CN102706477A - 一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置，包括布里渊光时域分析模块、探测光缆模块和光开关模块，布里渊光时域分析模块设置有脉冲激光输出端口和泵浦激光输出端口，光开关模块设置有两个光信号输入端口和两个光信号输出端口，探测光缆模块包含两根布里渊频移温度系数或者/和布里渊频移应变系数不同的两根末端连接的单模光纤，脉冲激光输出端口和泵浦激光输出端口分别与光开关模块的两个光信号输入端口连接，光开关模块的两个光信号输出端口分别与两根单模光纤的输入端连接，通过光开关模块的切换控制，分别测量两根光纤的布里渊频移分布，从而实现探测光缆温度和应变的同时测量，布里渊散射信号强，信噪比高，有效测量距离长。

Description

一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置及方法

技术领域

本发明涉及一种分布式光纤传感测量装置，尤其是涉及一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置及方法。

背景技术

光纤传感技术一种新型的传感技术，具有测量精度高、抗电磁干扰、本质安全、分布式测量等优点，在电力、石化、结构、消防等领域具有广泛应用。基于布里渊散射的分布式光纤传感器是近年来发展迅速的光纤传感器，其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，如对电缆的温度和应变的测量，尤其是基于受激布里渊散射效应的布里渊光时域分析仪(Brillouin Optical Domain Analysis，BOTDA)，采用环路光纤的光路结构，因受激散射信号被放大，测量距离可达数十公里，远高于其它类型的分布式光纤传感器，是目前分布式光纤传感器中最具应用前景的一种。但是，由于布里渊频移量对温度和应变同时敏感，且二者是线性相关的，因此在实际应用过程中会存在温度和应变交叉敏感的问题，因此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应用推广。

目前已报道的能同时测量温度和应变的相关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.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。

3.申请号为201010229960.7的发明专利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和方法，将两根温度系数和应变系数不同的测量光纤并列设置，通过光开关切换装置的切换得到每根测量光纤的布里渊频移值，再联立方程即可同时得出温度和应力变化量。但该方案需要实现4根光纤以实现2个光纤环路。

4.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形成一个光纤环路，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变变化量。但由于光纤存在损耗，光纤尾端的散射信号弱，从而导致布里渊频移测量噪声大，进而影响解调的温度和应变的测量精度，因此利用该方案可实现的测量距离有限。

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、高测量精度的能同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置及方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置，包括布里渊光时域分析模块、探测光缆模块，还包括光开关模块，所述的布里渊光时域分析模块设置有脉冲激光输出端口和泵浦激光输出端口，所述的光开关模块设置有两个光信号输入端口和两个光信号输出端口，所述的探测光缆模块包含两根布里渊频移温度系数或者/和布里渊频移应变系数不同的第一单模光纤和第二单模光纤，所述的第一单模光纤和所述的第二单模光纤末端连接，所述的布里渊光时域分析模块的脉冲激光输出端口和所述的泵浦激光输出端口分别与所述的光开关模块的两个光信号输入端口连接，所述的光开关模块的两个光信号输出端口分别与所述的第一单模光纤和第二单模光纤的输入端连接。

布里渊光时域分析模块是利用受激布里渊散射效应而制成的布里渊型连续分布式光纤传感器，该模块将脉冲激光和泵浦激光相向入射到光纤测量环路上，实现光纤分布式温度、应变测量。

探测光缆模块的第一单模光纤和第二单模光纤的始端作为探测光缆模块的输入端口，第一单模光纤和第二单模光纤的末端通过熔接或者适配器连接，第一单模光纤和第二单模光纤共同构成布里渊光时域分析模块的一个光纤测量环路。

通过控制光开关模块，使得布里渊光时域分析模块的脉冲激光选择先通过探测光缆模块的第一单模光纤还是先通过第二单模光纤。

一种使用上述的分布式光纤传感装置同时测量温度和应变的方法，它包括以下步骤：

(1)测量第一单模光纤的布里渊频移分布

通过控制光开关模块，使得布里渊光时域分析模块的脉冲激光选择先通过第一单模光纤，利用布里渊光时域分析模块测量得到第一单模光纤的布里渊频移分布Δv^A(z)。

(2)测量第二单模光纤的布里渊频移分布

通过控制光开关模块，使得布里渊光时域分析模块的脉冲激光选择先通过第二单模光纤，利用布里渊光时域分析模块测量得到第二单模光纤的布里渊频移分布Δv^B(z)。

(3)计算沿探测光缆分布的温度和应变值

根据步骤(1)、(2)得到的第一单模光纤和第二单模光纤的布里渊频移分布Δv^A(z)、Δv^B(z)，联立方程组计算沿探测光缆分布的温度值T(z)和应变值ε(z)：

