CN100489461C - 光纤分布式温度和应力传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤分布式温度和应力传感装置，主要包括有光源(1)、鉴频器(2)、恒温温箱(3)这三个模块，各模块之间全部采用保偏光纤连接。本发明是基于光纤拉曼散射作为温度信息载波、布里渊散射作为应力信息载波、利用瑞利散射测定出射激光相对鉴频器频率并进行频率偏置的、利用Fabry-Perot标准具进行鉴频的、同时分布式传感温度和应力的直接探测方法。其结构简单，稳定性好，可避免相干检测时光源出射功率、光源出射频率、声光调制或电光调制频率的不稳定性都将直接引入测量误差，采用差分直接检测技术鉴频，对光源的频率漂移，信号强度的起伏不敏感。

Description

光纤分布式温度和应力传感装置

技术领域

本发明涉及一种传感技术，更特别地说，是指一种采用全光纤连接的温度和应力的传感装置。

背景技术

分布式光纤传感器可以埋入材料结构中，组成智能材料结构(Smart Structure)实现结构本身的实时自检测和自诊断，可应用于：(1)高层建筑、智能大厦、桥梁、高速公路等灾害性在线、动态检测、防护及报警；(2)航空、航天飞行器的在线、动态检测和机器人的神经网络系统；(3)各种大、中型变压器、发电机组的温度分布测量、热保护和故障诊断，地下和架空高压电力电缆、火力发电所的配管温度的检测，供热系统(暖水、暖气)的管道；(4)在煤矿石油工业中用于煤矿、隧道的灾害防治及其报警；油库、油罐、危险品仓库、大型仓库和大型轮船的货仓火灾监测和预报；输油管道的异常检测和故障诊断等；此外还可用于化工原料生产过程的在线、动态检测，医院的ICU，CCU监护病房的温度监测和火灾监测等。

目前分布式光纤传感器普遍采用相干探测方式，主要包括有光源、探测光纤、耦合器、放大器、脉冲调制器、微波声光调制器、相干探测器、电学滤波器。

发明内容

本发明的目的是提供一种光纤分布式温度和应力传感装置，主要包括有光源1、鉴频器2、恒温温箱3这三个模块。该装置(A)利用光纤后向散射中拉曼散射作为温度信息载波；(B)利用布里渊散射作为应力信息载波；(C)利用瑞利散射测定出激光器出射光相对鉴频器的频率偏置；然后利用Fabry-Perot标准具进行鉴频。本发明的光纤分布式温度和应力传感装置相比现有相干检测手段，有效地解决了多个被测参数之间的交叉敏感问题；通过双通道Fabry-Perot标准具进行差分测量和频率偏置，解决了大温度0～400℃测量范围问题。由于不用频率扫描，时间分辨率可由原来的数十分钟提高到十分之一秒。

附图说明

图1是本发明传感器装置的结构框图。

图2是探测对象布里渊散射谱随温度和应力的变化曲线。

图3是双通道Fabry-Perot标准具的透过率曲线图。

图4是双通道Fabry-Perot标准具在布里渊散频移附近的透过率曲线。

图5是布里渊通道对应力的响应曲线。

图6是大温度动态范围测定的原理图。

图中：         1.光源               11.光纤激光器   12.第一掺铒光纤放大器13.脉冲调制器     14.第二掺铒光纤放大器                 2.鉴频器          21.法-皮标准具22.第一准直器     23.第二准直器        24.第四耦合器    25.第五耦合器3.恒温温箱        31.偏振控制器        32.参考光纤      33.探测光纤       34.隔离器311.第一环形器    312.第二环形器       313.第三环形器321.第一光纤光栅  322.第二光纤光栅     323.第三光纤光栅                   324.第四光纤光栅331.第一耦合器    332.第二耦合器       333.第三耦合器   4.保偏光纤51.第一探测器     52.第二探测器        53.第三探测器    54.第四探测器     55.第五探测器

