准分布式应变测量

方法概述

利用光纤布拉格光栅FBG实现准分布式多点应变的测量，技术路线如下图所示：

准分布式应变测量技术路线

FGB测应变原理

光纤布拉格光栅FBG是光纤纤芯中的一种周期性扰动有效折射率的反射结构，可以反射特点波场的光，反射光波场满足布拉格条件：

其中，λ_B为FBG的中心波长，n为光纤折射率，Λ为光栅周期。

当注入宽谱光时，由于FBG的波长选择作用，特定的波长将被反射回去，其余光将透射过去，如上图所示。当作用于FBG的被测物理量（如温度、应力等）发生变化时，会引起n和Λ的相应改变，从而导致λB的漂移。温度和应力的变化所引起的λB漂移可表示为：

上式表明，FBG可以实现温度和应力的测量。

光学FBG的波分复用

光纤FBG用于传感的一大优势是可以实现多级复用。如上图所示，在一根普通单模光纤上间隔一定距离分别刻上多个中心波长不同的布拉格光栅，当注入宽谱光时，由于每个FBG的布拉格波长不同，因此每个FBG将反射其对应的波长，其余波长的光将透射过去。每个FBG均能实现应变的测量，从而形成准分布式测应变系统。

准分布式测应变系统结构示意图

从上图所展示的准分布式测应变系统结构示意图能看出，系统主要由光学解调仪和传感光缆两部分组成。光学解调仪主要包括SLED光源、小型光谱仪、光开关和MCU。解调仪主控MCU采用STM32F4单片机，系统整体采用5V电源供电，同时留有串口通信接口与上位机进行通信，实现指令与数据的交互。MCU与小型光谱仪采用RS232串口连接，接收小型光谱仪的光谱数据，然后MCU内部运行应变解调算法得到相应FBG上的应变值，之后将该数据通过串口发送给上位机。此外，MCU还通过IO口控制光开关的通道选择，实现空分复用光栅串的轮询测量。与光学解调仪相连接的即为多点应变传感光缆，该缆由多根光纤（图中示意四根）组成，每根光纤上刻写多个FBG并进行应变片封装，实现多点准分布式应变的测量。