應(yīng)變測量綜述

1、應(yīng)變測量綜述基于布里淵散射的分布式應(yīng)變傳感器2012年，Yongkang Dong等人提出了結(jié)合頻分復(fù)用和內(nèi)置EDFA的布里淵光時域分析 的方案1。頻分復(fù)用的BOTDR復(fù)用了具有不同布里淵頻移的光纖段，并將布里淵的有效 作用長度減小到一段光纖而不是整個傳感光纖的長度，這樣每一段BOTDR的CW探針光功 率都可以增加，以加強布里淵信號，這樣既拓展了傳感范圍又有很高的應(yīng)變溫度分辨率。實 驗得到的傳感范圍是150km，空間分辨率是2m，精確度是30m。2012 年，Kwang Young Song提出 了基于 Brillouin dynamic grating（BDR）的光時域反射應(yīng) 變傳感器的方案

2、2。光路中同時傳輸泵浦光脈沖和探針光脈沖，兩者偏振方向相互正交， 泵浦光脈沖引起放大的自發(fā)布里淵散射（ASBS），探針光脈沖用來分析光譜。根據(jù)BDG-OTDR技術(shù)可得應(yīng)變量，實驗測得的應(yīng)變和溫度靈敏度分別為1.37MHz /m ，57.48MHz/ C。分布式測量的空間分辨率為80cm，測的范圍是935m。基于FBG的應(yīng)變傳感器2008年，Da-Peng Zhou等人提出了一種全光纖傳感器同時測量應(yīng)變和溫度的方案3。 該傳感器的傳感頭是由FBG和一段多模光纖（功能相當(dāng)于一個MZI）結(jié)合而成，當(dāng)沿著單 模光纖傳輸?shù)幕ゑ詈线MMMF時，功率主要分布在低階模式，只有一小部分光功率在以高 階模式傳輸，

3、不同的模式之間發(fā)生干涉然后又重新耦合進另外一端的單模光纖，當(dāng)施加應(yīng)變 或者溫度時，共振波長將發(fā)生漂移，通過測量漂移便可得知所施加的應(yīng)變和溫度。實驗得到 的應(yīng)變分辨率為9.2 8，溫度分辨率為0.26C。2011年，Yan-Nan Tan等人提出了將兩個超短DBR激光器級聯(lián)來進行測量的方案4。 級聯(lián)的兩個超短DBR激光器均工作在具有兩個偏振模式的單縱模狀態(tài)下，傳感頭長度只有 18mm，每個激光器（一個是摻鉺，一個是鉺鏡共摻）產(chǎn)生一個偏振模拍頻，對應(yīng)變和溫度 有不同的的頻率響應(yīng)。通過測量拍頻，在0-1200m的應(yīng)變范圍內(nèi)測得應(yīng)變靈敏度分別為 8.750.104KHz/ M，6.420.068KHz

4、/ M。該方法的優(yōu)點是可以通過頻分復(fù)用技術(shù) 在同一根光纖上復(fù)用多個傳感器和解調(diào)方法簡單無需測量絕對波長值。2012年，Min-Seok Yoon等人提出了一種周期性微拉錐單模光纖的方案5。由于周期性 的拉錐，導(dǎo)致纖芯模的有效折射率周期性變化，這樣就形成一個微拉錐的FBG，纖芯基膜 耦合進包層模，導(dǎo)致了共振波長，耦合強度與微拉錐FBG的數(shù)目成正比，當(dāng)所施加的應(yīng)變 或者溫度變化時傳輸特性就會發(fā)生變化。實驗測得當(dāng)應(yīng)變增加時，共振波長向短波長方向偏 移，當(dāng)溫度增加時，共振波長向長波長方向偏移，這樣可用來同時測量應(yīng)變和溫度，實驗測 得的應(yīng)變靈敏度為-0.55nm/m，溫度靈敏度為49.6pm/C?；谂?/p>

5、頻解調(diào)方式的應(yīng)變傳感器2012年，Liang Gao等人提出了多模光纖激光器傳感系統(tǒng)6,由偏振光纖激光器傳感系 統(tǒng)和多縱模光纖激光器傳感系統(tǒng)組成。在多模光纖激光器中，腔的雙折射效應(yīng)使得每個縱模 均被分成兩個偏振模式，對不同模式(偏振方向相同和偏振方向不同)分別進行拍頻可分別 獲得LMBF，PMBF。由于兩者對應(yīng)力和溫度的響應(yīng)不同，所以可以同時監(jiān)測兩個參量，實 驗測量范圍是0-1150M，20-120oC，誤差在16.2M和1.9C以內(nèi)，LMBF和PMBF 的應(yīng)變靈敏度分別為-0.8kHz/M和1.2kHz/m，溫度靈敏度分別為-5.49kHz/oC和 5.68kHz/oC。優(yōu)點：簡單，不昂貴，