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

请参见图1所示，本发明是一种光纤分布式温度和应力传感装置，是基于光纤拉曼散射作为温度信息载波、布里渊散射作为应力信息载波、利用瑞利散射测定出射激光相对鉴频器频率并进行频率偏置的、利用Fabry-Perot标准具进行鉴频的、同时分布式传感温度和应力的直接探测方法。主要包括有光源1、鉴频器2、恒温温箱3这三个模块，各模块中的器件连接关系为：光纤激光器11输出尾纤与第一掺铒光纤放大器12的入纤熔接，第一掺铒光纤放大器12的尾纤与脉冲调制器13的入纤熔接，脉冲调制器13的尾纤与第二掺铒光纤放大器14的入纤熔接；第二掺铒光纤放大器14的尾纤与第一环形器311的A端熔接，第一环形器311的C端与第一光纤光栅321熔接，第一环形器311的B端与第一耦合器331的A端熔接；第一耦合器331的B端与第二环形器312的A端熔接，第二环形器312的B端与偏振控制器31的入纤熔接，偏振控制器31的尾纤熔接有一段作为探测器用的保偏光纤4，所述保偏光纤4的前20米称作参考光纤32，后10000米称作探测光纤33；第一耦合器331的C端与第二耦合器332的C端熔接，第二耦合器332的D端与第二探测器52的光纤FC卡头连接；第二环形器312的C端与波分复用器38的A端熔接，波分复用器38的C端与第四光纤光栅324的入纤熔接，第四光纤光栅324的出射尾纤与第一探测器51的光纤FC卡头连接，波分复用器38的B端与第三环形器313的B端熔接；第三环形器313的C端与第二耦合器332的B端熔接；第二耦合器332的A端与第一准直器22的尾纤熔接，第一准直器22的出射光入射至法-皮(Fabry-Perot)标准具21的A端，从法-皮(Fabry-Perot)标准具21的B端的出射光入射至第四耦合器24中，第四耦合器24的尾纤与第三探测器53的光纤FC卡头连接；第三环形器313的A端与第三光栅323的入纤熔接，第三光栅323的尾纤与隔离器34的入纤熔接，隔离器34的尾纤与第二光栅322的入纤熔接，第二光栅322的尾纤与第三耦合器333的B端熔接，第三耦合器333的C端与第四探测器54的光纤FC卡头连接，第三耦合器333的A端与第二准直器23的尾纤熔接，第二准直器23的出射光入射至法-皮(Fabry-Perot)标准具21的C端，从法-皮(Fabry-Perot)标准具21的D端出射光入射至第五耦合器25中，第五耦合器25的尾纤与第五探测器55的光纤FC卡头连接。

在本发明中，所述光纤激光器采用分布式半导体激光器(型号DFB-LD JDSUCQF938)，工作波长1550nm、线宽小于1MHz，具有光纤耦合输出方式。

在本发明中，激光器11、第一掺铒光纤放大器12、脉冲调制器13和第二掺铒光纤放大器14构成光源1。光源1输出光是经两级放大、并脉冲调制后的脉冲光，其功率为0.8～1.2W。

在本发明中，保偏光纤4采用PMF-1550-8/125-0.4-L熊猫型保偏单模光纤，数值孔径NA＝0.11，芯径8.7μm。

在本发明中，第一光纤光栅321、第二光纤光栅322和第三光纤光栅323中心波长1550.92nm，滤波带宽0.12nm，反射率98％；第四光纤光栅324的中心工作波长1550nm，滤波带宽0.12nm，反射率99.4％。

在本发明中，隔离器34的隔离度为>60dB@1550.92±80nm。

在本发明中，第一耦合器331、第二耦合器332和第三耦合器333为1×2型的光纤熔融耦合器，其分束比例为30/70；第四耦合器24采用自带尾纤型光纤耦合镜，焦距为21.7mm、出射光束直径为4.8mm、发散角为0.42mrad；第五耦合器25采用自带尾纤型光纤耦合镜，焦距为16.8mm、出射光束直径为3.38mm、发散角为0.34mrad。

在本发明中，第一准直器22采用自带尾纤型光纤准直镜，焦距为12.4mm、出射光束直径为2.75mm、发散角为0.31mrad；第二准直器23采用自带尾纤型光纤准直镜，焦距为15.3mm、出射光束直径为3.8mm、发散角为0.24mrad。

在本发明中，第一探测器51、第二探测器52、第三探测器53、第四探测器54和第五探测器55采用高频率响应的InGaAs探测器组件。

在本发明中，恒温温箱3可以提供温度为55℃的工作温度，温度精度为0.01℃的恒温工作环境。

在本发明中，鉴频器2由法-皮标准具21、第一准直器22、第二准直器23、第四耦合器24和第五耦合器25构成；第一准直器22的出射光入射到法-皮标准具21的A端(即瑞利通道入口端)，并从法-皮标准具21的B端(即瑞利通道出口端)出射到第四耦合器24中，经第四耦合器24耦合后进入第三探测器53中；第二准直器23的出射光入射到法-皮标准具21的C端(即布里渊通道入口端)，并从法-皮标准具21的D端(即布里渊通道出口端)出射到第五耦合器25中，经第五耦合器25耦合后进入第五探测器55中。

