专利名称：一种提高光纤布里渊空间分辨率的几何重构方法
技术领域：
本发明属于光纤传感结构健康监测技术领域，涉及一种提高光纤布里渊空间分辨率的几何重构方法。
背景技术：
光纤布里渊全分布式传感技术是近10多年来发展起来的一项先进的光纤传感技术，光纤布里渊传感器布设在结构上可以获取其沿线在时间和空间上的应变和温度场信息实现对结构进行全尺度大范围分布式监测，已在土木、海洋工程等领域得到了初步的应用。目前布里渊传感系统在空间分辨率上难以满足小尺度构件和结构关键位置高精度的测试要求，对于某些重要结构(如油库结构、航天飞行器等)不能及时准确的发现结构细微损伤。在布里渊性能方面，仪器测量精度、空间分辨率以及测量距离之间相互制约，如要增加传感距离就需要增加脉冲宽度以增加信号能量，但脉冲宽度的增加会导致空间分辨率的下降； 高空间分辨率要求窄的入射脉冲，但脉冲能量的减少必然导致系统信噪比和传感距离的下降。这些问题的解决必将大大提高布里渊分布系统的性能，拓宽其在工程中的应用范围。加拿大Xiaoyi Bao教授自上世纪90年代起就开始光纤布里渊传感系统的研究，2005年，她提出预泵脉冲技术研制PPP-B0TDA系统，空间分辨率达到10cm，测试精度20K e左右(Bao &Kishida, 2005) ;2008年，日本学者Hotate采用频率可调的连续光和泵浦光提取受激布里渊信号设计了 BOCDR布里渊系统，在实验室实现了 Icm空间分辨率的静态应变测试和5cm空间分辨率的动态测试(Hotate，2002，2008);施斌、邱卫卫以及周智等人分别采用小波分析方法对实测布里渊信号进行滤噪处理，提高光纤布里渊传感器的测试精度(施斌，2003 ；邱卫卫，2004 ;周智，2009);南京大学张旭苹教授采用最小二乘法对布里渊散射光谱进行拟合，提高应变测试精度(张旭苹，2009)。目前，上述研究还没有发展到成熟的商业化测试仪器，有关市场报道，日本Neubrex研制的商业布里渊仪表测试空间分辨率已达到10cm。此夕卜，欧进萍、周智等人考虑到目前商业化布里渊仪表价格昂贵，测量精度相对较低的缺点，融合光纤光栅的优点提出布里渊全分布式和光纤光栅局部高精度共线融合技术，利用局部高精度光纤光栅测试值对光纤布里渊测试值进行校对(欧进萍，2009)。然而该方法中，光纤光栅的传感距离在5km左右，而且因光纤光栅的引入导致布里渊信号受到干扰，且整个共线系统采用两套解调设备，成本相对比较高。鉴于目前商业化布里渊传感测试仪器空间分辨率低难以满足小尺度结构或结构局部损伤的精细化测试要求，本发明在不改变光纤布里渊传感测量系统本身物理性能的基础上，采用光纤多路环绕几何布设方法提出一种提高光纤布里渊传感空间分辨率的光纤几何重构方法。
发明内容
本发明提供了一种提高光纤布里渊空间分辨率的几何重构方法和器件，该方法在一根光纤布里渊传感探头上实现了局部和整体信息共线测试方法。
本发明的技术方案是采用多回路回绕布设光纤，实现局部小尺度范围的高精确测量，几何重构的光纤命名为zig-zag光纤探头；该探头与光纤布里渊其他探头一起构成局部和整体共线测量系统。本发明包括以下技术特征a)zig-zag光纤探头采用多回路回绕几何重构方法布设；回绕光纤的总长度大于5倍光纤布里渊测量仪器的最小空间分辨率；b) zig-zag光纤中光纤回绕半径在2_3cm之间；根据工程布设方式，zig-zag探头可以单端出头或双端处头；c)采用高耐久性材料纤维增强树脂封装zig-zag探头，发展工程化局部高精度zig-zag传感探头；zig_zag传感探头需预先经过标定。d) Zig-zag传感探头与全局光纤布里渊传感器组成局部和整体共线测量系统。本发明的效果和益处是采用光纤几何重构方法提高光纤布里渊传感空间分辨率，并在一根光纤布里渊传感探头上实现了局部和整体测试方法，在不额外增加布里渊测试设备成本的方式，可以满足小尺度构件测试和对局部损伤信息及时获�。行Э朔四壳肮庀瞬祭镌ù屑际跗渥陨砜占浞直媛实秃途植啃畔⒛岩圆饬康奈侍�。
