專(zhuān)利名稱(chēng)：一種新型分布式光纖溫度與應(yīng)力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分布式溫度、應(yīng)變測(cè)量的光纖傳感器的新原理和裝置，屬于光纖傳感網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光散射現(xiàn)象在分布式光纖傳感技術(shù)中占有重要地位，光時(shí)域反射原理就是基于光脈沖的后向散射來(lái)確定某事件在光纖中發(fā)生的位置。根據(jù)光散射理論，當(dāng)光在光纖中傳輸時(shí),主要產(chǎn)生三種散射，即瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射。瑞利散射為線(xiàn)性散射，即瑞利散射光的波長(zhǎng)與激發(fā)光的波長(zhǎng)一致；而拉曼和布里淵散射都是非線(xiàn)性散射，分別由光纖材料分子的光學(xué)與聲學(xué)聲子散射所形成，因?yàn)樵谏⑸溥^(guò)程中有能量的交換，故其散射波長(zhǎng)與激發(fā)光的波長(zhǎng)不同。目前國(guó)內(nèi)外分布式溫度或應(yīng)變光纖傳感器技術(shù)中，拉曼散射主要用于測(cè)量光纖溫度變化；而布里淵散射用于測(cè)量光纖溫度與應(yīng)力的變化。瑞利散射主要應(yīng)用于光時(shí)域反射儀，即用瑞利散射的強(qiáng)度來(lái)直接反映被測(cè)量光纖的損耗。也有報(bào)道應(yīng)用光纖中的后向瑞利散射進(jìn)行大應(yīng)變測(cè)量的研究(“大壩裂縫方位對(duì)光纖裂縫傳感器靈敏性的影響”，壓電與聲光，29-3，pp258，2007)，但其理論依據(jù)仍然是基于光纖損耗，由于光纖受到大的切向應(yīng)變引起光纖的彎曲而至損耗增加。但此測(cè)量方法只能定性檢測(cè)應(yīng)變的有無(wú)而不能準(zhǔn)確的測(cè)量光纖的應(yīng)變量。本發(fā)明中提出了一種新型的利用光纖瑞利散射的溫度與應(yīng)力分布式傳感器，他是根據(jù)光纖中瑞利散射譜的波長(zhǎng)漂移而非其散射強(qiáng)度的變化來(lái)進(jìn)行測(cè)量的，與上面提到的大應(yīng)變測(cè)量方法有本質(zhì)的區(qū)別。美國(guó)的Luna公司也提出了一種利用瑞利散射譜測(cè)量光纖溫度與應(yīng)力分布的方法，(詳見(jiàn)“Distributed flow sensing usingoptical hot-wire grid”，Optics Express, 20, pp8240, 2012),但其對(duì)光纖定位的原理是光頻域反射儀，即0FDR。它雖然可以提供毫米甚至微米級(jí)別的空間分辨率，但受到激光器相干長(zhǎng)度的限制，其傳感光纖長(zhǎng)度僅為幾十到幾百米。而本發(fā)明中光纖定位的原理是基于光時(shí)域反射原理，其定位精度不受激光器相干長(zhǎng)度的限制，只由光脈沖的脈寬決定，約為1-5米，但其傳感距離更長(zhǎng)，從幾公里 到幾十公里。另外，由于光纖中的瑞利散射比拉曼和布里淵散射的強(qiáng)度要分別大1000和30倍，該測(cè)量方法擁有更高的信噪比，可提供精確的應(yīng)變與溫度測(cè)量和更大的測(cè)量范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種分布式溫度、應(yīng)變同時(shí)測(cè)量的光纖傳感器的新方法和裝置。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括波長(zhǎng)掃描激光器(11)、脈沖調(diào)制器(12)、摻鉺光纖放大器(13)、光纖環(huán)形器(14)、單模傳感光纖(15)、光電探測(cè)器(16)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
(17)和控制與信號(hào)處理系統(tǒng)(18)。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為:激光器11出射的連續(xù)光經(jīng)過(guò)脈沖調(diào)制器12調(diào)制成脈沖光，再經(jīng)過(guò)摻鉺光纖放大器(13)放大，由光纖環(huán)形器(14)進(jìn)入單?；蚨嗄鞲泄饫w(15)，瑞利散射光由光纖環(huán)形器(14)進(jìn)入光電探測(cè)器(16)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(17)采集后由控制與信號(hào)處理系統(tǒng)(18)存儲(chǔ)，連續(xù)改變掃描激光器(11)的出射波長(zhǎng)，將光纖各點(diǎn)在不同波長(zhǎng)下的瑞利散射強(qiáng)度連起來(lái)就可以得到該點(diǎn)的瑞利散射譜，通過(guò)計(jì)算該點(diǎn)的瑞利散射譜的波長(zhǎng)飄移就可得到溫度或應(yīng)力的改變值。瑞利散射屬于線(xiàn)性光散射，它源于光纖制造過(guò)程中密度的微小不均勻，與光纖中的自發(fā)拉曼和自發(fā)布里淵散射相比，其單位散射強(qiáng)度分別高1000和30倍?？梢杂萌缦鹿矫枋龉饷}沖在光纖中傳輸時(shí)的瑞利散射光波:
