555纳米中心波长与20 GHz的频率调制。生成的脉冲宽度和重复周期是8.7 ps和50 ps,分别。(脉冲宽度可以扩展到10 ps监控纤维。)在这项研究中,两个部分反射镜是用来连接多区监测纤维。两个600毫米单模纤维相连,作为传感区域。然后相关检测数据采集设备的输出信号上传到计算机界面的使用虚拟仪器软件。对于人脉广泛的纤维结束,气隙比脉冲源的波长小,在这种情况下,典型的反射率各知识产权几乎等于1%。

为了演示系统的适用性在现实多区分布的变形测量中,应变标定实验首先由变形区域1的600毫米长纤维段0.2毫米(333.3步骤 μ ε 纤维的长度600毫米)和测量时移峰值点的微分扫描时间位置相关的光学延迟线设备参考传播路径中。峰之间的线性关系转移的相关性和应变范围从0到4300 μ ε 绘制在图 10。可以看出传感器线性响应。测量的稳定性非常高;测量的波动小于1%。校准系数可以计算为238 μ ε / ps。系统的时间分辨率小于0.02 ps,因此系统的应变分辨率小于5 μ ε 。

然后,多区应变实验进行传感区域1 (R1)和区域2 (R2)。调查两个区域的应变测量,有四例的压力传感区域,包括案例1:R1和R2没有压力,例2:R1与压力,没有压力和R2案例3:R1和R2压力和压力;和案例4:R1和R2压力和没有压力。R1和R2的传感光纤应用、维护,或释放压力根据病例1,2,3,4,有序。任何情况下保持5分钟。实验结果显示在如下图的一部分 11。四种不同的情况下可以正确地识别。详细的实验数据,比较例1和例2所示图的左上角 11。没有压力和R2的外加应力从病例1例2。因此,R1的响应的峰值点仍在常数时间的位置,而响应的峰值点R1 + R2向前移。其他的比较例3例4也显示在右上角的图 11。R1仍然强调,R2被释放压力。响应的峰值点R1 + R2转移落后和R1显示没有改变。可以看出,多区传感器可以测量应变分布的变化没有相声。

实际的时间分辨率并不限于宋惠乔晶体长度(脉冲离开),因为合并后的双脉冲有相同的波长( 3]。峰值功率的限制和监控脉冲的色散。相关的时间分辨率宋惠乔小于0.02 ps ( 3- - - - - - 5]。其他更多的多路复用与知识产权的时候,时间分辨率也有限的时间分辨率光学延迟线设备。光学延迟线在于光束准直仪,一个移动的舞台,从奥兹公司高精度步进电机控制的计算机,和是一个ODL300 0.005 ps分钟步,0到350 ps范围。换句话说,时间分辨率的光学延迟线器件非常高,达到0.005 ps。因此,两个系统的时间分辨率可以达到0.02 ps。

时间漂移稳定性估计的时间抖动脉冲源。提出的两个系统,锁模脉冲源使用很低的时间抖动(小于1 ps)。稳定的时间也担忧的偏振脉冲。波长的多路复用系统wsr(光纤光栅),稳定的时间完全取决于脉冲的偏振波动,所以一个偏振控制器是用于这个系统( 5]。时间多路复用系统的知识产权,稳定是孤立脉冲极化的波动。因为这个系统只检测的时间改变光脉冲的峰值点,使用了一个标准单模光纤,一个小得多的偏振模色散(PMD)和差分群时延(DGD)要低得多。此外,微分相关方法用于两个传感系统。该方法可以完全隔离脉冲功率波动和脉冲时间抖动波动部分。此外,时间稳定传输路径的稳定性的担忧。两个系统提出了基于脉冲相关测量。系统的稳定性主要取决于微分之间的传输路径参考脉冲和监测脉搏。当传输纤维(光纤传感地区除外)保持在一个稳定的环境温度和压力,传感系统可以在很长一段时间内保持稳定。由于这些原因,两个系统的时间稳定性小于1 ps。