法-皮标准具21的A端与B端形成瑞利通道，C端与D端形成布里渊通道；在同一基板上制作具有双通道标准具，使得双通道的腔长和反射率不等，可形成具有固定频率间隔的鉴频器。其中，布里渊通道用作高分辨率鉴频通道，将待测量的应力信息转变成布里渊信号在法-皮标准具21上的透过率变化，从而实现应力的快速、直接检测。瑞利通道用来测量激光器11的出射激光相对于鉴频器2的频率；本发明光纤分布式直接同时传感温度和应力的装置在实现大温度0～400℃范围检测时，瑞利通道还用于预设激光器11的出射激光相对于鉴频器2的频率偏置Δυ_offset(T)。

在本发明中，法-皮Fabry-Perot标准具21的口径为50mm，而单路入射到标准具的光束直径小于5mm，从而可以在同一个标准具上安装约20路的光纤传感光路。便于实现多路光纤网络(二维或三位空间的)的温度和应力的同时传感。

本发明通过先使用拉曼散射谱检测温度，然后，在已知温度条件下，应用布里渊散射谱探测应力信息。

在本发明中，瑞利通道顺次由第二耦合器332、第一准直器22、法-皮(Fabry-Perot)标准具21和第四耦合器24构成；该通道用于测量第二掺铒光纤放大器14输出的激光脉冲相对于鉴频器2的频率；以及在实现温度0～400℃范围内测量时通过调节鉴频器2中法-皮(Fabry-Perot)标准具21的腔长，可以预设激光器11出射光相对于鉴频器2的频率偏置。

在本发明中，布里渊通道顺次由第三环形器313、第三光纤光栅323、隔离器34、第二光纤光栅322、第三耦合器333、第二准直器23、法-皮(Fabry-Perot)标准具21、第五耦合器25、第四探测器54和第五探测器55构成；该通道将待测量的应力信息转变成布里渊信号在法-皮(Fabry-Perot)标准具21上的透过率变化，从而实现应力的快速、直接检测。

在本发明中，拉曼通道顺次由波分复用器38、第四光纤光栅324和第一探测器51构成；通过测量脉冲信号在光纤4中的拉曼散射，根据该拉曼散射的强度随温度的变化可测量温度随光纤4的轴向分布。

第一探测器51用于检测拉曼通道的拉曼信号光强f₁。

第二探测器52用于检测瑞利信号I_R在入射至鉴频器2前的光强f₂，在本发明中，简写为瑞利光强f₂。

第三探测器53用于检测瑞利信号I_R透过鉴频器2中的瑞利通道后的光强f₃，在本发明中，简写为瑞利信号透过光强f₃。

第四探测器54用于检测布里渊信号I_B在入射至鉴频器2前的光强f₄，在本发明中，简写为布里渊光强f₄。

第五探测器55用于检测布里渊信号I_B透过鉴频器2中的布里渊通道后的光强f₅，在本发明中，简写为布里渊信号透过光强f₅。

参见图2所示，在本发明中，应力探测以布里渊散射谱为应力探测对象，图中，A号线是指参考温度25℃，应力0με时的布里渊散射谱、B号线是指参考温度25℃，应力2000με时的布里渊散射谱、C号线是指参考温度400℃，应力0με时的布里渊散射谱、D号线是指参考温度400℃，应力2000με时的布里渊散射谱，如图可知，温度和应力都将引起布里渊散射谱的展宽和向高频方向的移动。温度引起布里渊散射谱的频移速率为1.37MHz/℃，温度引起布里渊散射谱的展宽速率为0.15MHz/℃。；应力引起的展宽速率为0.058MHz/με，应力引起的频移速率为0.077MHz/με。

参见图3所示，在本发明中，采用实测瑞利信号透过率T_R＝f₃/f₂和已标定的瑞利通道透过率曲线，可以获得激光器11的出射光相对于鉴频器2的频率υ₀。采用布里渊信号透过率T_B＝f₅/f₄和已标定的布里渊通道透过率曲线，可以获得光纤中待测量的应力信息ε。图中，A号线是指标定的瑞利通道透过率曲线，B号线是指布里渊通道透过率曲线。A号线比B号线的中心频率高出200MHz，故设定出射激光相对于标准具的频率偏置时，出射激光始终处于A号线的陡峭边缘上。

参见图4所示，图中，A号线是指标定的瑞利通道透过率曲线、B号线是指布里渊通道透过率曲线、C号线是指参考温度25℃，应力0με时的布里渊散射谱、D号线是指参考温度25℃，应力2000με时的布里渊散射谱，由图可以看出，当已知温度条件下，应力将使布里渊散射谱向高频方向移动，且不断展宽。但在已使用拉曼信号测得温度时，布里渊散射信号在布里渊通道上的透过率函数Res(ε)单调变化，如图5所示。测得布里渊散射信号在布里渊通道上的透过率T_B＝f₅/f₄，则可以反演应力信息。