權(quán)利要求
1.一種新型分布式光纖溫度與應(yīng)力傳感器，其特征在于利用光纖的自發(fā)瑞利散射譜受溫度和應(yīng)力影響而發(fā)生漂移的特性而制成的測(cè)量溫度和應(yīng)力的光纖傳感器。其具體包括波長(zhǎng)掃描激光器(11)、脈沖調(diào)制器(12)、摻鉺光纖放大器(13)、光纖環(huán)形器(14)、單模傳感光纖(15)、光電探測(cè)器(16)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(17)和控制與信號(hào)處理系統(tǒng)(18)，激光器(11)出射的連續(xù)光經(jīng)過(guò)脈沖調(diào)制器(12)調(diào)制成脈沖光，再經(jīng)過(guò)摻鉺光纖放大器(13)放大，由光纖環(huán)形器(14)進(jìn)入單?；蚨嗄鞲泄饫w(15)，瑞利散射光由光纖環(huán)形器(14)進(jìn)入光電探測(cè)器(16)變?yōu)殡娦盘?hào)，電信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(17)采集后由控制與信號(hào)處理系統(tǒng)(18)存儲(chǔ)，連續(xù)改變掃描激光器(11)的出射波長(zhǎng)，將光纖各點(diǎn)在不同波長(zhǎng)下的瑞利散射強(qiáng)度連起來(lái)就可以得到該點(diǎn)的瑞利散射譜，通過(guò)計(jì)算該點(diǎn)的瑞利散射譜的波長(zhǎng)飄移就可得到溫度或應(yīng)力的變化值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波長(zhǎng)掃描激光器(11)是典型波長(zhǎng)掃描范圍為1540-1560nm,線(xiàn)寬小于1MHz，波長(zhǎng)絕對(duì)精確值為± lpm，最小波長(zhǎng)改變值為Ipm的半導(dǎo)體外腔可調(diào)諧激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖調(diào)制器(12)由電脈沖信號(hào)發(fā)生器、鈮酸鋰電光調(diào)制器和脈沖反饋穩(wěn)定電路組成，其特征是電脈沖信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的電脈沖信號(hào)(IOns)進(jìn)入鈮酸鋰電光調(diào)制器的電信號(hào)輸入端，經(jīng)調(diào)制后的光脈沖進(jìn)入傳感光纖，同時(shí)分出一小部分光脈沖信號(hào)作為反饋信號(hào)，由脈沖反饋溫度電路處理后輸出控制信號(hào)控制鈮酸鋰電光調(diào)制器的偏置電壓，以穩(wěn)定光脈沖的功率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制與信號(hào)處理系統(tǒng)(18)，其特征是控制并使電脈沖信號(hào)發(fā)生器(12)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(17)同步。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制與信號(hào)處理系統(tǒng)(18)采用相關(guān)算法計(jì)算光纖中自發(fā)瑞利散射譜由于溫度和應(yīng)力變化造成的整體飄移。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)的一種新型分布式溫度、應(yīng)力測(cè)量的光纖傳感器，是利用光纖中的瑞利散射譜和光時(shí)域反射原理實(shí)現(xiàn)的分布式光纖溫度與應(yīng)力傳感器。根據(jù)光時(shí)域反射原理，通過(guò)測(cè)量脈沖光的后向瑞利散射可得到光纖各點(diǎn)的瑞利散射強(qiáng)度，并可對(duì)事件發(fā)生的位置定位。連續(xù)改變激光器的出射波長(zhǎng)，便得到光纖各點(diǎn)的瑞利散射譜。當(dāng)光纖某處溫度或所受應(yīng)力發(fā)生改變時(shí)，此處光纖的后向瑞利散射譜會(huì)發(fā)生整體的線(xiàn)性平移，通過(guò)與未發(fā)生變化前的散射譜進(jìn)行對(duì)比便可以得到溫度與應(yīng)變的變化量，實(shí)現(xiàn)分布式的溫度與應(yīng)變測(cè)量。由于瑞利散射比拉曼和布里淵散射的強(qiáng)度大很多，該測(cè)量方法比利用自發(fā)拉曼、自發(fā)布里淵散射的分布式傳感器擁有更高的信噪比和測(cè)量精度。
文檔編號(hào)G01D21/02GK103162742SQ20131011124
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月29日
發(fā)明者李裔, 張震偉 申請(qǐng)人:李裔