$T\left(z\right)=\frac{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}^B\mathrm{\Δ}{v}^A\left(z\right)-{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}^A\mathrm{\Δ}{v}^B\left(z\right)}{{\mathrm{\κ}}_T^A{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}^B-{\mathrm{\κ}}_T^B{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}^A}$

$\mathrm{\ϵ}\left(z\right)=\frac{{\mathrm{\κ}}_T^B\mathrm{\Δ}{v}^A\left(z\right)-{\mathrm{\κ}}_T^A\mathrm{\Δ}{v}^B\left(z\right)}{{\mathrm{\κ}}_T^B{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}^A-{\mathrm{\κ}}_T^A{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}^B}$

式中

分别为第一单模光纤的布里渊频移温度系数和应变系数，

分别为第二单模光纤的布里渊频移温度系数和应变系数。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过一个具有两个光信号输入端口和两个光纤输出端口的光开关模块的切换控制，分别实现两根具有不同布里渊偏移温度系数或者布里渊偏移应变系数的单模光纤的布里渊频移测量，通过联立方程得到沿探测光缆分布温度和应变值，从本质上解决了布里渊光时域分析模块温度与应变交叉敏感问题，结构简单。由于两根单模光纤的布里渊频移测量时均为光纤环路的前端，布里渊散射信号强，信噪比高，有效的保证了在远距离光纤探测时的测量精度，增加了光纤的有效测量距离。

附图说明

图1为本发明一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置结构图。

图2为本发明温度和应变同时测量方法的基本流程框图。

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。

如图1所示，一种可同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置，包括布里渊光时域分析模块1，光开关模块2和探测光缆模块3。其中布里渊光时域分析模块1采用受激布里渊散射效应研制的分布式光纤传感模块，本实例选用宁波诺驰光电自主研发的产品NTB-50，其设置有两个输出端口11和12，其中端口11输出脉冲激光(probe)，端口12输出泵浦激光(pump)，脉冲激光和泵浦激光相向入射到传感光纤后，利用受激布里渊散射效应可实现沿光纤分布的布里渊频移量，从而可以实现分布式温度应变测量；光开关模块2采用2×2微机械光开关，其具有4个端口，分别为输入端口21和22、输出端口23和24，通过电路控制可选择两种光路，分别为平行光路21→23、22→24以及交叉光路21→24、22→23；探测光缆模块3包含有两根具有不同类型的第一单模光纤31和第二单模光纤32，其中这两根单模光纤的一端33和34作为探测光缆模块3的两个输入端，分别与光开关模块2的输出端23和24相连，这两根光纤的另一端35和36利用光纤接续盒37熔接在一起，本实施例中第一单模光纤31选用美国Corning公司的G652光纤，该光纤的布里渊偏移温度系数和应变系数分别为1.23MHz/K、0.050MHz/με，第二单模光纤32选用美国Corning公司的G655光纤，该光纤的布里渊偏移温度系数和应变系数分别为1.51MHz/K、0.053MHz/με，第一单模光纤31和第二单模光纤32的布里渊频移温度系数和应变都不同。

首先，通过电路控制开光开模块2，选择平行光路21→23和22→24，此时布里渊光时域分析模块1的端口11输出的脉冲激光经光开关的端口21和23，入射到探测光缆模块3的33端口，先经过第一单模光纤31(G652光纤)，然后经端口35、光纤接续盒37、端口36、第二单模光纤32(G655光纤)以及光开关模块2的端口24和22，最后入射到布里渊光时域分析模块1的泵浦激光器端口12，构成一个完整的光纤回路。由于脉冲激光先经过第一单模光纤31(G652光纤)，因此光开关模块2处于平行光路时，测量得到的是第一单模光纤31(G652光纤)的布里渊频移分布。

其次，通过电路控制开光开模块2，选择交叉光路21→24和22→23，此时布里渊光时域分析模块1的端口11输出的脉冲激光经光开关的端口21和24，入射到探测光缆模块3的34端口，先经过第二单模光纤32(G655光纤)，然后经端口36、光纤接续盒37、端口35、第一单模光纤31(G652光纤)以及光开关模块2的端口23和22，最后入射到布里渊光时域分析模块1的泵浦激光器端口12，构成一个完整的光纤回路。由于脉冲激光先经过第二单模光纤32(G655光纤)，因此光开关模块2处于交叉光路时，测量得到的是第二单模光纤32(G655光纤)的布里渊频移分布。

最后，利用第一单模光纤31(G652光纤)和第二单模光纤32(G655光纤)的布里渊频移分布以及这两种光纤的布里渊偏移温度系数和应变系数可计算得到沿探测光缆3分布的温度值T(z)和应变值ε(z)：

