CN102980681A - 一种基于布里渊散射的分布式应变和温度光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于布里渊散射的分布式应变和温度光纤传感器，包括光源、电光调制器、脉冲信号源、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、环形器、第一光耦合器、第二光耦合器、双平衡探测器、信号处理系统和传感光纤，传感光纤中包含有一个长周期光纤光栅，传感光纤为全固光子晶体带隙光纤。光源输出光分为两路，其中一路用电光调制器调制成探测脉冲光，并经过掺铒光纤放大器放大，通过环形器输入传感光纤。本发明的光纤传感器通过单次测量就能够同时获得高分辨率的温度和应变，能够很好的解决布里渊传感器测量时存在的交叉敏感问题。

Description

一种基于布里渊散射的分布式应变和温度光纤传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于布里渊散射的分布式应变和温度光纤传感器。

背景技术

布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程，布里渊散射与入射光之间具有一定的频差，该频差与温度和应变之间具有良好的线性关系，同时其功率与温度成正比关系。光纤作为传感介质，具有体积小、重量轻、抗电磁干扰以及易于组网等优点。通过测量光纤中的布里渊频谱可以实现环境中温度和应变的分布式传感，这在桥梁、隧道、水库水坝、高速公路、大型设施等建筑物的传感中受到越来越多的重视，许多基于光纤布里渊散射的分布式传感技术应运而生，并且在传感距离和传感精度上都有很大突破。

然而传统的基于布里渊散射的传感器，由于受到所用传感光纤自身结构的限制，虽然它对温度和应变都敏感，但是很难通过单次测量实现温度和应变的分离，使得这种传感技术的实用场合受到很大限制，这种现象，称为布里渊传感器的“交叉敏感”问题。为了解决这一问题，已经进行了多种尝试。例如同时采用两根光纤作为传感介质，使其中一根参考光纤始终处于松弛状态，然后分别测量两根光纤的布里渊频谱，通过对比两次测量的结果，实现温度和应变的分离，这种方法，需要两根状态不同的光纤，并且需要两次测量，不仅耗费时间长而且实际应用中光纤铺设也比较困难。另外一种是同时考虑布里渊频谱功率和频率变化的方法，该方法涉及到功率的测量，因此对激光器功率稳定性要求非常高，而且测量精度较低。此外，现有技术中还公开采用了特种光纤（如光子晶体光纤，非零色散位移光纤等）产生多个布里渊散射峰来解决应变和温度的交叉问题，它利用了光场直径大于所用光纤的纤芯的物理直径的特点，由于光场范围内光纤径向的有效折射率有变化，不同的折射率对应不同的布里渊频移，因此会产生多个布里渊峰。对于诸如色散位移光纤等普通的纤芯小的单模光纤而言，由于光场的大部分能量都会集中在高折射率的纤芯部分，因此扩散到纤芯附近低折射率部分的光能量很弱，其对应的布里渊峰也非常弱。而对于基于空气孔的光子晶体光纤，其空气孔在一定程度上是抑制了产生后向布里渊散射的声光效应，因此除分布在玻璃材质纤芯内的光场产生的布里渊峰较强外，其它布里渊峰的功率都非常弱，被测布里渊散射信号的信噪比较差，降低了系统的分辨率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于布里渊散射的分布式应变和温度光纤传感器，该光纤传感器能够很好的解决布里渊频移中应变和温度之间的交叉敏感问题。即本发明方法的光纤传感器通过单次测量就能同时获得高分辨率及高精度的温度和应变。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种基于布里渊散射的分布式应变和温度光纤传感器，包括光源、电光调制器、脉冲信号源、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、环形器、第一光耦合器、第二光耦合器、双平衡探测器、信号处理系统和传感光纤；

所述光源与第一光耦合器输入端连接，第一光耦合器输出端口通过电光调制器与第一掺铒光纤放大器连接；第一掺铒光纤放大器和环形器相连；环形器一端接入到光纤，另一端与滤波器相连；滤波器通过第二掺铒光纤放大器与第二光耦合器的输入端连接；第一光耦合器的输出端和第二掺铒光纤放大器分别与第二光耦合器输入端相连；第二光耦合器输出端通过双平衡探测器与信号处理系统连接；所述脉冲信号源与电光调制器连接；

