应变测量综述

1、应变测量综述基于布里渊散射的分布式应变传感器2012年，Yongkang Dong等人提出了结合频分复用和内置EDFA的布里渊光时域分析 的方案1。频分复用的BOTDR复用了具有不同布里渊频移的光纤段，并将布里渊的有效 作用长度减小到一段光纤而不是整个传感光纤的长度，这样每一段BOTDR的CW探针光功 率都可以增加，以加强布里渊信号，这样既拓展了传感范围又有很高的应变温度分辨率。实 验得到的传感范围是150km，空间分辨率是2m，精确度是30m。2012 年，Kwang Young Song提出 了基于 Brillouin dynamic grating（BDR）的光时域反射应 变传感器的方案

2、2。光路中同时传输泵浦光脉冲和探针光脉冲，两者偏振方向相互正交， 泵浦光脉冲引起放大的自发布里渊散射（ASBS），探针光脉冲用来分析光谱。根据BDG-OTDR技术可得应变量，实验测得的应变和温度灵敏度分别为1.37MHz /m ，57.48MHz/ C。分布式测量的空间分辨率为80cm，测的范围是935m。基于FBG的应变传感器2008年，Da-Peng Zhou等人提出了一种全光纤传感器同时测量应变和温度的方案3。 该传感器的传感头是由FBG和一段多模光纤（功能相当于一个MZI）结合而成，当沿着单 模光纤传输的基膜耦合进MMF时，功率主要分布在低阶模式，只有一小部分光功率在以高 阶模式传输，

3、不同的模式之间发生干涉然后又重新耦合进另外一端的单模光纤，当施加应变 或者温度时，共振波长将发生漂移，通过测量漂移便可得知所施加的应变和温度。实验得到 的应变分辨率为9.2 8，温度分辨率为0.26C。2011年，Yan-Nan Tan等人提出了将两个超短DBR激光器级联来进行测量的方案4。 级联的两个超短DBR激光器均工作在具有两个偏振模式的单纵模状态下，传感头长度只有 18mm，每个激光器（一个是掺铒，一个是铒镜共掺）产生一个偏振模拍频，对应变和温度 有不同的的频率响应。通过测量拍频，在0-1200m的应变范围内测得应变灵敏度分别为 8.750.104KHz/ M，6.420.068KHz

4、/ M。该方法的优点是可以通过频分复用技术 在同一根光纤上复用多个传感器和解调方法简单无需测量绝对波长值。2012年，Min-Seok Yoon等人提出了一种周期性微拉锥单模光纤的方案5。由于周期性 的拉锥，导致纤芯模的有效折射率周期性变化，这样就形成一个微拉锥的FBG，纤芯基膜 耦合进包层模，导致了共振波长，耦合强度与微拉锥FBG的数目成正比，当所施加的应变 或者温度变化时传输特性就会发生变化。实验测得当应变增加时，共振波长向短波长方向偏 移，当温度增加时，共振波长向长波长方向偏移，这样可用来同时测量应变和温度，实验测 得的应变灵敏度为-0.55nm/m，温度灵敏度为49.6pm/C。基于拍

5、频解调方式的应变传感器2012年，Liang Gao等人提出了多模光纤激光器传感系统6,由偏振光纤激光器传感系 统和多纵模光纤激光器传感系统组成。在多模光纤激光器中，腔的双折射效应使得每个纵模 均被分成两个偏振模式，对不同模式(偏振方向相同和偏振方向不同)分别进行拍频可分别 获得LMBF，PMBF。由于两者对应力和温度的响应不同，所以可以同时监测两个参量，实 验测量范围是0-1150M，20-120oC，误差在16.2M和1.9C以内，LMBF和PMBF 的应变灵敏度分别为-0.8kHz/M和1.2kHz/m，温度灵敏度分别为-5.49kHz/oC和 5.68kHz/oC。优点：简单，不昂贵，

6、可携带，不受模式跳跃的影响。泵浦光功率阈值为 2.11mW，本实验的泵浦功率为87mW。适用于地理检测，铁路监测。微结构应变传感器2012年，De-Wen Duan等人提出了通过熔接单模光纤产生微空气泡构成FP腔，利用 FPI进行应变测量的方案7。入射光在光纤中传输时，分别在气泡的两端反射，继而发生干 涉。实验测得的应变灵敏度是4pm/ M，测得的热灵敏度小于0.9pm/ C。2013年，C.R.Liao等人提出了光纤内联微型MZI来测量应变的方案8。在一段微光纤 里面形成一个空气腔，那么在光纤里传输的光就被分成两束，一束直接穿过空气腔，一束沿 着空气腔的二氧化硅壁通过，最后再在腔的末端发生干

7、涉。这样的装置用来测得的应变灵敏 度为6.8pm/ M，但是当应变达到约1800m时便会断裂。基于PCF的应变传感器2012年，Ying Wang等人提出：用液体选择性填充PCF的一个空气孔形成内置的耦合 器来进行应变测量的方案9。当光在纤芯里传播时，通过相位匹配条件可以有效地耦合进 该液体填充的波导，这样会导致输出的共振波长强度的急剧减小，当液体折射率为1.46时 获得最高的应变灵敏度为约23.8pm/ m，此时纤芯模式与液体的基膜发生耦合。随着液体 的折射率的增加，纤芯模与液体的高阶模发生耦合，灵敏度会降到约6.4pm/ 8。2012年，Marta S.Ferreira等人提出了基于空芯环

8、PCF(HCR-PCF)的FP腔应变传感器 方案10。通过在一段HCRPCF两端分别熔接单模光纤构成一个FP腔，利用干涉效应进行 应变测量，通过选择适当的腔长便可以获得很高的灵敏度。该实验采用的是13微米，得到 灵敏度为15.4pm / M，温度灵敏度只有0.81 pm / C。参考文献：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