專利名稱：一種全分布式光纖瑞利與拉曼散射光子應(yīng)變、溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光學(xué)應(yīng)變、溫度傳感器，尤其是全分布式光纖瑞利與拉曼 散射光子應(yīng)變、溫度傳感器。
背景技術(shù)：
長期以來，國內(nèi)外在工程領(lǐng)域，大型土木建筑、橋粱、隧道、石化管道、 儲(chǔ)油罐和電力電纜主要使用電學(xué)應(yīng)變片和熱敏電組作為應(yīng)變和溫度傳感器，每 個(gè)傳感器均需連電線，組成大型檢測網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，這類傳感器本身帶電， 本質(zhì)上是不安全的，易受電磁干擾，不耐腐蝕，也不能定位，不適合于惡劣環(huán)境 中使用，更不適合于應(yīng)用地質(zhì)災(zāi)害和火災(zāi)的現(xiàn)場。
近年來發(fā)展起來的光纖傳感器網(wǎng)能實(shí)現(xiàn)大型土木工程、電力工程、石化工 業(yè)，交通橋梁，隧道，地鐵站，大壩、大堤和礦業(yè)工程等安全健康監(jiān)控和災(zāi)害
的預(yù)報(bào)和監(jiān)測。光纖傳感器有兩大類 一類是以光纖光柵(FBG)和光纖法白 (F-P)等點(diǎn)式傳感器"掛"(布設(shè))在光纖上，采用光時(shí)域技術(shù)組成的準(zhǔn)分布式 光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)分布式光纖傳感器網(wǎng)的主要問題是在點(diǎn)式傳感器之間的光 纖僅是傳輸介質(zhì)，因而存在檢測"盲區(qū)";另一類利用光纖的本征特性，光纖瑞利、 拉曼和布里淵散射效應(yīng)，采用光時(shí)域(OTDR)技術(shù)組成的全分布光纖傳感器網(wǎng), 測量應(yīng)變和溫度。全分布光纖傳感器網(wǎng)中的光纖既是傳輸介質(zhì)又是傳感介質(zhì)，不 存在檢測盲區(qū)。
發(fā)展光纖傳感技術(shù)，建設(shè)新型光纖傳感監(jiān)控網(wǎng)，是保障我國電力，石化， 煤礦，大型橋梁，隧道的安全的重要措施。釆用本征型全分布式光纖瑞利、拉 曼和布里淵散射傳感器網(wǎng)絡(luò)能預(yù)測地層結(jié)構(gòu)應(yīng)力場、溫度場的變化，對監(jiān)控地 層結(jié)構(gòu)、地震、滑坡和大面程坍方具有預(yù)報(bào)作用;釆用全分布式傳感器網(wǎng)能防止 重大的災(zāi)害對電力工程，大型土木工程，石化工程的影響，實(shí)施安全健康監(jiān)測 和釆取相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案和措施。
近年來發(fā)展起來的利用分布式光纖溫度傳感器作為線型火災(zāi)監(jiān)測感溫火災(zāi) 探測器，它可以在線實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)溫度的変化，可以在很大的溫度范圍設(shè)置報(bào)警溫 度，是本質(zhì)安全型的線型感溫火災(zāi)探測器，在電力工業(yè)、交通隧道和地下工程 上己成功地應(yīng)用。
但對大型土木工程、隧道和地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測和監(jiān)控，不僅需要測量溫度場 而且需要測量大的應(yīng)變場(形變)甚至裂紋。全分布式光纖布里淵時(shí)域分析器雖能同時(shí)檢測溫度和應(yīng)變，但存在交叉效應(yīng)，影響檢測結(jié)果，而且儀器價(jià)格昂
蟲 貝。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種成本低、結(jié)構(gòu)簡單、信噪比好，可靠性好的 全分布式光纖瑞利與拉曼散射光子應(yīng)變、溫度傳感器。
發(fā)明的全分布式光纖瑞利與拉曼散射光子應(yīng)變、溫度傳感器包括脈沖激光 器，集成型光纖波分復(fù)用器，傳感光纖，三個(gè)光電接收模塊，數(shù)字信號處理器，
