CN101900611B - 使用分布式光纤传感器同时测量温度和应力的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用分布式光纤传感器同时测量温度和应力的装置，包括布里渊散射型光纤传感单元和并列设置的至少两根温度系数和应力系数不同的测量光纤，特点是布里渊散射型光纤传感单元与测量光纤之间设置有光开关切换装置，通过光开关切换装置的切换来得到每根测量光纤的布里渊频移值，优点是未改变原有布里渊散射型光纤传感单元检测原理，可保持布里渊散射型光纤传感器探测距离长，空间分辨率高的优势，在长距离传感情况下保持了原有布里渊散射型光纤传感单元的高温度/应力分辨率，控制容易，实现简单，测量光纤数量易拓展。

Description

使用分布式光纤传感器同时测量温度和应力的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种使用分布式光纤传感器的测量装置，尤其是涉及一种使用分布式光纤传感器同时测量温度和应力的装置及方法。

背景技术

基于布里渊散射的分布式光纤传感器近年来发展迅速。这类传感器通过检测光纤各位置背向自发或受激布里渊散射光相对入射光的频移量来实现分布式传感器对各种参数的测量，其优点是传感距离长，空间分辨率高。常规的应用如对电缆的温度测量和应力测量。但是，由于布里渊频移量对温度和应力两物理量同时敏感，且与二者线性相关，因此在实际应用中存在温度应力交叉敏感问题，即很难从最终得到的布里渊频移量中分离出温度和应力各自引起的变化量，严重阻碍了此类传感器的工程推广。目前通常采用的解决技术有以下几种：

1.散射光强度和频移的双参量法(J.Smith et al，″Simultaneous distributed strain andtemperature measurement，″Appl.Opt，38：5372-5377，1999)：这类方法同时测量背向散射光强度和频移量，联立方程解出温度和应力变化量。但布里渊光强度的测量限制了传感器的探测距离，而且光强度检测易受到外界扰动，光源输出功率抖动以及偏振态漂移等问题的影响。

2.Landau-Placzek比率法(P.C.Wait and T.P.Newson，″Landau Placzek ratio applied todistributed fibre sensing，″Optics Communications，122(4-6)：141-146，1996)：这类方法同时测量布里渊散射光强度和对应力不敏感的瑞利散射光强度，通过计算二者比值(Landau-Placzek比率)提取温度变化量。但瑞利散射光的测量限制了传感器的探测长度以及空间分辨率，同时系统复杂度显著提高。

3.特殊光纤法(X.Bao，Q.Yu and L.Chen，″Simultaneous strain and temperaturemeasurements with polarization-maintaining fibers and their error analysis by use of adistributed Brillouin loss system，″Optics letters，29(12)：1342-1344，2004)：这类方法采用保偏光纤、光子晶体光纤、大有效面积光纤等特殊光纤区分温度应力两物理量，但由于特殊光纤大都价格昂贵，因此用于长距离传感应用成本过高。

专利号为US 7599047B2的美国专利公开了一种新的装置和方法，采用折射率不同的两根光纤，将两根折射率不同光纤利用分路器连接或直接焊接在一起，由于两光纤布里渊频移温度系数和应力系数不同，因此通过分别测量两光纤在同一位置的布里渊频移量，联立方程可同时解出该位置温度和应力变化量。但该专利存在以下不足：

(1)两根光纤两端用分路器连接在一起的方法需要两光纤的布里渊频移峰值相隔一定距离，严重限制了光纤的可用种类；

(2)两根光纤焊接在一起的方法，在未提高传感器实际测量长度的情况下增加了测量光纤长度(变为原来2倍)，在长距离测量情况下会严重降低温度/应力测量分辨率；

(3)该专利中提到的两种方法均不利于扩展到多根光纤的情况。

综上所述，现有的克服温度应力交叉敏感问题的方法均无法完全满足长距离、高空间分辨率分布式传感的工程需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适合长距离、高空间分辨率分布式传感工程应用，成本低、易实现的使用分布式光纤传感器同时测量温度和应力的装置及方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种使用分布式光纤传感器同时测量温度和应力的装置，包括布里渊散射型光纤传感单元和并列设置的至少两根温度系数和应力系数不同的测量光纤，所述的布里渊散射型光纤传感单元为双端口配置，所述的布里渊散射型光纤传感单元与所述的测量光纤之间设置有第一光开关和第二光开关，所述的第一光开关和所述的第二光开关均具有一个输入端和多个输出端，所述的第一光开关的输入端与所述的布里渊散射型光纤传感单元的第一端口连接，所述的第二光开关的输入端与所述的布里渊散射型光纤传感单元的第二端口连接，所述的测量光纤的一端连接在所述的第一光开关的输出端上，所述的测量光纤的另一端连接在所述的第二光开关的输出端上，通过所述的第一光开关和所述的第二光开关的切换来得到每根所述的测量光纤的布里渊频移值。