所述传感光纤中包含有一个长周期光纤光栅，所述传感光纤为全固光子晶体带隙光纤。

优选的，所述光源为窄线宽激光光源。

优选的，所述第二光耦合器为50：50的耦合器。

优选的，所述传感光纤中的长周期光纤光栅是通过CO₂激光器写入的。

优选的，所述传感光纤中写入的长周期光纤光栅的共振频率和传感光纤的入射光频率相同。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

（1）本发明采用带有长周期光纤光栅的全固光子晶体带隙光纤代替普通的光纤作为传感光纤，由于全固光子晶体带隙光纤的纤芯和包层材料的热效应不同，故纤芯和包层对温度和应变的响应不一样，因此两种材料中所激发的布里渊散射对温度和应变具有不同的响应，且全固光子晶体带隙光纤中的长周期光纤光栅将入射光同时耦合到传感光纤的纤芯模和包层模中，使得传输到包层模部分的光能量明显变强，从而可以在包层模和纤芯模中得到较强的布里渊散射峰，使得本发明的光纤传感器通过单次测量就可以获得高分辨率的温度和应变，很好的解决布里渊传感器测量时存在的交叉敏感问题。

（2）本发明采用的全固光子晶体带隙光纤的纤芯和包层材料为不同参杂的二氧化硅材料，均可以获得较好的声光叠加效果，有利于增强布里渊效应，因此光纤纤芯模和包层模中均可以产生信噪比较高的布里渊散射光，进一步有利于温度和应变的高分辨率测量。

（3）本发明全固光子晶体带隙光纤的包层结构使得在包层中传输的光传输损耗非常小，因此可以进行较长距离的传输。

附图说明

图1是本发明光纤传感器结构组成示意图。

图2是本发明光纤中的长周期光纤光栅的导光原理图。

图3是本发明光纤传感器探测到的布里渊频谱图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实施例公开的一种基于布里渊散射的分布式应变和温度光纤传感器，包括窄线宽激光光源1、电光调制器3、第一掺铒光纤放大器4、第二掺铒光纤放大器12、环形器5、第一光耦合器2、第二光耦合器13、双平衡探测器9、信号处理系统10、传感光纤7和脉冲信号源11，其中本实施例采用的传感光纤7为全固光子晶体带隙光纤，全固光子晶体带隙光纤中写入有一个长周期光纤光栅6，本实施例的传感光纤7也可以用其它包层模传输损耗较小，且包层和纤芯材料对温度和应变响应有差别的光纤。

光源1与第一光耦合器2输入端连接，第一光耦合器2输出端口通过电光调制器3与第一掺铒光纤放大器4连接；第一掺铒光纤放大器4和环形器5相连；环形器5一端接入到传感光纤7，另一端与滤波器8相连；滤波器8通过第二掺铒光纤放大器12与第二光耦合器13输入端连接；第一光耦合器2的输出端与第二掺铒光纤放大器12相连并接入第二光耦合器13的输入端；第二光耦合器13输出端通过双平衡探测器9与信号处理系统10连接；其中脉冲信号源11与电光调制器3连接。

光源1输出光经过第一光耦合器2分为两路，其中一路用电光调制器3调制成脉冲光信号，并经过第一掺铒光纤放大器4放大，被放大的光信号作为泵浦光通过环形器5输入长周期光栅6并耦合到传感光纤7的包层模和纤芯模中。泵浦光在传感光纤的纤芯模14和包层模15分别激发出布里渊散射光，由于布里渊散射光的传输方向与泵浦光的传输方向相反，因此纤芯模14和包层模15中的一部分布里渊散射光会经过长周期光纤光栅6耦合到纤芯模中，并通过环形器5输入滤波器8，滤波器8将信号中的瑞利散射和系统中的端面反射光滤除，滤波后的光信号经过第二掺铒光纤放大器12进行放大，最后与光源1输出的另外一路光经过50/50的第二光耦合器13进行混频，得到中心频率约为11GHz左右的布里渊信号，这个频率的信号可以被带宽为15GHz的双平衡探测器9进行探测，最后用信号处理系统10对双平衡探测器探测到的信号进行扫频采样处理，最终获得布里渊频谱在光纤不同位置的分布情况。通过计算不同位置的布里渊频谱的频移，可以判断出光纤沿线温度和应力的分布。脉冲信号源11为电光调制器3提供脉冲信号，同时为信号处理系统提供采样触发信号。

