CN1376259A - 测量光纤中应力的系统和方法 - Google Patents

Abstract

测量施加于光纤(12)的应力的系统和方法,包括提供包含光纤传感器(14)的光纤(12),并且通过在被测量过程中移动光纤(12)和光纤传感器(14),使光纤(12)和光纤传感器(14)暴露于与过程关联的各种应力中。系统和方法还包括当光纤传感器暴露于各种应力中时,通过光纤传输源光信号(36),当光纤和光纤传感器暴露于各种应力中时,接收来自光纤传感器的返回光信号(44、46),并比较源光信号(44)和返回光信号(46),以确定施加于光纤的应力。

Description

测量光纤中应力的系统和方法

                        发明背景

                        发明领域

本发明涉及测量施加于光纤的应力的方法，尤其，涉及在制造光纤或光缆的过程中测量施加于光纤的应力的方法。

                        背景技术

已经开发了多种形式的光纤传感器，用于监控各种系统和过程中的参数，包括法布里-珀罗干涉仪、布拉格光栅、马赫-曾德耳干涉仪和迈克逊干涉仪等等。这些光纤传感器可用于各种应用，包括用作应变仪、动态压力传感器，轴承情况传感器、非接触接近传感器、和温度传感器。在这些应用中，光纤传感器固定接触被监控的系统，并且通常包括在外壳或刚性结构中，该外壳和刚性结构和系统固定连接，用于将系统中的参数变化传送给光纤传感器。

作为应变仪，光纤传感器可用于监控动态应变。在这种应用中，光纤传感器埋入连接结构部件的材料中，使得可以监控部件中的应变。光纤应变仪的应用通常包括民用结构，如水坝、建筑物和桥梁。

作为动态压力传感器，光纤传感器可用于各种应用，包括监控内燃机的性能，以及监控压缩机或泵的性能。当用于监控内燃机的性能时，光纤传感器通常位于与内燃机汽缸匹配的外壳中。该外壳通常具有连接光纤传感器一端的金属隔膜。施加到隔膜上的压力被传送到光纤传感器，因此改变传感器的总长度，并允许在改进发动机控制的汽缸压力中连续实时测量，提供预防性的维护数据和预测发射监控。当用于监控压缩机和泵的性能时，光纤传感器通过嵌入过程位于铝合金杆件或类似的金属中。然后，将包住光纤传感器的铝杆件放入具有隔膜的金属外壳中，该隔膜类似于上述发动机监控中所用的。通过使隔膜与压缩机和/或泵传送的流体接触，使得空化、流动不稳定性测量和急变检测变为可能，因此减小了灾难性机械故障的可能。

作为轴承情况传感器，光纤传感器可用于监控轴承或转子的不平衡情况。通常，光纤传感器位于包括可变形隔膜的外壳中。光纤传感器与隔膜接触，隔膜依次接触轴承的外环，因此允许将关联轴承和外环间的任何振动传送给光纤传感器。

在非接触接近传感器中，光纤传感器用于测量轴振动、转子推力点、轴转速、以及转子的不平衡和不对准。在这些应用中，光纤传感器嵌入具有磁铁的钢杆件中，该磁铁连接其一端。将包住光纤和磁铁的钢杆件放入固定外壳中。然后，放置外壳，使得磁铁接近于被监控的转轴。轴的不平衡使得磁铁移动，该移动被传送到用于监控轴位置或情况的光纤传感器。

作为温度传感器，通常将光纤传感器插入期望监控的区域，或嵌入铸件中，因此允许直接测量其中的温度。

通常，光纤传感器可用于监控其中允许固定配置传感器的系统。这些传感器结构将使得很难(如果不是不可能的话)监控要求从被监控系统中全部移去光纤和关联光纤传感器的过程、系统或机械。此外，这些系统通常要求将光纤传感器铸造在被监控的部分或结构中，或者位于直接连接被监控系统的外壳中，因此增加了与监控器系统关联的尺寸和成本。

光纤和光缆的制造和处理过程是多种多样的。很多过程包括向被处理的光纤施加应力。在施加应力超时的情况下，虽然很短，但是这些应力将导致光纤中原有缺陷的亚临界增长，因此减小光纤的总强度。在某些应用中，重要的是光纤或光纤束具有足够的强度，以承受施加于其上的负荷，而不损坏光纤或整个光缆。结果，产生可靠性模型，以估计在处理和制造之后光纤和关联光缆的强度。光纤的可靠性模型基于以下三项：光纤中缺陷或裂缝的尺寸分布；疲劳裂缝增长参数；和处理过程中光纤经历的应力-时间分布。高应力处理将导致光纤强度退化。直到现在，在高速处理期间，对施加于光纤的应力的直接测量是不可能的，因此光纤的应力-时间分布只是假设量。

