CN103162742A - 一种新型分布式光纤温度与应力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种新型分布式温度、应力测量的光纤传感器，是利用光纤中的瑞利散射谱和光时域反射原理实现的分布式光纤温度与应力传感器。根据光时域反射原理，通过测量脉冲光的后向瑞利散射可得到光纤各点的瑞利散射强度，并可对事件发生的位置定位。连续改变激光器的出射波长，便得到光纤各点的瑞利散射谱。当光纤某处温度或所受应力发生改变时，此处光纤的后向瑞利散射谱会发生整体的线性平移，通过与未发生变化前的散射谱进行对比便可以得到温度与应变的变化量，实现分布式的温度与应变测量。由于瑞利散射比拉曼和布里渊散射的强度大很多，该测量方法比利用自发拉曼、自发布里渊散射的分布式传感器拥有更高的信噪比和测量精度。

Description

一种新型分布式光纤温度与应力传感器

技术领域

本发明涉及分布式温度、应变测量的光纤传感器的新原理和装置，属于光纤传感网技术领域。

背景技术

光散射现象在分布式光纤传感技术中占有重要地位，光时域反射原理就是基于光脉冲的后向散射来确定某事件在光纤中发生的位置。根据光散射理论，当光在光纤中传输时，主要产生三种散射，即瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。瑞利散射为线性散射，即瑞利散射光的波长与激发光的波长一致；而拉曼和布里渊散射都是非线性散射，分别由光纤材料分子的光学与声学声子散射所形成，因为在散射过程中有能量的交换，故其散射波长与激发光的波长不同。目前国内外分布式温度或应变光纤传感器技术中，拉曼散射主要用于测量光纤温度变化；而布里渊散射用于测量光纤温度与应力的变化。瑞利散射主要应用于光时域反射仪，即用瑞利散射的强度来直接反映被测量光纤的损耗。也有报道应用光纤中的后向瑞利散射进行大应变测量的研究(“大坝裂缝方位对光纤裂缝传感器灵敏性的影响”，压电与声光，29-3，pp258，2007)，但其理论依据仍然是基于光纤损耗，由于光纤受到大的切向应变引起光纤的弯曲而至损耗增加。但此测量方法只能定性检测应变的有无而不能准确的测量光纤的应变量。本发明中提出了一种新型的利用光纤瑞利散射的温度与应力分布式传感器，他是根据光纤中瑞利散射谱的波长漂移而非其散射强度的变化来进行测量的，与上面提到的大应变测量方法有本质的区别。美国的Luna公司也提出了一种利用瑞利散射谱测量光纤温度与应力分布的方法，(详见“Distributed flow sensing usingoptical hot-wire grid”，Optics Express，20，pp8240，2012)，但其对光纤定位的原理是光频域反射仪，即OFDR。它虽然可以提供毫米甚至微米级别的空间分辨率，但受到激光器相干长度的限制，其传感光纤长度仅为几十到几百米。而本发明中光纤定位的原理是基于光时域反射原理，其定位精度不受激光器相干长度的限制，只由光脉冲的脉宽决定，约为1-5米，但其传感距离更长，从几公里到几十公里。另外，由于光纤中的瑞利散射比拉曼和布里渊散射的强度要分别大1000和30倍，该测量方法拥有更高的信噪比，可提供精确的应变与温度测量和更大的测量范围。

发明内容

本发明的目的是提出一种分布式温度、应变同时测量的光纤传感器的新方法和装置。为达到上述目的，本发明的技术方案包括波长扫描激光器(11)、脉冲调制器(12)、掺铒光纤放大器(13)、光纤环形器(14)、单模传感光纤(15)、光电探测器(16)、数据采集系统(17)和控制与信号处理系统(18)。具体实现过程为：激光器11出射的连续光经过脉冲调制器12调制成脉冲光，再经过掺铒光纤放大器(13)放大，由光纤环形器(14)进入单模或多模传感光纤(15)，瑞利散射光由光纤环形器(14)进入光电探测器(16)转换为电信号，电信号经数据采集系统(17)采集后由控制与信号处理系统(18)存储，连续改变扫描激光器(11)的出射波长，将光纤各点在不同波长下的瑞利散射强度连起来就可以得到该点的瑞利散射谱，通过计算该点的瑞利散射谱的波长飘移就可得到温度或应力的改变值。

瑞利散射属于线性光散射，它源于光纤制造过程中密度的微小不均匀，与光纤中的自发拉曼和自发布里渊散射相比，其单位散射强度分别高1000和30倍。可以用如下公式描述光脉冲在光纤中传输时的瑞利散射光波：

$E\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\exp (-\mathrm{\α}\frac{c{\mathrm{\τ}}_i}{n_f})\exp \left[j2\mathrm{\πv}(t-{\mathrm{\τ}}_i)\right]---\left(1\right),$

上式中，a_i和τ_i为第i个散射点的散射振幅和时延；α为光纤的衰减系数；c为真空中的光速；n_f为光纤折射率。这样经由环形器(14)进入光电探测器(16)的瑞利散射光功率为：