如图2所示为传感光纤入射端的长周期光纤光栅导光原理示意图。传感光纤中的长周期光纤光栅是通过CO₂激光器写入的，该长周期光纤光栅的共振频率与传感光纤中入射光的频率相同。由于传感光纤的纤芯和包层材料的热效应不同，故纤芯和包层对温度和应变的响应不一样，因此在传感光纤的纤芯模14和包层模15中所激发的布里渊散射光的频率对温度和应变具有不同的响应。传感光纤中的长周期光纤光栅同时激发纤芯模和包层模中的布里渊散射，首先它将传感光纤中的前向传输的泵浦光耦合到传感光纤的包层模和纤芯模中，耦合到包层模和纤芯模的泵浦光能量的比例由长周期光纤光栅的制作深度决定。被耦合到纤芯模和包层模中传输的泵浦光能量分别激发出后向传输的布里渊散射光，这部分散射光的能量传输时会再次经过长周期光纤光栅，由于光路是可逆的，后向传输的纤芯模和包层模中的布里渊散射光的部分能量会耦合到纤芯模中，此时在纤芯模中与泵浦光反向传输的光中就包含了包层模和纤芯模中激发的布里渊散射光。由于在纤芯模中传输的光可以以很小的损耗耦合到其它光纤器件（如环形器等）的单模尾纤中，并在各光纤器件中传输损耗都很小。因此双平衡探测器可以同时检测到纤芯模和包层模中产生的布里渊散射光，并且检测到的布里渊散射峰的也较强。

其中上述的泵浦光是指经过环形器5输入到传感光纤的光，它的能量等于光源1的输出光经过第一光耦合器2分束后，再通过电光调制器调制成脉冲光，然后经过第一掺铒光纤放大器4放大，最后通过环形器5输入传感光纤的能量。

如图3所示为本实施例探测到的布里渊散射光的频谱图，其中峰a为纤芯模散射光的布里渊散射峰，峰b为包层模散射光的布里渊散射峰。分别测量不同温度下两个峰的频移，经过线性拟合得到两个布里渊散射峰的频移温度系数。分别测量不同应变下两个峰的频移，经过线性拟合得到两个布里渊散射峰的应变系数。其中本实施例这两个布里渊散射峰的频移温度系数分别为1.12MHZ/oC和0.7MHZ/oC，应变系数分别为0.050MHZ/με和0.036MHZ/με。在测得两个布里渊散射峰频移变化量

和的基础上，利用这两个布里渊散射峰的频移应变系数和频移温度系数，构建一个频移随应变和温度的变化关系式，具体为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ\ϵ}\\ \mathrm{\ΔT}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δv}}_B^a\\ {\mathrm{\Δv}}_B^b\end{array}\right]{\left[\begin{array}{cc}{C}_{\mathrm{\ϵ}}^a& C_T^a\\ C_{\mathrm{\ϵ}}^b& C_T^b\end{array}\right]}^{-1}$

其中

和分别为峰a和峰b的频移应变系数，

和

分别为峰a和峰b应变系数。通过上式计算得到对应的温度和应变的变化量ΔT和Δε。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于布里渊散射的分布式应变和温度光纤传感器，包括光源、电光调制器、脉冲信号源、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、环形器、第一光耦合器、第二光耦合器、双平衡探测器、信号处理系统和传感光纤；

所述光源与第一光耦合器输入端连接，第一光耦合器输出端口通过电光调制器与第一掺铒光纤放大器连接；第一掺铒光纤放大器和环形器相连；环形器一端接入到光纤，另一端与滤波器相连；滤波器通过第二掺铒光纤放大器与第二光耦合器的输入端连接；第一光耦合器的输出端和第二掺铒光纤放大器分别与第二光耦合器输入端相连；第二光耦合器输出端通过双平衡探测器与信号处理系统连接；所述脉冲信号源与电光调制器连接；

其特征在于，所述传感光纤中包含有一个长周期光纤光栅，所述传感光纤为全固光子晶体带隙光纤。

2.根据权利要求1所述的基于布里渊散射的分布式应变和温度光纤传感器，其特征在于，所述光源为窄线宽激光光源。

3.根据权利要求1所述的基于布里渊散射的分布式应变和温度光纤传感器，其特征在于，所述第二光耦合器为50：50的耦合器。

4.根据权利要求1所述的基于布里渊散射的分布式应变和温度光纤传感器，其特征在于，所述传感光纤中的长周期光纤光栅是通过CO₂激光器写入的。

5.根据权利要求1或4所述的基于布里渊散射的分布式应变和温度光纤传感器，其特征在于，所述传感光纤中写入的长周期光纤光栅的共振频率和传感光纤的入射光频率相同。

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