参见图5所示，在布里渊光时域反射技术(BOTDR)中，认为采用“熊猫型”保偏光纤作为传感元件，可以达到较高测量灵敏度。本发明提出的应力检测方法中的响应函数Res(ε)与选用光纤的布里渊后项散射谱特性有关，本发明提出采用“熊猫型”保偏光纤作为传感元件。由于“熊猫型”保偏光纤的布里渊后项散射谱随应力的增大而变宽，使得响应函数Res(ε)的斜率变大，系统探测灵敏度增大。图中，当光纤轴向应力在2000με内变化时，对应的“领结型”保偏光纤的响应函数变化范围为26～45％；而对应的“熊猫型”保偏光纤的响应函数变化范围为12～48％。从而“熊猫型”保偏光纤的探测灵敏度更高。

参见图6所示，相对于相干检测方法中要求频率逐步扫描的特性，为了保持传感器测量精度，扫描步长必须很小5MHz；为了保持测量动态范围，扫描范围必须很大1GHz。因此，该相干检测单次测量耗时约为8～20min。在实际工作中，较多应用场合要求测量瞬变温度和应力信息，为了解决以上耗时时间长的矛盾，本发明提出将应力信息ε转变成布里渊信号在鉴频器2上的透过率值Res(ε)，从而实现了直接探测，无需频率扫描，耗时短，单次测量只需0.1～10s(具体单次测量时间取决于测量精度的要求)。本发明与相干检测方法相比，可避免相干检测时诸多潜在噪声源(相干检测时，光源出射功率起伏，光源出射频率漂移，声光调制器和电光调制器的频率不稳定性都将直接引入测量误差)；本发明提供的温度和应力检测方法，避免使用声光调制器和电光调制器，而且对光源的频率漂移和光源自身的强度起伏不敏感。图中，A号线是指标定的瑞利通道透过率曲线、B号线是指布里渊通道透过率曲线、E号线是指光纤在参考温度25℃，无应力时的布里渊散射谱、F号线是指光纤在参考温度250℃，无应力时的布里渊散射谱、G号线是指光纤在参考温度400℃，无应力时的布里渊散射谱。由此可见，要实现、2000με的测量范围，只要设置出射激光相对于鉴频器2的频率偏置，即可保证高温(小于等于400℃)探测时，布里渊散射谱始终处于A号曲线的陡峭边缘上，以达到高分辩率(1MHz)的目的。

实际探测时，鉴频器的透过率曲线越窄，则测量灵敏度越高，但是测量动态范围就越小。为了解决该矛盾，本发明提出频率预偏置方法，解决了大温度(0～400℃)范围内的高精度应力测量问题，应力测量范围为0～2000με。本发明中设置了低精度的瑞利通道和高精度的布里渊通道。其中，高精度布里渊通道用于测量应力信息ε并保持高测量灵敏度；低精度的瑞利通道用于预设出射激光相对鉴频器的频率偏置Δυ_offset。不同温度下的频率偏置Δυ_offset通过改变法-皮标准具21的腔长来实现。频率预偏置方法可保证探测光纤4的布里渊后向散射谱始终处于法-皮标准具21的布里渊通道的透过率曲线的陡峭边缘上(如图3所示中的A号线)，达到高精度探测目的。

根据本发明具体的探测目标谱的特性(布里渊散射谱对温度和应力同时敏感)，设计了鉴频器2结构。本发明特征之一在于设置了鉴频器中的瑞利通道，通过标定的出射激光在鉴频器中的瑞利通道上的透过率函数h(υ)和实际测得的出射激光在鉴频器中的瑞利通道上的透过率值T_R＝f₃/f₂可以测量出射激光相对于鉴频器2瑞利通道的频率偏置υ₀(参考值为234MHz)。

普通设计时，采用独立的圆形通道结构；实际使用时各个单通道标准具的腔长的变化会引起标准具中心频率的漂移，所以多个标准具之间的频率间隔会随机漂移，将导致严重的测量误差。本发明公开了一种多种用途的标准具同一基板的技术。本发明中的鉴频器特征之一在于采用双通道Fabry-Perot标准具为核心器件，其由两块平行设置的圆形反射板组成。镜片镀膜时，左右两个半圆通道的反射率不等，形成布里渊通道和瑞利通道。在布里渊通道的前反射镜的内侧半圆上镀膜形成高度为27.9nm台阶，使布里渊通道的腔长比瑞利通道的腔长略小，使布里渊通道透过率峰值对应的频率比瑞利通道透过率峰值对应的频率高200MHz(如图3所示)。使用中，采用本发明公开的双通道结构，腔长漂移对200MHz的频率间隔将不会产生影响。所以测得出射激光相对于鉴频器2中瑞利通道的频率偏置υ₀就可以计算出射激光相对于鉴频器2布里渊通道的频率偏置υ₁(参考值为34MHz)。

