CN101592475B - 全分布式光纤瑞利与拉曼散射光子应变、温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的全分布式光纤瑞利与拉曼散射光子应变、温度传感器，是基于集成型光纤波分复用技术，采用光纤瑞利与拉曼融合散射传感原理，利用光时域反射原理对测点进行定位的传感器，它包括脉冲激光器，集成型光纤波分复用器，传感光纤，三个光电接收模块，数字信号处理器，显示器和报警器。能同时测量现场的形变、裂缝和温度并且互不交叉。铺设在现场的光纤不带电，抗电磁干扰，耐辐射，耐腐蚀，光纤既是传输介质又是传感介质。该传感器成本低、寿命长、结构简单、信噪比好，可靠性好，本发明适用于中、短程100m～15km生产过程和大型土木工程监测和灾害预报监测。

Description

全分布式光纤瑞利与拉曼散射光子应变、温度传感器

技术领域

本发明涉及光学应变、温度传感器，尤其是全分布式光纤瑞利与拉曼散射光子应变、温度传感器。

背景技术

长期以来，国内外在工程领域，大型土木建筑、桥粱、隧道、石化管道、储油罐和电力电缆主要使用电学应变片和热敏电组作为应变和温度传感器，每个传感器均需连电线，组成大型检测网络，结构很复杂，这类传感器本身带电，本质上是不安全的，易受电磁干扰，不耐腐蚀，也不能定位，不适合于恶劣环境中使用，更不适合于应用地质灾害和火灾的现场。

近年来发展起来的光纤传感器网能实现大型土木工程、电力工程、石化工业，交通桥梁，隧道，地铁站，大坝、大堤和矿业工程等安全健康监控和灾害的预报和监测。光纤传感器有两大类：一类是以光纤光栅(FBG)和光纤法白(F-P)等点式传感器“挂”(布设)在光纤上，采用光时域技术组成的准分布式光纤传感器网络，准分布式光纤传感器网的主要问题是在点式传感器之间的光纤仅是传输介质，因而存在检测“盲区”；另一类利用光纤的本征特性，光纤瑞利、拉曼和布里渊散射效应，采用光时域(OTDR)技术组成的全分布光纤传感器网，测量应变和温度。全分布光纤传感器网中的光纤既是传输介质又是传感介质，不存在检测盲区。

发展光纤传感技术，建设新型光纤传感监控网，是保障我国电力，石化，煤矿，大型桥梁，隧道的安全的重要措施。采用本征型全分布式光纤瑞利、拉曼和布里渊散射传感器网络能预测地层结构应力场、温度场的变化，对监控地层结构、地震、滑坡和大面程坍方具有预报作用；采用全分布式传感器网能防止重大的灾害对电力工程，大型土木工程，石化工程的影响，实施安全健康监测和采取相应的应急预案和措施。

近年来发展起来的利用分布式光纤温度传感器作为线型火灾监测感温火灾探测器，它可以在线实时预报温度的变化，可以在很大的温度范围设置报警温度，是本质安全型的线型感温火灾探测器，在电力工业、交通隧道和地下工程上已成功地应用。

但对大型土木工程、隧道和地质灾害的预测和监控，不仅需要测量温度场而且需要测量大的应变场(形变)甚至裂纹。全分布式光纤布里渊时域分析器虽能同时检测温度和应变，但存在交叉效应，影响检测结果，而且仪器价格昂贵。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低、结构简单、信噪比好，可靠性好的全分布式光纤瑞利与拉曼散射光子应变、温度传感器。

发明的全分布式光纤瑞利与拉曼散射光子应变、温度传感器包括脉冲激光器，集成型光纤波分复用器，传感光纤，三个光电接收模块，数字信号处理器，显示器和报警器，集成型光纤波分复用器具有五个端口，其中1550nm输入端口与脉冲激光器相连，COM输出端口与传感光纤相连，1450nm输出端口与第一光电接收模块的输入端相连，1660nm输出端口与第二光电接收模块的输入端相连，1550nm输出端口与第三光电接收模块的输入端相连，三个光电接收模块的输出端分别与数字信号处理器相连，数字信号处理器的信号输出端连接显示器和报警器。