顯示器和報(bào)警器，集成型光纖波分復(fù)用器具有五個(gè)端口，其中1550nm輸入端口 與脈沖激光器相連，COM輸出端口與傳感光纖相連，1450nm輸出端口與第一 光電接收模塊的輸入端相連，1660nm輸出端口與第二光電接收模塊的輸入端相 連，1550nm輸出端口與第三光電接收模塊的輸入端相連，三個(gè)光電接收模塊的 輸出端分別與數(shù)字信號處理器相連，數(shù)字信號處理器的信號輸出端連接顯示器 和報(bào)警器。
上述的脈沖激光器采用中心波長為1550nm，光譜寬度為O.lnm，激光脈沖 寬度為18ns，峰值功率為20W，重復(fù)頻率為4kHz的脈沖激光器。
所說的集成型光纖波分復(fù)用器采用SZMX-WDM-3型集成型光纖波分復(fù)用 器。該集成型光纖波分復(fù)用器包括分立的光纖雙向耦合器、光纖平行光路、斯 托克斯和反斯托克斯拉曼散射光寬帶濾光片，具有1550nm激光輸入端口， COM 輸出端口， 1450nm輸出端口， 1660nm輸出端口和1550nm輸出端口等五個(gè)端口， 光纖雙向耦合器1550nm激光輸入端口與脈沖激光器相連，COM輸出端與傳感 光纖相連，通過光纖雙向耦合器的另一端收集的背向1550nm瑞利散射、1450nm 反斯托克斯拉曼散射和1660nm斯托克斯拉曼散射，通過第一光纖平行光路與 1450nm寬帶濾光片，透過的1450nm寬帶的光纖反斯托克斯拉曼散射光由1450 光纖端口輸出，反射回來的1550nm瑞利散射光和1660nm寬帶斯托克斯拉曼散 射，再通過第二光纖平行光路與1660nm寬帶濾光片，透過的1660nm寬帶斯托 克斯拉曼散射光由1660nm光纖端口輸出，反射的1550nm瑞利散射光由光纖 1550nm輸出端口輸出。
本實(shí)用新型中，所說的三個(gè)光電接收模塊均是由低噪音的InGaAs光電雪崩 二極管和低噪音寬帶前置放大器集成芯片MAX4107和三級主放大器組成的 HZ0E-GDJM-2型光電接收模塊。
所說的傳感光纖為碳涂覆多模光纖，傳感光纖為碳涂覆多模光纖是一種在 拉絲過程中，于裸光纖表面上沉積一層無定形碳的特殊光纖。這種碳密封涂覆
4的技術(shù)解決了光纖由于靜態(tài)疲勞引起的機(jī)械強(qiáng)度下降，以及由于氫氣擴(kuò)散進(jìn)石 英玻璃體內(nèi)引起的傳輸損耗增加等長期可靠性問題。這種碳涂覆光纖可以在苛
刻惡劣的環(huán)境中長期可靠的工作。碳涂覆光纖是在光纖的包層表面加一層35 70nm厚的致密碳膜，然后再涂覆一層紫外固化有機(jī)涂料，致密碳膜可大大增強(qiáng)在 惡劣環(huán)境下對裸光纖的保護(hù)，保障其耐久性，傳感光纖長度為100m 15km。傳 感光纖鋪設(shè)在現(xiàn)場，該光纖不帶電，抗電磁干擾，耐輻射，耐腐蝕，可靠性好， 光纖既是傳輸介質(zhì)又是傳感介質(zhì)。
脈沖激光器發(fā)出激光脈沖通過集成型光纖波分復(fù)用器射入傳感光纖，在傳 感光纖中產(chǎn)生的背向瑞利散射，斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光子波經(jīng)集成 型光纖波分復(fù)用器分朿，分別經(jīng)三個(gè)光電接收模塊，將光信號轉(zhuǎn)換成模擬電信 號并放大，由瑞利散射的強(qiáng)度比得到應(yīng)變的信息，給出傳感光纖上各應(yīng)變探測 點(diǎn)的應(yīng)變，應(yīng)變變化速度和方向；由反斯托克斯和斯托克斯拉曼散射光兩者的 強(qiáng)度比，得到光纖各段的溫度信息，各感溫探測點(diǎn)的溫度，溫度變化速度和方 向，應(yīng)變與溫度的檢測不存在交叉效應(yīng)，利用光時(shí)域反射對傳感光纖上的檢測點(diǎn) 定位(光纖雷達(dá)定位)。通過數(shù)字信號處理器解調(diào)，經(jīng)過對應(yīng)變與溫度測量的定 標(biāo)，在30秒內(nèi)得到傳感光纖上各點(diǎn)應(yīng)變與溫度變化量，測溫精度士1。C，由顯示 器或通過通訊接口、通訊協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸，當(dāng)傳感光纖上檢測點(diǎn)達(dá)到設(shè) 定的應(yīng)變或溫度報(bào)警設(shè)定值時(shí)，向報(bào)警控制器發(fā)出報(bào)警信號。