在处理和光缆制造过程中，对于可靠性分析和建模、过程和设备的设计、流水线的故障查找、以及光纤和光缆的安装，收集施加于光纤的应力实时测量值的能力是有价值的。

                           发明内容

本发明的一方面是提供测量施加于光纤的应力的方法和系统，其中包括提供包含光纤传感器的光纤，并且通过在被测量过程中移动光纤和光纤传感器，将光纤和光纤传感器暴露于与过程关联的各种应力中。该方法和系统还包括当光纤和光纤传感器暴露于各种应力中时通过光纤传输源光信号，当光纤和光纤传感器暴露于各种应力中时接收来自光纤传感器的返回光信号，并且比较源光信号和返回光信号，以确定施加于光纤的应力。

本发明的另一方面是提供测量施加于光纤的应力的方法和系统，其中包括提供发射具有预定频率光的光源，提供耦合到光源的第一光电检测器，它产生与光成比例的第一电信号，提供耦合到第一光电检测器的第一可调放大器，它放大第一电信号，以及提供通过光纤耦合到光源的光学传感器，将至少一部分光传输到光学传感器。该方法和系统还包括提供耦合到光学传感器的第二光电检测器，它检测光学传感器反射的至少一部分光并产生与之成比例的第二电信号，提供耦合到第二光电检测器的第二可调放大器，它放大第二电信号，提供耦合到第二光电检测器的比较器，它比较第一和第二电信号，以提供表示第一和第二信号之间关系的信号。在一个实施例中，微控制器耦合到比较器，并产生多个固定频率的触发信号，每个触发信号启动一个调制周期，并根据检测第一和第二输出电压之间的预定转换进一步产生控制信号。方法和系统还包括提供耦合到光源和微控制器的的调制器，根据从微控制器接收的触发信号，以周期性的方式调制光源以提供脉冲。计数器耦合到微控制器，并根据接收到的触发信号开始对周期脉冲计数，并根据从微控制器接收到的控制信号结束计数，以产生一个计数值。通过在被测量过程中移动光纤和光纤传感器，将光纤和光纤传感器暴露于与过程关联的各种应力中，微控制器根据接收到的每个调制周期的计数值计算施加于光纤的应力。

本发明的又一方面提供了确定施加于光纤的应力大小的方法，该方法使用光信号源、检测返回光信号的检测器、比较发射光信号和返回光信号的比较器、以及计算施加于光纤的应力的微控制器。该系统包括提供带有光纤传感器的光纤。通过在被测量过程中移动光纤和光纤传感器，将光纤和光纤传感器暴露于与过程关联的各种应力中，并监控被检测的光信号，以计算该过程中施加于光纤的应力。

在以下详细描述中将给出本发明的附加特征和优点，通过该描述部分对于本领域熟练的技术人员是显而易见的，或者通过实施这里包括以下的详细描述、权利要求和附图中所述的发明，而理解本发明的部分。

要知道以上描述仅仅是本发明的实例，它试图提供概述用于理解如权利要求所述本发明的特性和特征。所包括的附图用于提供对本发明进一步的理解，并结合成说明书的一部分。附图说明了本发明的各种特征和实施例，它和描述一起用于解释本发明的原理和操作。

                        附图说明

图1是使用本发明方法和传感系统的光纤制造过程的框图；

图2是显示光纤和构造法布里-珀罗干涉仪的步骤的多个截面图；

图3是本发明系统的电路框图；

图4是着色模具的框图和从图3所示系统中获得的相应应力-时间的曲线图；和

图5是本发明系统中使用的摩擦触发发生器的侧视图。

                  较佳实施例的详细描述

在图1中，实施本发明的传感系统10可用于对其中含有光纤传感器14的光纤12的处理。电路16通过光纤耦合器56连接到光纤12，用于监控处理光纤12的过程、系统或机械18。

