CN103115895A - 基于光时域反射技术的拉锥传感光纤折射率多点检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光时域反射技术的拉锥传感光纤折射率多点检测方法及装置。将激光二极管发出的光经由光脉冲调制器调制后接入到1×2光耦合器具有两个端口一侧的第一端口，1×2光耦合器另一侧的端口接一根分布多个监测点处嵌入熔接有拉锥传感光纤的长距离传输光纤，传输光纤及拉锥传感光纤产生的后向散射信号通过光电探测器后将信息传递给数据采集系统并由软件将信号经行处理，最后显示后向散射信号沿距离的幅度曲线，后向散射信号沿距离的幅度曲线在传感点处阶跃幅度的大小与拉锥传感光纤周围的折射率大小相对应，通过监测散射信号曲线在传感点处的阶跃幅度大小实现对折射率长距离多点的传感。本发明针对现有技术中不易实现多点测量和远距离实时监测的问题，提出了一种结构简单、便于操作、可实现多点、远距离及实时监测的基于光时域反射技术的拉锥传感光纤折射率多点检测方法，以及实现该方法的装置。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于光时域反射技术的拉锥传感光纤折射率多点检测方法及装置。
背景技术
随着工业技术发展，由于工厂对生产中产生的废液、废气、废渣等污染源没有采取有效的清理措施，人们的生活环境遭到了严重破坏。近年来频繁的爆发瓦斯爆炸、煤气中毒、事物中毒和有毒化工原料泄露等事件引起了国家的高度重视，所以国家积极鼓励有关的传感检测技术的研究。经过国内各科学院和企业的人力、财力的投入，国家在矿井安全、空气质量监测、食品安全检测、化学分析等领域已经取得了很大的进步。
光纤传感技术是以光波为载体，光纤为传输介质或者作为传感元件的一种新型传感技术。在生化传感和检测领域中，物质的折射率(Reflection Index，RI)是一个与物质的光学性能、浓度、成分以及色散等性质密切相关的重要物理参数，通过对样品折射率的测量，利用折射率与物质浓度之间的对应关系便可换算出样品的浓度，这对于生化领域具有十分重要的意义。通常折射率测量方法有牛顿环法、衍射光栅法和基于全反射原理的阿贝折射仪测量法等，这些测量方法虽然测量精度高，但是操作相对复杂，在测量时需要先取样再测量，因此无法实现实时监测，而且这些检测方法所需的仪器体积偏大，且大多只能实现单点测量，无法适用于恶劣的检测环境，这些缺点大大地限制了这些检测方法的实际应用。
随着科技的发展，出现了一些基于光纤表面等离子体型和光纤干涉仪等的测量折射率方法，虽然这些方法打破了恶劣的环境对于测量的限制，但是这些方法实现的大多也只是单点的测量，无法实现远距离的多点的实时监测。
拉锥光纤是利用拉锥腐蚀等方法将常规光纤拉制成直径比较小的光纤。拉锥光纤的锥区是一个倏逝场，光在锥区传输时，光的强度会对其周围的折射率敏感，不同的外部介质折射率将会引起不同的损耗，这个损耗的变化大 小与外部介质折射率的变化大小成比例关系，因此可以实现对外部介质折射率的检测。
光通信领域中光时域反射技术是利用激光器发射具有一定宽度和重复周期的窄光脉冲进入被测光纤，在入射端检测后向散射信号强度，根据后向散射信号沿时间轴的幅度曲线可以得到被测光纤链路的损耗、熔接点和断点等分布。针对现有折射率检测技术中不易实现多点测量的问题，我们提出了一种基于光时域反射技术的拉锥传感光纤折射率多点检测方法，并提供了实现该方法的装置。这种方法结构简单、便于操作，可实现多点折射率实时监测及远距离的传感。
发明内容
为了克服现有技术中不易实现多点测量和远距离实时监测的问题，本发明提出了一种结构简单、便于操作、可实现多点、远距离及实时监测的基于光时域反射技术的拉锥传感光纤折射率多点检测方法，以及实现该方法的装置。
本发明的方法包括以下步骤：
步骤(1)选择一个激光二极管、一个光脉冲调制器、一个光电探测器、一个1×2光耦合器、一根长距离传输光纤、多根拉锥传感光纤、一个由数据采集卡和计算机组成的硬件系统、一个由数据采集累加卡控制和数据采集程序、保存和管理的数据库管理系统、数据处理和显示的软件平台；