所有的所述的测量光纤可以设置在同一根光缆内部。

所述的测量光纤可以为两根。

一种使用分布式光纤传感器同时测量温度和应力的方法，它包括以下步骤：在被测量物体沿线并列设置至少两根温度系数和应力系数不同的测量光纤，在布里渊散射型光纤传感单元与所述的测量光纤之间设置第一光开关和第二光开关，所述的布里渊散射型光纤传感单元为双端口配置，所述的第一光开关和所述的第二光开关均具有一个输入端和多个输出端，所述的第一光开关的输入端与所述的布里渊散射型光纤传感单元的第一端口连接，所述的第二光开关的输入端与所述的布里渊散射型光纤传感单元的第二端口连接，所述的测量光纤的一端连接在所述的第一光开关的输出端上，所述的测量光纤的另一端连接在所述的第二光开关的输出端上，利用所述的第一光开关和所述的第二光开关之间的切换使所述的布里渊散射型光纤传感单元分别与每根测量光纤连接，检测得到每根测量光纤的布里渊频移值Δυ_Bn，记为公式

式中n为正整数，

为该根测量光纤的布里渊频移温度系数，

为该根测量光纤的布里渊频移应力系数，ΔT和Δε分别为所检测位置的温度变化量和应力变化量，联立任意两根测量光纤的布里渊频移值与温度变化量、应力变化量关系方程，同时得到测量光纤沿线各处的温度变化量和应力变化量。

与现有技术相比，本发明的优点在于

1、由于未改变原有布里渊散射型光纤传感单元检测原理，仍然是检测背向布里渊散射光频移，因此可保持布里渊散射型光纤传感器探测距离长，空间分辨率高的优势；2、由于采用光开关控制不同测量光纤的切换，因此没有增加测量光纤长度，在长距离传感情况下保持了原有布里渊散射型光纤传感单元的高温度/应力分辨率；3、由于不同光开关同步通断，因此控制容易，实现简单；4，由于通过联立布里渊频移量与温度变化量、应力变化量关系方程同时解出温度变化量和应力变化量，因此测量装置的信号处理算法易实现；5、由于对各个测量光纤的布里渊频移峰值间隔没有要求，因此可选择光纤种类范围广，如测量光纤可为纤芯不同锗掺杂单模光纤，成本低，适合长距离传感应用；6、由于增加测量光纤时只需要更换光开关即可，因此拓展容易。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例二的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：如图1所示，一种使用分布式光纤传感器同时测量温度和应力的装置，包括布里渊散射型光纤传感单元1、第一测量光纤4和第二测量光纤5；第一测量光纤4和第二测量光纤5并列设置；第一测量光纤4具有第一布里渊频移温度系数

和第一布里渊频移应力系数

第二测量光纤5具有第二布里渊频移温度系数

和第二布里渊频移应力系数第一布里渊频移温度系数

不等于第二布里渊频移温度系数

第一布里渊频移应力系数不等于第二布里渊频移应力系数并且

布里渊散射型光纤传感单元1设置有一个端口3，端口3接有光开关2，光开关2采用1*2电控型电控光开光，设置有一个输入端21和两个输出端22、23，端口3与输入端21连接，第一测量光纤4和第二测量光纤5的一端为使用端分别采用标准FC/APC接头6、7与光开关2的两个输出端22、23连接，第一测量光纤4和第二测量光纤5的另一端为闲置端不作特殊处理。测量时，将第一测量光纤4和第二测量光纤5并行设置在被测量的物体沿线，利用光开关2进行切换先使端口3与第一测量光纤4连接，检测得到第一测量光纤4的布里渊频移值Δυ_B1，记为式1：

然后切换光开关2使端口3与第二测量光纤5连接，检测得到第二测量光纤5的布里渊频移值Δυ_B2，记为式2：

两式中ΔT和Δε分别为所检测位置的温度变化量和应力变化量，联立两根测量光纤的布里渊频移值与温度变化量、应力变化量的关系方程即式1和式2，则可同时得到测量光纤沿线各处的温度变化量为：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{C_1^{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_{B2}-C_2^{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_{B1}}{C_1^{\mathrm{\ϵ}}{C}_2^T-C_1^T{C}_2^{\mathrm{\ϵ}}}$

应力变化量为：

$\mathrm{\Δ\ϵ}=\frac{C_1^T\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_{B2}-C_2^T\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_{B1}}{C_1^T{C}_2^{\mathrm{\ϵ}}-C_1^{\mathrm{\ϵ}}{C}_2^T}$

实施例二：如图2所示，一种使用分布式光纤传感器同时测量温度和应力的装置，包括布里渊散射型光纤传感单元1、第一测量光纤4和第二测量光纤5；第一测量光纤4和第二测量光纤5并列设置；第一测量光纤4具有第一布里渊频移温度系数