光纤12可以是包含纤芯20(图2)、包层22和聚合物外包层24的单模光纤。这里所述的单模光纤是指只传播选定信号波长上光的HE11模的两个相互正交偏振模的光纤。此外，虽然已经证明Corning SMF28^TM是有效的，但是也可以使用其它类型和分类的光纤。较佳的是，在锥形线轴25(图1)上提供光纤12，以允许自由、无限制地松开光纤12，将光纤12传递给被监控的过程或系统18，然而可以以允许自由、无限制传递的任何形式提供光纤12。

本发明所用的最佳光纤传感器14是法布里-珀罗干涉仪26(图2)。虽然最佳光纤传感器14是法布里-珀罗干涉仪26，但是所述的信号处理系统也可应用于其它传感器，如迈克逊和马赫-曾德耳干涉仪传感器。此外，可以将光功率提供给透射和反射中监控的传感器，例如在光纤布拉格光栅中，以及本领域中所知的其它应用。传感系统10使用法布里-珀罗干涉仪26中的相对相移测量值。假设所关注的测量值、施加于光纤12和嵌入的法布里-珀罗干涉仪26的应力影响了法布里-珀罗干涉仪26中的光相移，那么应变值通过校准因数与相移相关。例如，在美国专利号5,557,406中揭示了与相移和应变计算关联的适当数学计算。

如步骤1所示，图2中通过首先从一部分光纤12上去除聚合物外包层24，构造或揭示了本系统10中所用的法布里-珀罗干涉仪26。然后，使用例如步骤2中所示的Fujikura模型30SF接合器25，切割光纤12，以形成第一开口端28和第二开口端29。然后，如步骤3所示，通过真空沉积或类似的方法在开口端28上形成二氧化钛或类似化合物的第一介质反射镜。然后，如步骤4所示，通过电弧熔合或类似的方法使第二开口端29与第一介质反射镜接合。然后，如步骤5所示，离第一介质反射镜距离L再次切割光纤12，因此形成第三开口端32和第四开口端33。如步骤6所示，在第三开口端32上形成二氧化钛或类似化合物的第二介质反射镜34。然后，如步骤7所示，第四开口端33与第二介质反射镜34接合，因此是光纤12再次成为连续长度的光纤，并在其中形成法布里-珀罗干涉仪26。可以形成距离L在0.5毫米(mm)到10米之间。较佳的是，距离L在5到25毫米之间。最佳的是，距离L约为12毫米。然后，如步骤8所示，用外包层24沿先前去除外包层24的区域重新包裹包含干涉仪26的光纤12。当光纤12通过过程或系统18时，介质反射镜30、34和光纤12之间的粘附力足以承受施加于光纤12和关联光纤传感器14的应力。

作为介质反射镜的替换物，布拉格光栅可用于形成法布里-珀罗谐振腔。可以以适当的间隔L写入布拉格光栅。为了获得包含例如激光器发出光信号波长的宽带反射，应该对光栅线性调频。

电路16(图1)包括耦合到光纤12一端的半导体激光二极管或光发射装置36，它以预定频率或频率组发射源光信号44。第一光电检测器38耦合到源36，用于将至少一部分源光信号44转换成电信号。第二光电检测器40通过耦合器56耦合到光纤12，用于检测返回光信号46并提供表示它的第二电信号。比较器耦合到检测器38和40，用于比较第一和第二电信号。微控制器48耦合到比较器42，并分析其信号以计算施加于光纤12和关联光纤传感器14的应力。电路16具有输出端50，用于将信号提供给数据捕获系统52，如示波器或适当的处理器，它允许操作者实时监控系统的输出。现在参考图3给出电路16的详细描述。

在图3中，系统时钟64产生时钟脉冲，并将它发送到函数发生器54和微控制器48。函数发生器54根据时钟脉冲产生适当的电流周期波形，用于通过调制周期调制来自激光二极管36的源光信号44。模数转换器55将函数发生器54产生的信号转换成数字信号，可变增益放大器57将它与来自微控制器48的信号组合。微控制器48施加于增益控制输入的信号控制放大器57的增益。然后，所得放大器57的输出信号耦合到激光驱动放大器59，激光驱动放大器59依次将源信号提供给激光二极管36。第一光电检测器38接收来自激光二极管36的一部分激光输出功率，并产生与第一光电检测器38所接收光功率成比例的电信号。可以选择性地提供光隔离器(未图示)，以阻止反射光扰动激光输出。然后，光纤耦合器56劈开光纤12传播的光，将光功率提供给位于处理区域18上游的光纤传感器14。