在布里渊光时域反射技术(BOTDR)中，目前无法解决布里渊后向散射谱对温度和应力交叉敏感的间题。本发明提出一种拉曼谱和布里渊谱同时检测组合方式，解决了温度和应力交叉敏感的问题。本发明中测得的对应光纤长度L处的拉曼后向散射强度相对瑞利后向散射强度的变化值ΔI_R(L)(即第一探测器51输出功率f₁与第二探测器52输出功率f₂比值的变化值)。根据光纤4的温度响应系数

和温度响应特性 $(\mathrm{\Δ}{T}_R\left(L\right)=\mathrm{\Δ}{I}_R\left(L\right)C_R^T)$ 可以测量出在光纤4上长度L处的相对参考值的温度变化值。本发明中将光纤4所受的轴向应力转化为已探测温度下的布里渊后向散射在鉴频器2中布里渊通道上的透过率信息，通过测量布里渊信号的透过率T_B＝f₅/f₄和已标定布里渊通道对应力的响应曲线(参见图5)，可测量应力信息ε。

本发明中设计了自校准组件，即光纤4的前20m作为参考光纤32，且参考光纤32置于恒温温箱3内；光纤4的后10km作为探测光纤33，且探测光纤33置于恒温温箱3外。在实际测量时，恒温温箱3的预设温度为25±0.1℃，通过比较预设温度与参考光纤32测得的光纤温度(在正常工作条件下，光纤温度应等于预设温度)，因此可以采用光纤温度进行实时校准本发明装置的测量结果。

本发明将四个光纤光栅(第一光纤光栅321、第二光纤光栅322、第三光纤光栅323和第四光纤光栅324)、三个环形器(第一环形器311、第二环形器312和第三环形器313)、三个光纤耦合器(第一光纤耦合器331、第二光纤耦合器332和第三光纤耦合器333)、波分复用器38和隔离器34置于恒温温箱3中，有效地消除了环境温度对本发明装置稳定性的影响。

本发明光纤分布式温度和应力传感装置应用的原理详细说明如下：

一、拉曼散射谱测定温度

拉曼散射功率只对温度敏感，对应力没有响应，且灵敏度近3倍大于布里渊散射谱，因而，直接探测时，首先利用拉曼后向散射相对瑞利后向散射的功率比随温度的变化来检测温度。记探测光纤33在光纤长度L处相对参考温度25℃的温度变化为 $\mathrm{\Δ}{T}_R\left(L\right)=\mathrm{\Δ}{I}_R\left(L\right)C_R^T\mathrm{\Δ}{T}_R\left(L\right),$ 式中，ΔI_R(L)是光纤长度L处的拉曼后向散射相对瑞利后向散射的功率比变化(第一探测器51输出功率与第二探测器52输出功率比值的变化)，

是温度响应系数，由探测光纤33决定，在仪器校准时可以测定。

二、应力的测量

相干检测中，必须通过频率扫描，同时检测布里渊散射的功率、谱宽、频移三个物理量中的任意两个，然后可以分别反演温度和应力信息。因为布里渊后向散射功率受多种因素干扰，研究认为使用“熊猫型”保偏光纤，同时检测布里渊散射谱的频移和谱宽变化可以达到BOTDR技术的最高精度。

本发明将温度和应力引起的布里渊散射谱特性(频移、谱宽、功率)的变化转换为布里渊信号在高分辨率鉴频器上的透过率的单调变化，从而实现温度和压力的同时传感。

因为最终检测布里渊信号的透过率，信号的绝对强度只是影响测量的信噪比。布里渊散射谱的频移是探测光纤33所承受温度T和轴向应力ε的函数，记为υ_B(T，ε)，且 ${\mathrm{\υ}}_B(T,\mathrm{\ϵ})={\mathrm{\υ}}_B(T_0,{\mathrm{\ϵ}}_0)+C_{\mathrm{\υ}}^T\×(T-T_0)+C_{\mathrm{\υ}}^{\mathrm{\ϵ}}\×\mathrm{\ϵ},$ 式中，υ_B(T₀，ε₀)＝11.2GHz为参考温度T₀＝25℃和无应力状态ε₀＝0测得布里渊散射谱的频移量，

是探测光纤33的布里渊频移的温度响应系数，且

是探测光纤33的布里渊频移的应力响应系数，且 $C_{\mathrm{\υ}}^{\mathrm{\ϵ}}=0.077\mathrm{MHz}/\mathrm{\μ\ϵ}.$