分布式光纖瑞利散射光子傳感器測量形變的原理
光纖脈沖激光器發(fā)出激光脈沖通過集成型光纖波分復(fù)用器射入傳感光纖， 激光與光纖分子的相互作用，產(chǎn)生與入射光子同頻率的瑞利散射光，瑞利散射 光在光纖中傳輸存損耗，隨光纖長度而指數(shù)式衰減，背向端利散射光強(qiáng)用下式
表7TC:
/ = /0exp(-2or。Z) (1) 上式中/。為入射到光纖處的光強(qiáng)，丄為光纖長度，/為背向瑞利散射光在光
纖長度丄處的光強(qiáng)，"。為入射光波長處的光纖傳輸損耗。
由于光纖將傳感光纖鋪設(shè)在檢測現(xiàn)場，當(dāng)現(xiàn)場環(huán)境產(chǎn)生形變或裂紋時(shí)，造
成鋪設(shè)在現(xiàn)場的光纖發(fā)生彎曲，光纖產(chǎn)生局部損耗，形成光纖的附加損耗A"，
則總損耗^"。+A"，局域處的光強(qiáng)有一個(gè)跌落，光強(qiáng)由/(/)減少為/'(/)，形變造
成的附加損耗通過光強(qiáng)的改變進(jìn)行測量。形變或裂紋大小與光纖損耗的關(guān)系采用仿真模型計(jì)算并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行摸擬 試驗(yàn)測量獲得。
分布式光纖拉曼散射光子傳感器測量溫度的原理
當(dāng)入射激光與光纖分子產(chǎn)生非線性相互作用散射，放出一個(gè)聲子稱為斯托 克斯拉曼散射光子，吸收一個(gè)聲子稱為反斯托克斯拉曼散射光子，光纖分子的 聲子頻率為13.2THz。光纖分子能級上的粒子數(shù)熱分布服從波爾茲曼 (Boltzmami)定律，反斯托克斯拉曼散射光與斯托克斯拉曼散射光的強(qiáng)度比i (r)
其中KS ， K分別是反斯托克斯拉曼散射光子與斯托克斯拉曼散射光子的 頻率，h是波朗克(Planck)常數(shù)，Av,是一光纖分子的聲子頻率，為13.2THz， k是波爾茲曼常數(shù)，T是凱爾文(Kelvin)絕對溫度。由光纖拉曼光時(shí)域反射 (OTDR)曲線在光纖檢測點(diǎn)的強(qiáng)度比，得到光纖各段的溫度信息。
本實(shí)用新型的有益效果在于
本實(shí)用新型的全分布式光纖瑞利與拉曼散射光子應(yīng)變、溫度傳感器，能同 時(shí)測量現(xiàn)場的形變、裂縫和溫度并且互不交叉。采用集成型波分復(fù)用器，提高 了傳感器系統(tǒng)的信噪比，可靠性和空間分辨率，降低了成本;在性價(jià)比上優(yōu)于分 布式光纖布里淵溫度、應(yīng)變傳感器。鋪設(shè)在防災(zāi)現(xiàn)場的傳感光纖是絕緣的，不 帶電的，抗電磁干擾，耐輻射，耐腐蝕的，是本質(zhì)安全型的，光纖既是傳輸介 質(zhì)又是傳感介質(zhì)，是本征型的傳感光纖，并具有50年以上的長壽命，本實(shí)用新 型適用于中、短程100m 15km生產(chǎn)過程和大型土木工程監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)報(bào)監(jiān)測。

圖1是全分布式光纖瑞利與拉曼散射光子應(yīng)變、溫度傳感器的示意圖。
具體實(shí)施方式

參照圖l，全分布式光纖瑞利與拉曼散射光子應(yīng)變、溫度傳感器，包括脈沖 激光器10，集成型光纖波分復(fù)用器11，傳感光纖12，三個(gè)光電接收模塊13、 14、 15，數(shù)字信號處理器16，顯示器17和報(bào)警器18，集成型光纖波分復(fù)用器 ll具有五個(gè)端口，其中1550nm輸入端口與脈沖激光器IO相連，COM輸出端 口與傳感光纖12相連，1450nm輸出端口與第一光電接收模塊14的輸入端相 連，1660nm輸出端口與第二光電接收模塊13的輸入端相連，1550nm輸出端口 與第三光電接收模塊13的輸入端相連，三個(gè)光電接收模塊13、 14、 15的輸出 端分別與數(shù)字信號處理器16相連，數(shù)字信號處理器16的信號輸出端連接顯示器17和報(bào)警器18。