图I是基于zig-zag探头的光纤布里渊局部和整体共线测量系统示意图。图2是三种zig-zag光纤的几何重构形式。图3和图4是两种纤维增强树脂封装zig-zag光纤探头示意图。图中1布里渊测试仪器；2 zig-zag传感探头；3光纤布里渊传感器；4光纤传输线；5 zig-zag传感光纤中直线段光纤；6 zig-zag传感光纤中环型段或回绕段光纤；7纤维增强树脂材料；8光纤跳线；9玻璃布；10 zig-zag传感光纤。
具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式
。图I是光纤布里渊局部和整体共线测试示意图。
具体实施方式
是光纤布里渊传感器3沿结构全尺度布设，在结构局部关键位置布设zig-zag光纤传感探头2，形成共线测试方法，采用光纤布里渊测试仪器I对结构进行局部高精度和整体共线测试。图2是构造的三种zig-zag传感探头示意图。Zig-zag光纤中直线段光纤5的长度为I (l〈s，s为布里渊空间分辨率)，直线段光纤的数目为n，则布设光纤的总长度L=nXl(此处忽略回绕段光纤6的长度，L s)。当直线段单根光纤长度增加Al时，施加在直线段光纤5上的应变为e=Al / 1，而施加在回绕段光纤6应变为0或很小。直线段光纤5布里渊测试值就会把包括部分回绕段光纤6的应变一起平均化，由于回绕段光纤6长度比较短，所以直线段光纤5布里渊测试值比较接近其感受的真实应变。该传感器修正系数采用直线段光纤5的数据点进行标定获得，参考应变采用局部点式传感器获取，通过标定系数将实测应变转换为结构的真实应变。图3为采用高耐久性材料7封装的zig-zag传感探头2示意图。根据zig-zag传感探头2的尺寸制作钢模具；裁剪略小于zig-zag传感器2尺寸的纤维增强玻璃布9 ;在玻璃布上用502胶定型zig-zag传感器2中zig-zag传感光纤10 ;将定型的zig-zag传感光、纤10放置在zig-zag传感模具中间,然后烧筑环氧树脂7 ;固化成型。为确保zig-zag光纤19始终在模具的中间位置，可以采用分层浇筑方法。Zig-zag传感器2中的玻璃布7有 两个作用一个是定型zig-zag传感光纤10 ;二是增强材料封装后的zig-zag传感探头2的抗拉力。根据布设要求，传感跳线8分为单端出头和双端出头。
权利要求
1.一种提高光纤布里渊空间分辨率的几何重构方法，其特征是光纤采用多路回绕几何布设方式形成局部zig-zag光纤探头(2), zig-zag光纤(10)总长度大于5倍光纤布里渊仪器(I)最小空间分辨率，且回绕段光纤(6)弯曲半径2-3cm。
2.根据权利要求I所述的一种提高光纤布里渊空间分辨率的几何重构方法，局部zig-zag光纤探头(2)与光纤布里渊系统(I)的其它光纤布里渊传感器(3)构成光纤布里渊局部和整体共线监测系统。
3.根据权利I和2所述的一种提高光纤布里渊空间分辨率的几何重构方法，zig-zag采用纤维增强树脂(7 )和玻璃布封装(9 )，传输跳线(8 )采用单端出头和双端出头。
4.根据权利要求1、2和3所述的一种提高光纤布里渊空间分辨率的几何重构方法，zig-zag光纤传感探头的灵敏度系数预先采用局部点式传感器标定。
全文摘要
一种提高光纤布里渊空间分辨率的几何重构方法，属于光纤传感结构健康监测技术领域。其特征是通过在局部关键位置进行光纤多路回绕的几何重构布设方式提出zig-zag光纤传感探头来提高布里渊空间分辨率，并采用高性能材料封装zig-zag光纤研制开发工程化局部布里渊传感探头。本发明的效果和益处是在依靠现有光纤布里渊仪器的仅仅通过光纤几何重构就可以实现光纤布里渊局部和整体共线测试，简化了光纤布里渊传感系统布设方式。
文档编号G01K11/32GK102735271SQ20121023430
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月6日 优先权日2012年7月6日
发明者何建平, 周智, 欧进萍, 黄明华 申请人:大连理工大学
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