布里渊散射谱宽是探测光纤33所承受温度T和轴向应力ε的函数，记为Δυ_B(T，ε)，且 $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_B(T,\mathrm{\ϵ})={\mathrm{\Δ\υ}}_B(T_0,{\mathrm{\ϵ}}_0)+C_b^T\×(T-T_0)+C_b^{\mathrm{\ϵ}}\×\mathrm{\ϵ},$ 式中，Δυ_B(T₀，ε₀)＝71MHz为参考温度T₀＝25℃和无应力状态ε₀＝0测得布里渊散射谱的谱宽，

是探测光纤33的布里渊散射谱谱宽的温度响应系数，且

是探测光纤33的布里渊散射谱谱宽的应力响应系数，且 $C_b^{\mathrm{\ϵ}}=0.058\mathrm{MHz}/\mathrm{\μ\ϵ}.$

在本发明中，由于采用差分测量技术，将温度的应力引起的布里渊散射谱的频移和谱展宽转变为布里渊散射信号在鉴频器2上的，通过测量该透过率达到反演应力信息。该反演过程与布里渊散射信号的强度无关，故将布里渊散射谱的峰值归一化。归一化后的布里渊后向散射谱函数记为S_B(υ，T，ε)，且S_B(υ，T，ε)＝Δυ_B(T，ε)²/{4[υ-υ_B(T，ε)]²+Δυ_B(T，ε)²}，式中，υ为入射光频率。不同温度和应力条件下的归一化布里渊散射谱曲线参见图2所示。

在本发明中，鉴频器2中Fabry-Perot标准具为核心器件，其布里渊通道用于检测应力信息；其瑞利通道用于检测出射激光相对鉴频器2的频率，在实现大动态范围测量(宽温度范围0～400℃、应力范围0～2000με)时，通过测定出射激光频率在瑞利通道上的透过率，并调节标准具21的腔长，从而可以预设出射激光相对鉴频器2的频率偏置。Fabry-Perot标准具的频谱函数记h(υ)，且 $h\left(\mathrm{\υ}\right)=\frac{2}{{\mathrm{\θ}}_{\max }^2}{\∫}_0^{{\mathrm{\θ}}_{\max }}{(1-\frac{a}{R})}^2\sin \mathrm{\θ}/\{1+4F_E^2{\sin }^2(\mathrm{\π\υ}\cos \mathrm{\θ}/{\mathrm{\υ}}_{\mathrm{FSR}})/{\mathrm{\π}}^2\}\mathrm{d\θ},$ 式中，θ为Fabry-Perot标准具的光束入射角(测试时，光束正入射θ＝0，入射光束并非完全准直，最大发散角为θ_max＝0.31mrad)；a≈0.2％为标准具反射面的吸收损失；R为标准具的反射率；F_E为有效精细度；υ为入射光频率；υ_FSR为自由谱间距；dθ表示对入射角θ在最大发散角θ_max内的积分。

设计双通道Fabry-Perot标准具曲线如图3所示。Fabry-Perot标准具腔长f＝27mm(其决定自由谱间距υ_FSR＝c/2nl，c为真空中的光速，n为标准具强内介质折射率)。Fabry-Perot标准具由前后两块反射镜组成，其中前反射镜的右半圆比左半圆高出28nm，通光口径50mm。本文称左通道为布里渊通道(B号线)，右通道为瑞利通道(A号线)。左右通道的反射率R分别为59.6％和95.4％，其决定反射精细度 $(F_R=\frac{\mathrm{\π}{R}^{-1/2}}{1-R}).$ 按照目前制造工艺水平，双通道的缺陷精细度(F_D)均为200，从而有效精细度 $(F_E={(F_R^{-2}+F_D^{-2})}^{-1/2})$ 分别为6和63。

在本发明中，当通过瑞利信号测得温度T_D后，定义该测得温度T_D下的应力响应函数为且 ${\mathrm{Res}}_{T_D}\left(\mathrm{\ϵ}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{S}_B(\mathrm{\υ},T_D,\mathrm{\ϵ})h_H\left(\mathrm{\υ}\right)\mathrm{d\υ}/{\∫}_{-\∞}^{\∞}{S}_B(\mathrm{\υ},T_D,\mathrm{\ϵ})\mathrm{d\υ},$ 式中，h_H(υ)为布里渊通道的频谱函数(如图3中B号线所示)，dυ表示对布里渊后向散射频率υ的积分。双通道Fabry-Perot标准具的透过率曲线在布里渊散射谱频率中心处的局部显示参见图4所示。