和第一布里渊频移应力系数

第二测量光纤5具有第二布里渊频移温度系数

和第二布里渊频移应力系数

第一布里渊频移温度系数

不等于第二布里渊频移温度系数

第一布里渊频移应力系数

不等于第二布里渊频移应力系数

并且

布里渊散射型光纤传感单元1设置有第一端口10和第二端口11，第一端口10连接有第一光开关2，第二端口11连接有第二光开关3，第一光开关2和第二光开关3均采用1*2电控型电控光开光，第一光开关2设置有一个输入端21和两个输出端22、23，第二光开关3设置有一个输入端31和两个输出端32、33，第一端口10与第一光开关2的输入端21连接，第二端口11与第二光开关3的输入端31连接，第一测量光纤4的一端和第二测量光纤5的一端分别采用标准FC/APC接头6、7与第一光开关2的两个输出端22、23连接，第一测量光纤4和第二测量光纤5的另一端分别采用标准FC/APC接头8、9与第二光开关3的两个输出端32、33连接。测量时，将第一测量光纤4和第二测量光纤5并行设置在待测量的物体(如电缆)沿线，利用第一光开关2和第二光开关3进行切换使第一端口10和第二端口11分别与第一测量光纤4的两端连接，检测得到第一测量光纤4的布里渊频移值Δυ_B1，记为式1：然后切换第一光开关2和第二光开关3使第一端口10和第二端口11分别与第二测量光纤5的两端连接，检测得到第二测量光纤5的布里渊频移值Δυ_B2，记为式2：

两式中ΔT和Δε分别为所检测位置实际温度和应力变化量，联立两根测量光纤的布里渊频移值与温度变化量、应力变化量的关系方程即式1和式2，则可同时得到测量光纤沿线各处的温度变化量为：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{C_1^{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_{B2}-C_2^{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_{B1}}{C_1^{\mathrm{\ϵ}}{C}_2^T-C_1^T{C}_2^{\mathrm{\ϵ}}}$

应力变化量为：

$\mathrm{\Δ\ϵ}=\frac{C_1^T\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_{B2}-C_2^T\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_{B1}}{C_1^T{C}_2^{\mathrm{\ϵ}}-C_1^{\mathrm{\ϵ}}{C}_2^T}.$

Claims (4)

1.一种使用分布式光纤传感器同时测量温度和应力的装置，包括布里渊散射型光纤传感单元和并列设置的至少两根温度系数和应力系数不同的测量光纤，其特征在于所述的布里渊散射型光纤传感单元为双端口配置，所述的布里渊散射型光纤传感单元与所述的测量光纤之间设置有第一光开关和第二光开关，所述的第一光开关和所述的第二光开关均具有一个输入端和多个输出端，所述的第一光开关的输入端与所述的布里渊散射型光纤传感单元的第一端口连接，所述的第二光开关的输入端与所述的布里渊散射型光纤传感单元的第二端口连接，所述的测量光纤的一端连接在所述的第一光开关的输出端上，所述的测量光纤的另一端连接在所述的第二光开关的输出端上，通过所述的第一光开关和所述的第二光开关的切换来得到每根所述的测量光纤的布里渊频移值。

2.如权利要求1所述的使用分布式光纤传感器同时测量温度和应力的装置，其特征在于所有的所述的测量光纤设置在同一根光缆内部。

3.如权利要求1所述的使用分布式光纤传感器同时测量温度和应力的装置，其特征在于所述的测量光纤为两根。

4.一种使用分布式光纤传感器同时测量温度和应力的方法，其特征在于它包括以下步骤：在被测量物体沿线并列设置至少两根温度系数和应力系数不同的测量光纤，在布里渊散射型光纤传感单元与所述的测量光纤之间设置第一光开关和第二光开关，所述的布里渊散射型光纤传感单元为双端口配置，所述的第一光开关和所述的第二光开关均具有一个输入端和多个输出端，所述的第一光开关的输入端与所述的布里渊散射型光纤传感单元的第一端口连接，所述的第二光开关的输入端与所述的布里渊散射型光纤传感单元的第二端口连接，所述的测量光纤的一端连接在所述的第一光开关的输出端上，所述的测量光纤的另一端连接在所述的第二光开关的输出端上，利用所述的第一光开关和所述的第二光开关之间的切换使所述的布里渊散射型光纤传感单元分别与每根测量光纤连接，检测得到每根测量光纤的布里渊频移值Δυ_Bn，记为公式

式中n为正整数，为该根测量光纤的布里渊频移温度系数，

为该根测量光纤的布里渊频移应力系数，ΔT和Δε分别为所检测位置的温度变化量和应力变化量，联立任意两根测量光纤的布里渊频移值与温度变化量、应力变化量关系方程，同时得到测量光纤沿线各处的温度变化量和应力变化量。

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