CN101957244B - 高空间分辨力分布式光纤传感系统 - Google Patents

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本发明公开一种高空间分辨力分布式光纤传感系统，包括传感系统主机(4)和传感光纤(1)，其传感光纤包括至少一段扁平状的带状光缆(9)或至少一个光纤盘式传感探头(5)，带状光缆或光纤盘式传感探头中的传感光纤呈弯曲绕制状布置，传感系统空间分辨率的提高由光纤弯曲的方式、弯曲尺寸以及弯曲圈数决定。本发明不用改变传统分布式光纤传感系统主机的构造，仅仅通过增加光纤弯曲圈数的办法提高系统的空间分辨力，成本低廉，简单易行，效果明显。

Description

高空间分辨力分布式光纤传感系统
技术领域
本发明涉及一种分布式光纤传感系统，特别涉及一种高空间分辨力分布式光纤传感系统。
背景技术
近年来，由拉曼散射或者布里渊散射光时域反射测量仪构成的分布式光纤传感系统得到了很快的发展，其测量精度和测量距离基本上能满足大部分工程实用化的需求。但是，分布式光纤传感系统的空间分辨力(能准确测量被测物体传感量所需要的最短传感光纤长度)一般在1米左右，也就是说分布式光纤传感系统测量到的温度(应变)为1米范围内的平均值，如果测量的温度(应变)变化发生在一个很小的局部区域时(长和宽均小于1米)，将导致测量的温度(应变)低于实际值，而且温度(应变)变化区域的尺寸越小则偏差越大，这就成为了分布式光纤传感系统准确测量局部区域温度(应变)的瓶颈。为提高局部区域的测量精度，必须提高系统的空间分辨力。
提高空间分辨力的办法，一般是增加传感系统主机的信号采样频率，并降低分布式光纤传感系统中激光器的脉冲宽度。对于100MHz的采样频率和10ns的激光器脉冲宽度，所要求的最短传感光纤长度一般为1米；如果将采样频率提高到400MHz，同时将激光器的脉冲宽度降低到2.5ns，那么所要求的所要求的最短传感光纤长度将缩短到0.25米。在此情况下，进一步缩短传感光纤长度受到采样速率的进一步提高和激光器脉冲宽度进一步减小的限制，因此，这种解决方案的成本比较高，发展空间也受到限制。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种方法简单，成本低廉，且能有效提高空间分辨力的分布式光纤传感系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种高空间分辨力分布式光纤传感系统，包括传感系统主机(4)和传感光纤(1)，其特征在于：所述的传感光纤(1)包括至少一段扁平状的带状光缆(9)或至少一个光纤盘式传感探头(5)；所述带状光缆(9)或光纤盘式传感探头(5)中的传感光纤(1)呈弯曲绕制状布置。
所述带状光缆(9)或光纤盘式传感探头(5)中的传感光纤(1)，包括至少一根纤芯，传感光纤类型为单模或多模光纤。
所述扁平状的带状光缆(9)包括带状光纤护套(2)和置于护套内的传感光纤(1)，带状光缆(9)中的传感光纤(1)呈弯曲绕制状布置，其为由一个光纤圈或两个以上的光纤圈串联而成，光纤圈的形状为椭圆形、圆形、8字形、螺旋形和正弦波形中的一种，或者上述形状的任意组合。
所述光纤盘式传感探头(5)包括光纤盘式传感探头封装外壳(3)和置于外壳内的传感光纤(1)，光纤盘式传感探头(5)中的传感光纤(1)呈弯曲绕制状布置，其为由一个光纤圈或两个以上的光纤圈串联而成，光纤圈的形状为椭圆形、圆形、8字形、螺旋形和正弦波形中的一种，或者上述形状的任意组合。
所述传感系统主机(4)为拉曼散射或布里渊散射光时域反射测量装置。
所述传感系统主机(4)与传感光纤(1)的一端相连，构成单端测量方式；或与传感光纤(1)的首末端相连，构成双端测量方式。
本发明技术方案提供的传感系统空间分辨率由光纤弯曲的方式，弯曲尺寸以及弯曲圈数决定。
本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、由于采用了将光纤呈弯曲绕制状布置的技术方案，增加了传感光纤的有效长度，可以提高光纤传感系统探测局部区域内的温度(应变)的能力，也就是提高了空间分辨力。
2、本发明提出的光纤盘式传感探头由于其体积比较小，相当于一个点式的传感探头，因而形成了一种利用分布式光纤传感机理构成点式传感器的方法，也就是说利用现有的分布式光纤传感技术，通过采用光纤盘式的传感探头可以形成分布式与点式相结合的传感系统。一个分布式传感系统相当于数百个点式传感头串联构成的点式传感系统。
3、由于仅仅通过增加光纤弯曲的圈数就可以十倍，数十倍地增加空间分辨力，本发明的技术方案具有成本低廉，简单易行，效果明显的特点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的高空间分辨力分布式光纤传感系统示意图；
图2～图6为本发明实施例提供的高空间分辨力分布式光纤传感系统中各种呈弯曲状布置的传感光纤的结构示意图；
其中，1、传感光纤；2、带状光纤护套；3、光纤盘式传感探头封装外壳；4、传感系统主机；5(6，7，8)、光纤盘式传感探头；9、带状光缆。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1所示，它是本实施例提供的高空间分辨力分布式光纤传感系统示意图；该系统包括传感主机4和传感光纤1，传感光纤1的首尾端与传感系统主机4相连，构成双端测量方式。