图5为25℃时，“熊猫型”保偏光纤和“领结型”保偏光纤的应力响应曲线测定布里渊散射信号在布里渊通道(A号线)上的透过率T_B＝f₅/f₄，解非线性方程 $T_B={\mathrm{Res}}_{T_D}\left(\mathrm{\ϵ}\right)$ 则可测量应力分布。

三、大温度动态范围的实现

在直接检测技术中，高分辨率与大动态范围是一个突出矛盾，当鉴频器件的分辨率越高，其透过率曲线斜率越大，但半高宽就越小，对应测量范围越小。本发明公开一种解决办法。如图6所示，400℃温度范围对应布里渊散射谱频移的改变量接近900MHz；设计应力测量范围2000με，其对应布里渊散射谱频移的改变量为46MHz。故在形成高分辨率鉴频通道的同一块基板上镀膜形成另一个参考通道(瑞利通道)。瑞利通道的半高宽为1GHz。因为两个通道制作在同一块基板上，所以两个通道没有相对频率误差。为了使不同温度下的布里渊散射谱处于鉴频通道(A号线)的陡峭边缘上，可以调节参考通道(B号线)相对出射激光的频率间隔。因为双通道的腔长一致，且增大腔长可以使得标准具中心频率下移，频移量Δυ_offset与腔长增量Δl的关系为 $\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_{\mathrm{offset}}}{\mathrm{\Δl}}=-\frac{\mathrm{\υ}}{l},$ 式中，“—”号表示当要求标准具21相对出射激光的频率上移时，腔长需要缩短。

在本发明中，当探测光纤33某一段的应力分布时，可以首先由拉曼散射谱测得温度T_D；然后由布里渊散射谱的频移 ${\mathrm{\υ}}_B(T,\mathrm{\ϵ})={\mathrm{\υ}}_B(T_0,{\mathrm{\ϵ}}_0)+C_{\mathrm{\υ}}^T\×(T-T_0)+C_{\mathrm{\υ}}^{\mathrm{\ϵ}}\×\mathrm{\ϵ}$ 可知该温度下、无应力状态引起的布里渊频移量υ_B(T_D，0)，并由此可知标准具相对出射激光的频率上移值Δυ_offset(T)＝υ_B(T_D，0)-υ_B(T₀，0)。

在本发明中，可以由频移量Δυ_offset与腔长增量Δl的关系 $\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_{\mathrm{offset}}}{\mathrm{\Δl}}=-\frac{\mathrm{\υ}}{l},$ 以及标准具相对出射激光的频率上移值Δυ_offset(T)＝υ_B(T_D，0)-υ_B(T₀，0)可知温度值对应的腔长增量。通过调制Fabry-Perot标准具中压电陶瓷驱动器的电压值，可以将腔长精确到0.1nm，对应频率误差0.71MHz(对应应力测定误差约31με)。但是，实际测量中，通过测量出射光在参考通道上的透过率值可知出射激光相对标准具中心的频率，从而消除该项误差。

本发明光纤分布式温度和应力传感装置的特点：

1.本发明装置和已有的光纤分布式传感相干检测系统相比，其结构简单，稳定性好，可避免相干检测时诸多潜在噪声源(相干检测时，光源出射功率，光源出射频率，声光调制或电光调制频率的不稳定性都将直接引入测量误差)；采用差分直接检测技术鉴频，对光源的频率漂移，信号强度的起伏不敏感。

2.无需频率扫描，时间分辨率高(10Hz)，适用瞬变环境检测。

3.测量动态范围大(400℃温度范围、应力测量范围2000με)。

4.后期数据处理简单，无需大量复杂计算。

5.Fabry-Perot标准具的口径50mm，而单路入射到标准具的光束直径小于5mm，从而可以在同一个标准具上安装约20路的光纤传感光路。便于实现多路光纤网络同时传感温度和应力。

Claims (6)

1、一种光纤分布式温度和应力传感装置，其特征在于：光纤激光器(11)输出尾纤与第一掺铒光纤放大器(12)的入纤熔接，第一掺铒光纤放大器(12)的尾纤与脉冲调制器(13)的入纤熔接，脉冲调制器(13)的尾纤与第二掺铒光纤放大器(14)的入纤熔接；

第二掺铒光纤放大器(14)的尾纤与第一环形器(311)的A端熔接，第一环形器(311)的C端与第一光纤光栅(321)熔接，第一环形器(311)的B端与第一耦合器(331)的A端熔接；第一耦合器(331)的B端与第二环形器(312)的A端熔接，第二环形器(312)的B端与偏振控制器(31)的入纤熔接，偏振控制器(31)的尾纤熔接有一段作为探测器用的保偏光纤(4)；