步骤(2)将激光二极管发出的光经由光脉冲调制器调制后接入到1×2光耦合器具有两个端口一侧的第一端口，1×2光耦合器另一侧的端口接长距离传输光纤，并在传输光纤不同距离的传感位置上嵌入熔接一根拉锥传感光纤，传输光纤及拉锥传感光纤产生的后向散射信号通过1×2光耦合器具有两个端口一侧的第二端口经光电探测器进行光电转换后将信息传递给数据采集系统并由软件将信号经行处理，最后显示后向散射信号沿距离的幅度曲线；
步骤(3)将熔接有多根拉锥传感光纤的传输光纤铺设到待检测区域中，使拉锥传感光纤的位置与待检测点对应，光在传输过程中经过拉锥传感光纤，由于拉锥传感光纤周围折射率的不同，引起光纤链路中传输的光脉冲及其后向散射光在此处的损耗大小也不同，且这个损耗大小与拉锥传感光纤周围介质的折射率大小成比例，因此链路散射信号强度随传输距离的曲线在传感点处阶跃幅度的大小与拉锥传感光纤周围的折射率大小相对应，通过监测散射信号 曲线在传感点处的阶跃幅度大小实现对折射率长距离多点的传感。
本发明为解决技术问题所采取的装置：
其特征在于包括了一个激光二极管、一个光脉冲调制器、一个光电探测器、一个1×2光耦合器、一根长距离传输光纤、多根拉锥传感光纤、一个由数据采集卡和计算机组成的硬件系统、一个由数据采集累加卡控制和数据采集程序、保存和管理的数据库管理系统、数据处理和显示的软件平台；激光二极管发出的光通过光脉冲调制器，能够输出脉冲宽度和频率可调节的光脉冲，再连接至1×2光耦合器具有两个端口一侧的第一个端口上；1×2光耦合器的另一侧的端口连接到传输光纤的一端，在传输光纤上多个分布监测点处分别嵌入熔接有一根拉锥传感光纤；1×2光耦合器具有两个端口一侧的第二个端口连接至光电探测器；光电探测器的数据输出端连接入信号采集系统，信号最后经过软件处理后由显示器显示。
本发明所具有的有益效果为：
1、本发明利用在传输光纤上多个分布监测点处点分别嵌入熔接一根拉锥传感光纤与光时域反射技术结合，实现了折射率的长距离、多点和实时检测功能。
2、本发明利用不同折射率对拉锥传感光纤的波导特性的影响，通过光波在拉锥传感光纤中传输损耗大小的变化，并实时在显示器上显示，通过对照光波损耗与传感点处介质折射率的对应关系，可以同时得到多个待测点的折射率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中拉锥传感光纤的示意图。
图3为本发明具体实例的检测结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对发明进一步描述。
如图1所示，准分布折射率传感装置包括一个激光二极管1、一个光脉冲调制器2、一个光电探测器6、一个1×2光耦合器3、一根长距离传输光纤4、多根拉锥传感光纤5、一个由数据采集卡和计算机组成的硬件系统7、一个 由数据采集累加卡控制和数据采集程序、保存和管理的数据库管理系统、数据处理和显示的软件平台8。激光二极管1出射光通过光脉冲调制器2调制，输出脉冲宽度和频率可调节的光脉冲，再连接至1×2光耦合器3具有两个端口一侧的第一个端上；1×2光耦合器3另一侧的端口连接到传输光纤4的一端，在传输光纤上多个分布监测点处分别嵌入熔接有一根拉锥传感光纤5，拉锥传感光纤5结构示意图如图2，其是由单模光纤拉锥至锥腰区9直径约为65μm，两段过渡区10之间长度约为525μm；1×2光耦合器3具有两个端口一侧的第二端口连接至光电探测器6；光电探测器6连接入信号采集的硬件系统7，信号最后经过软件系统8处理后显示。
本发明装置的工作方式为：激光二极管1出射光通过光调制器2后输出光脉冲，光脉冲进入传输光纤4中进行远距离传输，光脉冲传播过程中在传输光纤4每一个位置都会产生后向散射，光脉冲及其后向散射信号在被测区域内传输经过分布在传输光纤4上的多个拉锥传感光纤5，由于拉锥传感光纤5周围不同折射率的影响，导致光脉冲及其后向散射信号在此处的光强衰减程度大小不同，从而经过硬件采集系统7及软件系统8处理后显示后向散射信号光强随距离的曲线在待测点上阶跃的大小不同。