上述的脉冲激光器采用中心波长为1550nm，光谱宽度为0.1nm，激光脉冲宽度为18ns，峰值功率为20W，重复频率为4kHz的脉冲激光器。

所说的集成型光纤波分复用器采用SZMX-WDM-3型集成型光纤波分复用器。该集成型光纤波分复用器包括分立的光纤双向耦合器、光纤平行光路、斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光宽带滤光片，具有1550nm激光输入端口，COM输出端口，1450nm输出端口，1660nm输出端口和1550nm输出端口等五个端口，光纤双向耦合器1550nm激光输入端口与脉冲激光器相连，COM输出端与传感光纤相连，通过光纤双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，通过第一光纤平行光路与1450nm宽带滤光片，透过的1450nm宽带的光纤反斯托克斯拉曼散射光由1450光纤端口输出，反射回来的1550nm瑞利散射光和1660nm宽带斯托克斯拉曼散射，再通过第二光纤平行光路与1660nm宽带滤光片，透过的1660nm宽带斯托克斯拉曼散射光由1660nm光纤端口输出，反射的1550nm瑞利散射光由光纤1550nm输出端口输出。

本发明中，所说的三个光电接收模块均是由低噪音的InGaAs光电雪崩二极管和低噪音宽带前置放大器集成芯片MAX4107和三级主放大器组成的HZOE-GDJM-2型光电接收模块。

所说的传感光纤为碳涂覆多模光纤，传感光纤为碳涂覆多模光纤是一种在拉丝过程中，于裸光纤表面上沉积一层无定形碳的特殊光纤。这种碳密封涂覆的技术解决了光纤由于静态疲劳引起的机械强度下降，以及由于氢气扩散进石英玻璃体内引起的传输损耗增加等长期可靠性问题。这种碳涂覆光纤可以在苛刻恶劣的环境中长期可靠的工作。碳涂覆光纤是在光纤的包层表面加一层35～70nm厚的致密碳膜，然后再涂覆一层紫外固化有机涂料，致密碳膜可大大增强在恶劣环境下对裸光纤的保护，保障其耐久性，传感光纤长度为100m～15km。传感光纤铺设在现场，该光纤不带电，抗电磁干扰，耐辐射，耐腐蚀，可靠性好，光纤既是传输介质又是传感介质。

脉冲激光器发出激光脉冲通过集成型光纤波分复用器射入传感光纤，在传感光纤中产生的背向瑞利散射，斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光子波经集成型光纤波分复用器分束，分别经三个光电接收模块，将光信号转换成模拟电信号并放大，由瑞利散射的强度比得到应变的信息，给出传感光纤上各应变探测点的应变，应变变化速度和方向；由反斯托克斯和斯托克斯拉曼散射光两者的强度比，得到光纤各段的温度信息，各感温探测点的温度，温度变化速度和方向，应变与温度的检测不存在交叉效应，利用光时域反射对传感光纤上的检测点定位(光纤雷达定位)。通过数字信号处理器解调，经过对应变与温度测量的定标，在30秒内得到传感光纤上各点应变与温度变化量，测温精度±1℃，由显示器或通过通讯接口、通讯协议进行远程网络传输，当传感光纤上检测点达到设定的应变或温度报警设定值时，向报警控制器发出报警信号。

分布式光纤瑞利散射光子传感器测量形变的原理：

光纤脉冲激光器发出激光脉冲通过集成型光纤波分复用器射入传感光纤，激光与光纤分子的相互作用，产生与入射光子同频率的瑞利散射光，瑞利散射光在光纤中传输存损耗，随光纤长度而指数式衰减，背向端利散射光强用下式表示：

I＝I₀ exp(-2α₀L)           (1)

上式中I₀为入射到光纤处的光强，L为光纤长度，I为背向瑞利散射光在光纤长度L处的光强，α₀为入射光波长处的光纤传输损耗。

由于光纤将传感光纤铺设在检测现场，当现场环境产生形变或裂纹时，造成铺设在现场的光纤发生弯曲，光纤产生局部损耗，形成光纤的附加损耗Δα，则总损耗α＝α₀+Δα，局域处的光强有一个跌落，光强由I(l)减少为I′(l)，形变造成的附加损耗通过光强的改变进行测量。

$\mathrm{\Δ\α}=\frac{1}{2l}\log \frac{I\left(l\right)}{I^{\′}\left(l\right)}---\left(2\right)$

形变或裂纹大小与光纤损耗的关系采用仿真模型计算并在实验室进行摸拟试验测量获得。

分布式光纤拉曼散射光子传感器测量温度的原理：

当入射激光与光纤分子产生非线性相互作用散射，放出一个声子称为斯托克斯拉曼散射光子，吸收一个声子称为反斯托克斯拉曼散射光子，光纤分子的声子频率为13.2THz。光纤分子能级上的粒子数热分布服从波尔兹曼(Boltzmann)定律，反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的强度比R(T)