第一耦合器(331)的C端与第二耦合器(332)的C端熔接，第二耦合器(332)的D端与第二探测器(52)的光纤FC卡头连接；

第二环形器(312)的C端与波分复用器(38)的A端熔接，波分复用器(38)的C端与第四光纤光栅(324)的入纤熔接，第四光纤光栅(324)的出射尾纤与第一探测器(51)的光纤FC卡头连接，波分复用器(38)的B端与第三环形器(313)的B端熔接；

第三环形器(313)的C端与第二耦合器(332)的B端熔接；第二耦合器(332)的A端与第一准直器(22)的尾纤熔接，第一准直器(22)的出射光入射至法-皮标准具(21)的A端，从法-皮标准具(21)的B端的出射光入射至第四耦合器(24)中，第四耦合器(24)的尾纤与第三探测器(53)的光纤FC卡头连接；

第三环形器(313)的A端与第三光栅(323)的入纤熔接，第三光栅(323)的尾纤与隔离器(34)的入纤熔接，隔离器(34)的尾纤与第二光栅(322)的入纤熔接，第二光栅(322)的尾纤与第三耦合器(333)的B端熔接，第三耦合器(333)的C端与第四探测器(54)的光纤FC卡头连接；

第三耦合器(333)的A端与第二准直器(23)的尾纤熔接，第二准直器(23)的出射光入射至法-皮标准具(21)的C端，从法-皮标准具(21)的D端出射光入射至第五耦合器(25)中，第五耦合器(25)的尾纤与第五探测器(55)的光纤FC卡头连接；

法-皮标准具(21)、第一准直器(22)、第二准直器(23)、第四耦合器(24)和第五耦合器(25)构成鉴频器(2)；第一准直器(22)的出射光入射到法-皮标准具(21)的A端，并从法-皮标准具(21)的B端出射到第四耦合器(24)中，经第四耦合器(24)耦合后进入第三探测器(53)中；第二准直器(23)的出射光入射到法-皮标准具(21)的C端，并从法-皮标准具(21)的D端出射到第五耦合器(25)中，经第五耦合器(25)耦合后进入第五探测器(55)中；

由第三环形器(313)、第三光纤光栅(323)、隔离器(34)、第二光纤光栅(322)、第三耦合器(333)、第二准直器(23)、法-皮标准具(21)、第五耦合器(25)、第四探测器(54)和第五探测器(55)构成布里渊通道；

由第二耦合器(332)、第一准直器(22)、法-皮标准具(21)和第四耦合器(24)构成瑞利通道；

由波分复用器(38)、第四光纤光栅(324)和第一探测器(51)构成拉曼通道。

2、根据权利要求1所述的光纤分布式温度和应力传感装置，其特征在于：激光器(11)、第一掺铒光纤放大器(12)、脉冲调制器(13)和第二掺铒光纤放大器(14)构成光源(1)；光源(1)输出光是经两级放大、并脉冲调制后的脉冲光，其功率为0.8～1.2W。

3、根据权利要求1所述的光纤分布式温度和应力传感装置，其特征在于：所述保偏光纤(4)的前20米称作参考光纤(32)，后10000米称作探测光纤(33)。

4、根据权利要求1所述的光纤分布式温度和应力传感装置，其特征在于：第一光纤光栅(321)、第二光纤光栅(322)和第三光纤光栅(323)中心波长1550.92nm，滤波带宽0.12nm，反射率98％；第四光纤光栅(324)的中心工作波长1550nm，滤波带宽0.12nm，反射率99.4％。

5、根据权利要求1所述的光纤分布式温度和应力传感装置，其特征在于：第一耦合器(331)、第二耦合器(332)和第三耦合器(333)为1×2型的光纤熔融耦合器，其分束比例为30/70；第四耦合器(24)采用自带尾纤型光纤耦合镜，焦距为21.7mm、出射光束直径为4.8mm、发散角为0.42mrad；第五耦合器(25)采用自带尾纤型光纤耦合镜，焦距为16.8mm、出射光束直径为3.38mm、发散角为0.34mrad。

6、根据权利要求1所述的光纤分布式温度和应力传感装置，其特征在于：第一探测器(51)用于检测拉曼通道的拉曼信号光强f₁；

第二探测器(52)用于检测瑞利信号I_R在入射至鉴频器(2)前的瑞利光强f₂；

第三探测器(53)用于检测瑞利信号I_R透过鉴频器(2)中的瑞利通道后的瑞利信号透过光强f₃；

第四探测器(54)用于检测布里渊信号I_B在入射至鉴频器(2)前的布里渊光强f₄；

第五探测器(55)用于检测布里渊信号I_B透过鉴频器(2)中的布里渊通道后的光强f₅。

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