光纤传感器14反射一部分源光信号14，作为光纤12中产生返回光信号46的应力的函数，返回光信号46经光纤耦合器56传到第二光电检测器40，第二光电检测器40将返回光信号46转换成与传感器14反射的光能成比例的电信号。

来自第二光电检测器40的电信号作为第二可变增益运算放大器59的输入，第二可变增益运算放大器59具有受微控制器48施加于输入端49的信号控制的一个或多个增益级。放大器59的输出信号作为比较器42的一个输入。第一光电检测器38的信号传送到运算放大器60，运算放大器60提供输出信号，作为比较器48的另一输入。调节放大器59的增益，使得在调制周期期间两个比较器输入信号交叉一次或多次，所以每当发生交叉，比较器48的输出就从逻辑“低”变到逻辑“高”状态，反之亦然。当调制周期开始时，微控制器48将第一控制信号发送到计数器62，以启动对内部产生的或通过导线63从系统时钟发生器64接收到的时钟脉冲的计数。在开始每个调制周期之后预定时间开始，微控制器48监控来自比较器42的输出信号，以确定比较器42的输出信号中何时发生选择的转换。当识别出这种改变时，微控制器48将第二控制信号发送到计数器62，以停止计数。然后，将从周期开始到周期结束期间的累计值提供给微控制器/微处理器48，在其中进行进一步处理。微处理器48可以用基线减法处理累计值，以去除公共或DC分量，然后如以上‘406专利中所述，与校准因数相乘，产生数字输出，其值等于任何给定时刻施加于光纤12的应力值。

当光纤12通过向光纤12和光纤传感器14施加应力的过程或系统18时，施加于光纤12的物理应力导致光纤12长度的变化，该光纤12包括组成光纤传感器14的片段。如上所述，该长度变化导致光纤传感器14中光信号44和46的相对相移，该相对相移转换成应变读数，应变读数依次转换成实时应力读数，因此允许精确地确定施加于光纤的应力-时间分布。

传感系统10可用于有效地监控与光纤和光缆制造高速处理、及其安装关联的这些过程和系统。本传感系统10的这些应用包括在光纤的验证测试期间测量卸载速率，因此确保光纤符合工业强度标准和要求。此外，传感系统10可用于确定变化皮带和主轴设计的应力传递，以及研究着色、拉丝和绞线过程期间发生的应力分布。此外，传感系统10可用于调试与光缆制造关联的过程，如找出过程中磨损的轴承和高应力点。以上列出的过程并非用于限制本发明的应用，而是仅仅是提供典型的应用。

作为一个实例，如图4所示，本发明可用于确定当通过着色模具处理时施加于光纤12的应力值。如本领域所熟知的，着色模具可用于将通常为UV未固化丙烯酸盐形式的着色剂69施加于光纤。如图4中相应的曲线图所示，由于光纤12和着色模具66之间的摩擦力，着色模具66将应力施加于光纤12。当光纤12在通过着色模具66的方向68上移动时，作用于集成法布里-珀罗干涉仪26的摩擦力导致其长度变化，因此允许可如上述计算施加于上述光纤12的应力。

产生的应力-时间分布如图4所示，并且允许精确地确定当光纤通过着色模具66时施加于光纤12的应力。然后，应力-时间分布可用于例如调试关联的光纤流水线、优化模具张力、计算光纤的应力历史以研制精确的光纤强度可靠性模型、以及各种其它应用。

本传感系统10的另一方面是提供摩擦触发器68(图1和5)，当光纤12通过被监控的过程或机械18时，它相对于光纤12移动处于固定的位置。摩擦触发器68包括具有内表面71的第一物体70，和具有内表面73的相对第二物体72。织物层74固定于第一物体70的内表面71和第二物体72的内表面73。压力弹簧76紧紧夹住固定于第一物体72和第二物体74的织物层74。在工作中，摩擦触发器68位于光纤12周围(延伸入或延伸出图5的位置)，以提供两者之间较小的摩擦力。当光纤传感器14通过摩擦触发器68时，施加于光纤12的应力发生少许的增加，因此当光纤传感器14通过过程或机械18时向用户提供开始读取光纤传感器14所遭遇应力的时间点。知道了摩擦触发器的位置，光纤12通过过程或机械18的速度，和向光纤传感器14施加应力的过程或机械18中部件之间的距离之后，操作者可以确定过程或机械18中每个部件施加于光纤12的应力。以上对摩擦触发器68的描述并不限制过程中触发器装置的结构或功能。