传感光纤1由一段带状光缆9，以及四个光纤盘式传感探头5，6，7，8串联而成，其中带状光缆9，光纤盘式传感探头5，6内部光纤的绕制方式为椭圆形，绕制方法参见附图2，它是本实施例提供的呈弯曲状布置的传感光纤的结构示意图；其具体绕制路径为：光纤从a开始，经b到达c，再到达d，再到达e，再到达b，再到达c，再到达d，最终到达f，完成一个椭圆单元的敷设。其中，过程从b到达c，再到达d，再到达e，再到达b，可重复多次。到达f后则开始下一个椭圆单元的绕制过程，以此类推。对于图1中的带状光缆9，包含多个椭圆单元，而光纤盘式传感探头5和6只包含一个椭圆单元。光纤盘式传感探头7和8只包含一个圆形单元。
带状光纤的护套材料可以有多种，如使用阻燃PVC，LSZH等材料，光纤可以用裸光纤或者紧套光纤绕制，光纤绕制成椭圆单元后可以用导热硅胶固定在光纤护套中。光纤盘式传感探头的封装外壳材料也有多种，比如可以采用铝，氧化铝陶瓷等材料，光纤绕制完椭圆或者圆形单元后可以用导热硅胶固定。
图2中，带状传感光缆的最小宽度与光纤的最小曲率半径有关，如果采用康宁公司ClearCurve抗弯曲单模光纤(弯曲半径为15mm)，再加上封装外套的厚度约2mm，图2中带状传感光缆的最小宽度可做到34mm，厚度可以做到小于2-6mm。在实际应用中，分布式光纤传感系统一般要求光纤的总损耗不超过10dB，对图2的光纤绕制方案中的损耗进行估算如下(以康宁ClearCurve抗弯曲单模光纤为例：10圈直径为30mm光纤的损耗小于0.01dB)：
采用本实施例图2中的光纤绕法，带状传感光缆内光纤椭圆的长轴长度为0.1m，宽度为30mm，里面绕制的每圈光纤计算长度为23.4cm，椭圆单元的总长度最小为系统本身的空间分辨力，假定为2米，计算得出光纤的绕制圈数为8.5圈(假定实际绕制圈数为9圈)，其损耗小于0.009dB。如果带状传感光缆的长度为50米(包含相互串联的500个椭圆环)，总的弯曲损耗为9dB(来回)。光纤总长度计算为1053米，单模光纤在1550nm处的损耗为～0.25dB/km，光在1053米的光纤里来回的损耗为～0.5dB，带状光缆总的损耗为9dB+0.5dB＝9.5dB，小于总的容许损耗10dB，因此实施例一中可以接50米长的图2所示的带状光缆，该带状光缆的空间分辨力为0.1-0.2米，与原系统相比提高了10-20倍。
对于光纤盘式传感探头5，6，按照图2的椭圆绕法，包含一个椭圆单元，光纤的绕制圈数为9圈，损耗按照上文的估计为0.009dB，其尺寸大概为34×110mm，类似于一个点式的光纤传感探头。对于7，8的光纤盘式传感探头，内部光纤的绕制方法为圆形，假定圆的直径为30mm，绕制2米长光纤的圈数计算为21圈，总的损耗估计为0.02dB。如果总的容许损耗为10dB，圆形的光纤盘式传感探头可以串联250个，传感探头的尺寸估计在34mm左右。椭圆绕法的光纤盘式传感探头可以串联555个。因此分布式传感系统可以接数百个光纤盘式的传感探头，此时一个分布式的传感系统相当于一个数百个点式传感头串联构成的点式传感系统。
参见附图3，它是本实施例提供的另一种呈弯曲状布置的传感光纤的结构示意图；其圆形带状光缆绕制路径：光纤从a开始，经b到达c，再到达d，再到达e，再到达b，再到达c，再到达d，最终到达f，完成一个圆形单元的敷设。其中，过程从b到达c，再到达d，再到达e，再到达b，可重复多次。到达f后则开始下一个圆形单元的绕制过程，以此类推。
参见附图4，它是本实施例提供的另一种呈弯曲状布置的传感光纤的结构示意图；其“8”字形带状光缆绕制路径为：光纤从a开始，经b到达c，再到达d，再到达e，再到达f，再到达g，再到达d，再到达h，再到达b，再到达c，再到达d，再到达e，再到达f，最终到达i，完成一个“8”字形单元的敷设。其中，从b到达c，再到达d，再到达e，再到达f，再到达g，再到达d，再到达h，再到达b，再到达c，再到达d，再到达e，再到达f，可重复多次。到达i后则开始下一个“8”字形单元的绕制过程，以此类推。
参见附图5，它是本实施例提供的另一种呈弯曲状布置的传感光纤的结构示意图；其螺旋形带状光缆绕制路径为：光纤从a开始，经b到达c，再到达d，再到达e，再到达b，再到达c，再到达f，再到达g，再到达h，再到达i，再到达f，最终到达j，完成一个螺旋形单元的敷设。其中过程从b到达c，再到达d，再到达e，再到达b，再到达c，和过程从f到达g，再到达h，再到达i，再到达f，均可重复多次。到达j后则开始下一个螺旋形单元的绕制过程，以此类推。
参见附图6，它是本实施例提供的另一种呈弯曲状布置的传感光纤的结构示意图；其正弦波形带状光缆绕制路径为：光纤从a开始，经b到达c，再到达d，最终到达e，完成一个正弦波形单元的敷设。到达e后则开始下一个正弦波形单元的绕制过程，以此类推。
从上述实施例可以看出，与现有技术相比，采用本发明技术方案，不用改变传统分布式光纤传感系统主机的构造，就可以将系统的空间分辨率提高十几倍，并且可以利用光纤盘式传感探头形成基于分布式光纤传感原理的点式传感系统，构成分布式与点式相结合的传感系统，本发明实施方法简单，成本低廉，效果明显。