$R\left(T\right)={\left[\frac{v_{\mathrm{as}}}{v_s}\right]}^4{e}^{-\left(\frac{h{\mathrm{\Δv}}_r}{\mathrm{kT}}\right)}---\left(3\right)$

其中v_as，v_s分别是反斯托克斯拉曼散射光子与斯托克斯拉曼散射光子的频率，h是波朗克(Planck)常数，Δv_r是一光纤分子的声子频率，为13.2THz，k是波尔兹曼常数，T是凯尔文(Kelvin)绝对温度。由光纤拉曼光时域反射(OTDR)曲线在光纤检测点的强度比，得到光纤各段的温度信息。

本发明的有益效果在于：

本发明的分布式光纤瑞利与拉曼散射光子应变、温度传感器，能同时测量现场的形变、裂缝和温度并且互不交叉。采用集成型波分复用器，提高了传感器系统的信噪比，可靠性和空间分辨率，降低了成本；在性价比上优于分布式光纤布里渊温度、应变传感器。铺设在防灾现场的传感光纤是绝缘的，不带电的，抗电磁干扰，耐辐射，耐腐蚀的，是本质安全型的，光纤既是传输介质又是传感介质，是本征型的传感光纤，并具有50年以上的长寿命，本发明适用于中、短程100m～15km生产过程和大型土木工程监测和灾害预报监测。

附图说明

图1是全分布式光纤瑞利与拉曼散射光子应变、温度传感器的示意图。

具体实施方式

参照图1，全分布式光纤瑞利与拉曼散射光子应变、温度传感器，包括脉冲激光器10，集成型光纤波分复用器11，传感光纤12，三个光电接收模块13、14、15，数字信号处理器16，显示器17和报警器18，集成型光纤波分复用器11具有五个端口，其中1550nm输入端口与脉冲激光器10相连，COM输出端口与传感光纤12相连，1450nm输出端口与第一光电接收模块14的输入端相连，1660nm输出端口与第二光电接收模块13的输入端相连，1550nm输出端口与第三光电接收模块15的输入端相连，三个光电接收模块13、14、15的输出端分别与数字信号处理器16相连，数字信号处理器16的信号输出端连接显示

器17和报警器18。

其中，脉冲激光器采用中心波长为1550nm，光谱宽度为0.1nm，激光脉冲宽度为18ns，峰值功率为20W，重复频率为4kHz的脉冲激光器。铺设在现场的传感光纤为15公里长的涂碳光纤，空间分辨率为3米，具有1,5000个检测点。集成型光纤波分复用器为SZMX-WDM-3型集成型光纤波分复用器。数字信号处理器采用通用的信号处理卡，插在工业控制计算机内。

信号处理器可采用美国NI公司的100MHz带宽，100MS/s采集率的NI 5112型信号处理卡，或采用加拿大GaGe公司，500MS/s采集率的CS21GB-1GHz型信号处理卡。

Claims (3)

1.全分布式光纤瑞利与拉曼散射光子应变、温度传感器，其特征是包括脉冲激光器(10)、集成型光纤波分复用器(11)、传感光纤(12)、三个光电接收模块(13、14、15)、数字信号处理器(16)、显示器(17)和报警器(18)，集成型光纤波分复用器(11)具有五个端口，其中1550nm输入端口与脉冲激光器(10)相连，COM输出端口与传感光纤(12)相连，1450nm输出端口与第一光电接收模块(14)的输入端相连，1660nm输出端口与第二光电接收模块(13)的输入端相连，1550nm输出端口与第三光电接收模块(15)的输入端相连，三个光电接收模块(13、14、15)的输出端分别与数字信号处理器(16)相连，数字信号处理器(16)的信号输出端连接显示器(17)和报警器(18)。

2.根据权利要求1所述的全分布式光纤瑞利与拉曼散射光子应变、温度传感器，其特征是脉冲激光器(10)的中心波长为1550nm，光谱宽度为0.1nm，激光脉冲宽度为16ns，峰值功率为20W，重复频率为4kHz。

3.根据权利要求1所述的全分布式光纤瑞利与拉曼散射光子应变、温度传感器，其特征是传感光纤(12)为碳涂覆多模光纤。

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