6、可攜帶，不受模式跳躍的影響。泵浦光功率閾值為 2.11mW，本實驗的泵浦功率為87mW。適用于地理檢測，鐵路監(jiān)測。微結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器2012年，De-Wen Duan等人提出了通過熔接單模光纖產(chǎn)生微空氣泡構(gòu)成FP腔，利用 FPI進行應(yīng)變測量的方案7。入射光在光纖中傳輸時，分別在氣泡的兩端反射，繼而發(fā)生干 涉。實驗測得的應(yīng)變靈敏度是4pm/ M，測得的熱靈敏度小于0.9pm/ C。2013年，C.R.Liao等人提出了光纖內(nèi)聯(lián)微型MZI來測量應(yīng)變的方案8。在一段微光纖 里面形成一個空氣腔，那么在光纖里傳輸?shù)墓饩捅环殖蓛墒?，一束直接穿過空氣腔，一束沿 著空氣腔的二氧化硅壁通過，最后再在腔的末端發(fā)生干

7、涉。這樣的裝置用來測得的應(yīng)變靈敏 度為6.8pm/ M，但是當(dāng)應(yīng)變達到約1800m時便會斷裂?；赑CF的應(yīng)變傳感器2012年，Ying Wang等人提出：用液體選擇性填充PCF的一個空氣孔形成內(nèi)置的耦合 器來進行應(yīng)變測量的方案9。當(dāng)光在纖芯里傳播時，通過相位匹配條件可以有效地耦合進 該液體填充的波導(dǎo)，這樣會導(dǎo)致輸出的共振波長強度的急劇減小，當(dāng)液體折射率為1.46時 獲得最高的應(yīng)變靈敏度為約23.8pm/ m，此時纖芯模式與液體的基膜發(fā)生耦合。隨著液體 的折射率的增加，纖芯模與液體的高階模發(fā)生耦合，靈敏度會降到約6.4pm/ 8。2012年，Marta S.Ferreira等人提出了基于空芯環(huán)

8、PCF(HCR-PCF)的FP腔應(yīng)變傳感器 方案10。通過在一段HCRPCF兩端分別熔接單模光纖構(gòu)成一個FP腔，利用干涉效應(yīng)進行 應(yīng)變測量，通過選擇適當(dāng)?shù)那婚L便可以獲得很高的靈敏度。該實驗采用的是13微米，得到 靈敏度為15.4pm / M，溫度靈敏度只有0.81 pm / C。參考文獻：1Yongkang Dong, Liang Chen, and Xiaoyi Bao. Extending the sensing rang of Brillouin Optical Time-Domain Analysis combining frequency-division multiplexing

9、and in-line EDFAs. Journal of Lightwave Technology. 30(8), 1161-1167(2012).2Kwang Young Song. High-sensitivity optical time-domain reflectometry based on Brillouin dynamic gratings in polarization maintaining fibers. Optics Express. 20(25), 27377-27383(2012).3Da-Peng Zhou, Li Wei, Wing-Ki Liu, Yu Li

10、u, and John W.Y.Lit. Simultaneous measurement for strain and temperature using fiber Bragg gratings and multimode fibers. Applied Optics.47(10), 1668-1672(2008).Yan-Nan Tan, Yang Zhang, Long Jin, and Bai-Ou Guan. Simultaneous strain and temperature fiber grating laser sensor based on radio-frequency

11、 measurement. Optics Express.19(21), 20650-20656(2011).Min-Seok Yoon, Sangoh Park, and Young-Geun Han. Simultaneous Measurement of Strain and Temperature by Using a Micro-Tapered Fiber Grating. Journal of Lightwave Technology. 30(8), 1156-1160(2012).Liang Gao, Lin Chen, Long Huang, and Xiangfei Chen

12、. Multimode fiber laser for simultaneous measurement of strain and temperature based on beat frequency demodulation.Optics Express.20(20), 22517-22522(2012).De-Wen Duan, Yun-jiang Rao, Yu-Song Hou, and Tao Zhu. Microbubble based fiber-optic Fabry-Perot interferometer formed by fusion splicing single

13、-mode fibers for strain measurement. Applied Optics. 51(8),1033-1036(2012).C.R.Liao, D.N.Wang, and Ying Wang. Microfiber in-line Mach-Zehnder interferometer for strain sensing. Optics Letters. 38(5), 757-759(2013).Ying Wang, C.R.Liao and D.N.Wang. Embedded coupler based on selectively infiltrated photonic crystal fiber for strain mesaurement. Optics Letters. 37(22), 4747-4749(2012).Marta S.Ferreira, Jorg Bierlich, Jens Kobe