波长的多路复用系统wsr(光纤光栅)的最大数量cascadable传感区域主要取决于波长的脉冲源的数量。关键是使用一个多波长锁模脉冲源。在这个实验中,使用了可调谐波长锁模光纤激光器来源。如果可以放大脉冲功率不够,传感区域的最大数量可能非常高。

时间多路复用系统的知识产权,cascadable区域数量有限的组合重复频率的脉冲源,脉冲源和检测灵敏度的宽度限制的光信号反射。然后,cascadable地区的最大数量可以通过分离几种不同情况下计算如下。

与10 ps脉冲宽度在这个实验中,我们的反射光线检测系统的检测灵敏度极限功率为0.01兆瓦,S / N比20分贝。这意味着 我 最小值 在本研究0.01 mW。如图 13显示,在每个区域纤维的表面,光脉冲在一定程度上反映出,部分传输由于气隙的连接器。对于人脉广泛的纤维结束,气隙比脉冲源的波长小,在这种情况下,典型的反射率 R 几乎等于1%。传输系数 T 可以计算为 T= 0.89,典型的光纤连接插入损失(反射损失除外)系数 β 可以计算为 β = 0.9 [ 9]。环行器的插入损失系数 α 1 ≈ 0.84 从港口到港口B和 α 2 ≈ 0.85 从端口B端口c .因此,接收到的光脉冲反射的部分反射器 我 , 我 R ( 我 ) 可以给出的 (3) 我 R ( 我 ) = 我 0 α 1 α 2 R T 2 ( 我 - - - - - - 1 ) β 2 ( 我 - - - - - - 1 ) , 我 = 1 , 2 , … , N , 在哪里 我 0 循环泵的输入功率。然后,标准化的光信号功率和光纤传感器的数字 我 绘制在图 14。当我们使用20 GHz ML-LD脉冲源,输入功率为10.7兆瓦。根据( 2)和( 3),考虑到上述数据,cascadable地区可以计算的数量 N = 6 。

是非常重要的提到cascadable地区的数量估计5根据传感区域数量的最小值在上述两种情况如表 1显示了20 GHz ML-LD当使用。

获得最大cascadable区域数量更大,一种方法是增加传感系统的检测极限。额外的改进是使用不同的反射率设计来控制每个反射信号的功率等于检测极限( 我 R ( 我 ) = 我 最小值 , 我 = 1 , 2 , … , N )。此外,减少通过脉冲压缩技术和脉冲宽度增加脉冲峰值功率,传感区域的数量可以很容易地升级。要正确操作传感系统,光学延迟线器件的动态延迟范围应该比脉冲重复周期长。满足每个用户的系统需求,重复率灵活的脉冲源是可取的关键部件。

使用该地区分离和识别技术,这些传感系统可以成功地实现多个地区分布式应变传感。等与其它光纤传感器相比,光纤光栅传感器,该地区分离脉冲相关传感系统有许多显著优势。 ( 1 )他们可以给混合智能传感wsr分布和角度传感器的组合。( 2 )他们可以使用cascadable wsr的标准单模光纤作为传感计。( 3 )他们可以提供实时测量,高分辨率和高速测量。( 4 )的位置分辨率不是很高,但广泛地区监测不需要非常高的空间分辨率;因此他们可以适用于一个非常宽的地区基础设施监控。最重要的一个应用程序的这些传感器被证实是所谓的光纤智能结构健康监测,在多路复用光纤传感器嵌入结构监测其应变分布。

为了看到地区分离脉冲相关传感器的特点,比较两个地区之间的分离技术将如下。wsr的高分辨率和高速测量的优点,使它适合短距离和高速测量的光纤智能结构,如智能建筑。与此同时,知识产权成本低的优点,大量传感区域和低速测量,使其适合长途,介质精密测量情况下,如大型构建、长石油/天然气管道,供电电缆/线。然而,温度补偿应变误差引起的热涨落对实际应用至关重要。