$T\left(z\right)=\frac{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}^B\mathrm{\Δ}{v}^A\left(z\right)-{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}^A\mathrm{\Δ}{v}^B\left(z\right)}{{\mathrm{\κ}}_T^A{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}^B-{\mathrm{\κ}}_T^B{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}^A}$

$\mathrm{\ϵ}\left(z\right)=\frac{{\mathrm{\κ}}_T^B\mathrm{\Δ}{v}^A\left(z\right)-{\mathrm{\κ}}_T^A\mathrm{\Δ}{v}^B\left(z\right)}{{\mathrm{\κ}}_T^B{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}^A-{\mathrm{\κ}}_T^A{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}^B}$

式中

分别为1.23MHz/K和1.51MHz/K，

分别为0.050MHz/με和0.053MHz/με。

本实施例采用两种具有不同布里渊偏移温度系数和应变系数的第一单模光纤31(G652光纤)和第二单模光纤32(G655光纤)实现了温度和应变的同时测量，从本质上解决了布里渊光时域分析模块温度与应变交叉敏感问题，结构简单。并且由于采用了2×2微机械光开关进行光路选择，保证了在测量第一单模光纤31(G652光纤)和第二单模光纤32(G655光纤)的布里渊频移分布时待测光纤均处于光纤环路的前端，布里渊散射信号强度大，信噪比高，从而保证了在远距离光纤探测时的测量精度，增加了光纤的有效测量距离。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，不应理解为对本发明保护范围的限制。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何形式的变形、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置，包括布里渊光时域分析模块、探测光缆模块，其特征在于在所述的布里渊光时域分析模块和所述的探测光缆模块之间设置有光开关模块，所述的布里渊光时域分析模块设置有脉冲激光输出端口和泵浦激光输出端口，所述的光开关模块设置有两个光信号输入端口和两个光信号输出端口，所述的探测光缆模块包含两根布里渊频移温度系数或者/和布里渊频移应变系数不同的第一单模光纤和第二单模光纤，所述的第一单模光纤和所述的第二单模光纤末端连接，所述的布里渊光时域分析模块的脉冲激光输出端口和所述的泵浦激光输出端口分别与所述的光开关模块的两个光信号输入端口连接，所述的光开关模块的两个光信号输出端口分别与所述的第一单模光纤和第二单模光纤的输入端连接。

2.如权利要求1所述的一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置，其特征在于所述的第一单模光纤和所述的第二单模光纤末端通过熔接或者光纤适配器连接。

3.如权利要求1所述的一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置，其特征在于通过控制所述的光开关模块，使得所述的布里渊光时域分析模块的脉冲激光选择先通过所述的第一单模光纤还是先通过所述的第二单模光纤。

4.一种使用权利要求1所述的分布式光纤传感装置同时测量温度和应变的方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)测量所述的第一单模光纤的布里渊频移分布

通过控制所述的光开关模块，使得所述的布里渊光时域分析模块的脉冲激光选择先通过所述的第一单模光纤，利用所述布里渊光时域分析模块测量得到所述的第一单模光纤的布里渊频移分布Δv^A(z)。

(2)测量所述的第二单模光纤的布里渊频移分布

通过控制所述的光开关模块，使得所述的布里渊光时域分析模块的脉冲激光选择先通过所述的第二单模光纤，利用所述的布里渊光时域分析模块测量得到所述的第二单模光纤的布里渊频移分布Δv^B(z)。

(3)计算沿探测光缆分布的温度和应变值

根据步骤(1)、(2)得到的所述的第一单模光纤和所述的第二单模光纤的布里渊频移分布Δv^A(z)、Δv^B(z)，联立方程组计算沿探测光缆分布的温度值T(z)和应变值ε(z)：

$T\left(z\right)=\frac{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}^B\mathrm{\Δ}{v}^A\left(z\right)-{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}^A\mathrm{\Δ}{v}^B\left(z\right)}{{\mathrm{\κ}}_T^A{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}^B-{\mathrm{\κ}}_T^B{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}^A}$

$\mathrm{\ϵ}\left(z\right)=\frac{{\mathrm{\κ}}_T^B\mathrm{\Δ}{v}^A\left(z\right)-{\mathrm{\κ}}_T^A\mathrm{\Δ}{v}^B\left(z\right)}{{\mathrm{\κ}}_T^B{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}^A-{\mathrm{\κ}}_T^A{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\ϵ}}^B}$

式中

分别为第一单模光纤的布里渊频移温度系数和应变系数，

分别为第二单模光纤的布里渊频移温度系数和应变系数。

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