其中，脈沖激光器采用中心波長為1550nm，光譜寬度為O.lnm，激光脈沖 寬度為18ns，峰值功率為20W，重復(fù)頻率為4kHz的脈沖激光器。鋪設(shè)在現(xiàn)場 的傳感光纖為15公里長的涂碳光纖，空間分辨率為3米，具有1,5000個(gè)檢測點(diǎn)。 集成型光纖波分復(fù)用器為SZMX-WDM-3型集成型光纖波分復(fù)用器。數(shù)字信號 處理器釆用通用的信號處理卡，插在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)。
信號處理器可采用美國NI公司的lOOMHz帶寬，100MS/s釆集率的NI 5112 型信號處理卡，或采用加拿大GaGe公司，500MS/s采集率的CS21GB-lGHz型 信號處理卡。
權(quán)利要求1.一種全分布式光纖瑞利與拉曼散射光子應(yīng)變、溫度傳感器，其特征是包括脈沖激光器(10)，集成型光纖波分復(fù)用器(11)，傳感光纖(12)，三個(gè)光電接收模塊(13、14、15)，數(shù)字信號處理器(16)，顯示器(17)和報(bào)警器(18)，集成型光纖波分復(fù)用器(11)具有五個(gè)端口，其中1550nm輸入端口與脈沖激光器(10)相連，COM輸出端口與傳感光纖(12)相連，1450nm輸出端口與第一光電接收模塊(14)的輸入端相連，1660nm輸出端口與第二光電接收模塊(13)的輸入端相連，1550nm輸出端口與第三光電接收模塊(13)的輸入端相連，三個(gè)光電接收模塊(13、14、15)的輸出端分別與數(shù)字信號處理器(16)相連，數(shù)字信號處理器(16)的信號輸出端連接顯示器(17)和報(bào)警器(18)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全分布式光纖瑞利與拉曼散射光子應(yīng)變、溫度傳 感器，其特征是脈沖激光器(10)的中心波長為1550nm，光譜寬度為O.lnm， 激光脈沖寬度為16ns，峰值功率為20W，重復(fù)頻率為4kHz。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全分布式光纖瑞利與拉曼散射光子應(yīng)變、溫度傳 感器，其特征是所說的集成型光纖波分復(fù)用器(11)為具有1550nm激光輸入端 口， COM輸出端口， 1450nm輸出端口， 1660nm輸出端口和1550nm輸出端口 的SZMX-WDM-3型集成型光纖波分復(fù)用器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全分布式光纖瑞利與拉曼散射光子應(yīng)變、溫度傳 感器，其特征是所說的三個(gè)光電接收模塊(13、 14、 15)均為HZOE-GDJM-2型 光電接收模塊。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全分布式光纖瑞利與拉曼散射光子應(yīng)變、溫度傳感 器，其特征是傳感光纖(12)為碳涂覆多模光纖。
專利摘要本實(shí)用新型公開的全分布式光纖瑞利與拉曼散射光子應(yīng)變、溫度傳感器，是基于集成型光纖波分復(fù)用技術(shù)，采用光纖瑞利與拉曼融合散射傳感原理，利用光時(shí)域反射原理對測點(diǎn)進(jìn)行定位的傳感器，它包括脈沖激光器，集成型光纖波分復(fù)用器，傳感光纖，三個(gè)光電接收模塊，數(shù)字信號處理器，顯示器和報(bào)警器。能同時(shí)測量現(xiàn)場的形變、裂縫和溫度并且互不交叉。鋪設(shè)在現(xiàn)場的光纖不帶電，抗電磁干擾，耐輻射，耐腐蝕，光纖既是傳輸介質(zhì)又是傳感介質(zhì)。該傳感器成本低、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、信噪比好，可靠性好，本實(shí)用新型適用于中、短程100m～15km生產(chǎn)過程和大型土木工程監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)報(bào)監(jiān)測。
文檔編號G01B11/16GK201417140SQ20092012220
公開日2010年3月3日 申請日期2009年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月8日
發(fā)明者張?jiān)谛?申請人:中國計(jì)量學(xué)院