该装置能够实现远距离折射率多点传感的关键技术为：利用光时域反技术能够在远距离对各点后向散射光光强进行实时连续监测；利用在传输光纤不同距离处分别布置一根拉锥传感光纤将各监测点在距离上进行分辨，达到多点检测的功能，并在光强随距离的曲线图上实时显示。
本实施例中的激光二极管选择型号为JKY/M066，输出光波长为1550nm，由光脉冲调制器设置最后输出光脉冲的脉冲宽度50nm，频率为30kHz；传输光纤为G.652单模光纤，长度30km；拉锥传感光纤锥腰处直径为65μm，长度为525μm，选择五根拉锥传感光纤分别布置在传输光纤的10km、14km、18km、22km以及26km处；选择光电探测器是具有单模光纤耦合的InGaAs APD光电探测器。五根拉锥传感光纤分别放置于折射率分别为1.3352、1.3424、1.3510、1.3609、1.3708的NaCl溶液中，待测区域折射率为1.3352，显示器上显示该传感位置处的损耗光强为2.3dB；待测区域折射率为1.3424，显示器上显示该传感位置处的损耗光强为1.9dB；待测区域折射率为1.3510，显示器上显示该传感位置处的损耗光强为1.7dB；待测区域折射率为1.3609， 显示器上显示该传感位置处的损耗光强为1.5dB。待测区域折射率为1.3708，显示器上显示该传感位置处的损耗光强为1.2dB，其结果示意图如图3。通过拉锥传感光纤损耗光强的大小，可以测得不同的介质折射率，从而实现了折射率的远距离多点实时监测。
Claims (2)
1.基于光时域反射技术的拉锥传感光纤折射率多点检测方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
步骤(1)选择一个激光二极管、一个光脉冲调制器、一个光电探测器、一个1×2光耦合器、一根长距离传输光纤、多根拉锥传感光纤、一个由数据采集卡和计算机组成的硬件系统、一个由数据采集累加卡控制和数据采集程序、保存和管理的数据库管理系统、数据处理和显示的软件平台；
步骤(2)将激光二极管发出的光经由光脉冲调制器调制后接入到1×2光耦合器具有两个端口一侧的第一端口，1×2光耦合器另一侧的端口接长距离传输光纤，并在传输光纤不同距离的传感位置上嵌入熔接一根拉锥传感光纤，传输光纤及拉锥传感光纤产生的后向散射信号通过1×2光耦合器具有两个端口一侧的第二端口经光电探测器进行光电转换后将信息传递给数据采集系统并由软件将信号经行处理，最后显示后向散射信号沿距离的幅度曲线；
步骤(3)将熔接有多根拉锥传感光纤的传输光纤铺设到待检测区域中，使拉锥传感光纤的位置与待检测点对应，光在传输过程中经过拉锥传感光纤，由于拉锥传感光纤周围折射率的不同，引起光纤链路中传输的光脉冲及其后向散射光在此处的损耗大小也不同，且这个损耗大小与拉锥传感光纤周围介质的折射率大小成比例，因此链路散射信号强度随传输距离的曲线在传感点处阶跃幅度的大小与拉锥传感光纤周围的折射率大小相对应，通过监测散射信号曲线在传感点处的阶跃幅度大小实现对折射率长距离多点的传感。
2.实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于包括了一个激光二极管、一个光脉冲调制器、一个光电探测器、一个1×2光耦合器、一根长距离传输光纤、多根拉锥传感光纤、一个由数据采集卡和计算机组成的硬件系统、一个由数据采集累加卡控制和数据采集程序、保存和管理的数据库管理系统、数据处理和显示的软件平台；激光二极管发出的光通过光脉冲调制器，能够输出脉冲宽度和频率可调节的光脉冲，再连接至1×2光耦合器具有两个端口一侧的第一个端口上；1×2光耦合器的另一侧的端口连接到传输光纤的一端，在传输光纤上多个分布监测点处分别嵌入熔接有一根拉锥传感光纤；1×2光耦合器具有两个端口一侧的第二个端口连接至光电探测器；光电探测器的数据输出端连接入信号采集系统，信号最后经过软件处理后由显示器显示。
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