对于本领域熟练的技术人员来说，不脱离本发明的精神和范围，对本发明作出各种改变和变化是很明显的。因此本发明试图包括该发明各种变化和改变，只要它们落在后附权利要求书及其等效技术范围内。

Claims (20)

1.一种测量施加于光纤中应力的方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供包括光纤传感器的光纤；

通过在被测量过程中移动光纤和光纤传感器，将光纤和光纤传感器暴露于与过程关联的各种应力中；

当光纤和光纤传感器暴露于各种应力中时，通过光纤传输源光信号；

当光纤和光纤传感器暴露于各种应力中时，接收来自光纤传感器的返回光信号；以及

比较源光信号和返回光信号，以确定施加于光纤的应力。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供光学传感器的步骤包括提供光纤干涉仪。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，提供光纤的步骤包括提供法布里-珀罗干涉仪。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，光纤传感器是光纤布拉格光栅。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将光纤暴露于各种应力的步骤包括在与光纤制造关联的过程中移动光纤。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将光纤暴露于各种应力的步骤包括在与光缆制造关联的过程中移动光纤。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供光纤的步骤包括提供锥形线轴上的光纤。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

提供摩擦触发器，配置它使得在将光纤传感器暴露于各种应力中之前，光纤传感器遭遇摩擦触发器。

9.一种测量施加于光纤中应力的系统，其特征在于，它包括：

光源，发射具有预定频率的光；

耦合到光源的第一光电检测器，它产生与光成比例的第一电信号；

耦合到第一光电检测器的第一放大器，它放大第一电信号；

通过光纤耦合到光源的光学传感器，它将至少一部分光传输到光学传感器；

耦合到光学传感器的第二光电检测器，它检测光学传感器反射的至少一部分光，并产生与之成比例的第二电信号；

耦合到第二光电检测器的第二放大器，它放大第二电信号；

耦合到第一和第二光电检测器的比较器，它比较第二电信号和第一电信号，并且当第一电信号超过第二电信号时，产生第一输出电压，当第一电信号未超过第二电信号时，产生第二输出电压；

耦合到比较器的微控制器，它产生多个固定频率的触发信号，每个触发信号启动一个调制周期，并根据检测第一和第二输出电压之间的预定转换，进一步产生控制信号；

耦合到光源和微控制器的调制器，它根据从微控制器接收的触发信号，以周期性的方式调制光源的频率；

时钟脉冲源；和

耦合到时钟脉冲源和微控制器的计数器，它根据接收到的触发信号开始对时钟脉冲计数，并根据从微控制器接收到的控制信号结束计数，以产生一个计数值；其中

当在被测量过程中通过移动光纤和光纤传感器，将光纤和光纤传感器暴露于与过程关联各种应力中时，微控制器根据接收到的每个调制周期的计数值，计算施加于光纤的应力。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，光学传感器是光纤干涉仪。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，干涉仪是法布里-珀罗干涉仪。

12.如权利要求9所述的系统，其特征在于，光纤传感器是布拉格光栅。

13.一种确定施加于光纤的应力值的方法，该方法使用一装置，该装置能够发射光信号、接收返回光信号、比较发射光信号和返回光信号、并计算施加于光纤的应力，其特征在于，该方法包括以下步骤：

提供光纤；

提供光纤中的光纤传感器；

通过在被测量过程中移动光纤和关联的光纤传感器，将光纤和光纤传感器暴露于与过程关联的各种应力中；

监控在过程中施加于光纤和光纤传感器的力；以及

计算在过程中施加于光纤的应力。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，提供光纤传感器的步骤包括提供光纤干涉仪。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，提供光纤传感器的步骤包括提供法布里-珀罗干涉仪。

16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

在将光纤传感器暴露于各种应力中之前，将光纤传感器暴露于摩擦触发器。

17.一种测量施加于光纤的应力的系统，其特征在于，它包括：

包含光纤传感器的光纤；

光源，它将源光信号发射到光纤，因此产生来自光纤传感器的返回光信号；和

一种装置，它能够接收来自光纤传感器的返回光信号，比较源光信号和返回光信号，并确定施加于光纤的应力；其中

当通过在被测量过程中移动光纤和光纤传感器，使光纤和光纤传感器暴露于与过程关联的各种应力中时，该装置确定施加于光纤的应力。

18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，光学传感器包括光纤干涉仪。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，光纤干涉仪是法布里-珀罗干涉仪。

20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，光纤传感器是光纤布拉格光栅。

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