P(t)＝|E(t)|²＝P₁(t)+P₂(t)    (2)，

其中P₁(t)代表不同散射点的散射光功率的叠加，P₂(t)代表不同散射点的相干光功率。值得注意的是瑞利散射光功率P还是入射光λ的函数，不同的入射波长会导致瑞利散射光功率的变化，而把连续变化的波长对应的散射光功率连起来就可以得到某一小段光纤的瑞利散射谱，如图1中的曲线1所示。由于该光谱只与其散射的光纤的材料和密度相关，因此他们有一一对应的关系。当光纤的温度或所加应力发生变化时，该散射光谱会发生整体的漂移，如图1中的曲线2所示；而且这种光谱漂移与温度或应力的改变呈线性关系。这种光谱变化可通过相关运算来解调，如图2所示，曲线2平移4pm时与曲线1基本重合，那么就知道应力或温度的变化使该段光纤的瑞利散射谱平移了4pm并可推算出具体的温度或应力变化值。因为瑞利散射比自发拉曼和自发布里渊散射的强度要分别大1000和30倍，根据上述原理制成的分布式光纤温度与应力传感器拥有更高的信噪比和测量精度。

附图说明

图1某段光纤测得的瑞利散射谱-曲线1，当该段光纤的温度或应力发生变化时，散射谱发生整体平移，如曲线2所示。

图2平移曲线2为4pm时与曲线1基本重合。

图3基于自发瑞利散射的光纤分布式传感器示意图。

具体实施方式

本发明是关于一种新型分布式光纤温度与应力传感器，与此传感器相关的具体实施方案将在下面部分中讨论，但是需要了解的是，本专利并不局限于这些与本发明相关的具体实施方案。而是相反，本发明趋向于包含所有可选的，修改的以及等价的实施方案，而且这些实施方案应该被包含在权利要求书中所声明的发明特征和范围之中。根据图3所示，发明的一种新型分布式光纤温度与应力传感器描述了一种基于光纤瑞利散射的分布式温度与应力测量装置，是包括波长扫描激光器(11)、脉冲调制器(12)、掺铒光纤放大器(13)、光纤环形器(14)、单模传感光纤(15)、光电探测器(16)、数据采集系统(17)和控制与信号处理系统(18)。此传感系统的具体工作流程为：首先控制与信号处理系统(18)利用预先设定的扫描范围和扫描速率等参数控制扫描激光器11使其出射连续光扫描，此连续光经过由控制与信号处理单元所预先设定参数的脉冲调制器12而被调制成所设定脉宽的脉冲光，随后使用掺铒光纤放大器(13)放大此脉冲输出光，放大后的脉冲光经过光纤环形器(14)进入单模或多模传感光纤(15)，在传感光纤中所产生的瑞利散射光经过光纤环形器(14)进入光电探测器(16)转换为电信号，此电信号经数据采集系统(17)采集后由控制与信号处理系统(18)存储，完成单次测量过程。扫描激光器(11)的出射波长连续改变，在完整测量过程中将会得到一系列特定波长值处传感光纤的瑞利散射测量值，最后将光纤各点在不同波长下的瑞利散射强度连起来就可以得到该点的瑞利散射谱，基于相关运算算法计算该点的瑞利散射谱的波长飘移就可得到温度或应力的改变值，由此实现沿传感光纤的任意位置处的温度或应力变化的精确测量。

Claims (5)

1.一种新型分布式光纤温度与应力传感器，其特征在于利用光纤的自发瑞利散射谱受温度和应力影响而发生漂移的特性而制成的测量温度和应力的光纤传感器。其具体包括波长扫描激光器(11)、脉冲调制器(12)、掺铒光纤放大器(13)、光纤环形器(14)、单模传感光纤(15)、光电探测器(16)、数据采集系统(17)和控制与信号处理系统(18)，激光器(11)出射的连续光经过脉冲调制器(12)调制成脉冲光，再经过掺铒光纤放大器(13)放大，由光纤环形器(14)进入单模或多模传感光纤(15)，瑞利散射光由光纤环形器(14)进入光电探测器(16)变为电信号，电信号经数据采集系统(17)采集后由控制与信号处理系统(18)存储，连续改变扫描激光器(11)的出射波长，将光纤各点在不同波长下的瑞利散射强度连起来就可以得到该点的瑞利散射谱，通过计算该点的瑞利散射谱的波长飘移就可得到温度或应力的变化值。

2.根据权利要求1所述的波长扫描激光器(11)是典型波长扫描范围为1540-1560nm，线宽小于1MHz，波长绝对精确值为±1pm，最小波长改变值为1pm的半导体外腔可调谐激光器。

3.根据权利要求1所述的脉冲调制器(12)由电脉冲信号发生器、铌酸锂电光调制器和脉冲反馈稳定电路组成，其特征是电脉冲信号发生器发出的电脉冲信号(10ns)进入铌酸锂电光调制器的电信号输入端，经调制后的光脉冲进入传感光纤，同时分出一小部分光脉冲信号作为反馈信号，由脉冲反馈温度电路处理后输出控制信号控制铌酸锂电光调制器的偏置电压，以稳定光脉冲的功率。

4.根据权利要求1所述的控制与信号处理系统(18)，其特征是控制并使电脉冲信号发生器(12)与数据采集系统(17)同步。

5.根据权利要求1所述的控制与信号处理系统(18)采用相关算法计算光纤中自发瑞利散射谱由于温度和应力变化造成的整体飘移。

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