Claims (4)

1.一种高空间分辨力分布式光纤传感系统，包括传感系统主机(4)和传感光纤(1)，其特征在于：所述的光纤传感系统包括至少一段扁平状的带状光缆(9)或者至少一个光纤盘式传感探头(5)；所述扁平状的带状光缆(9)包括带状光纤护套(2)和置于护套内的传感光纤(1)；所述光纤盘式传感探头(5)包括光纤盘式传感探头封装外壳(3)和置于外壳内的传感光纤(1)；所述的传感光纤(1)呈弯曲绕制状布置，其为由一个光纤圈或两个以上的光纤圈串联而成，光纤圈的形状为椭圆形、圆形、8字形，螺旋形和正弦波形中的一种，或者上述形状的任意组合。 
2.根据权利要求1所述的一种高空间分辨力分布式光纤传感系统，其特征在于：所述带状光缆(9)或光纤盘式传感探头(5)中的传感光纤(1)，包括至少一根纤芯，传感光纤类型为单模或多模光纤。 
3.根据权利要求1所述的一种高空间分辨力分布式光纤传感系统，其特征在于：所述传感系统主机(4)为拉曼散射或布里渊散射光时域反射测量装置。 
4.根据权利要求1所述的一种高空间分辨力分布式光纤传感系统，其特征在于：所述传感系统主机(4)与传感光纤(1)的一端相连，构成单端测量方式，或与传感光纤(1)的首尾端相连，构成双端测量方式。 
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