CN103344314A - M-z光纤振动传感系统及其断纤检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤传感技术领域，具体地说是一种探测距离长、响应速度快、灵敏度高的可检测断纤位置的M-Z光纤振动传感系统及其断纤检测方法，设有光纤振动传感环路，其特征在于还设有用于检测光纤振动传感环路中光纤上的断点位置的断点检测环路，所述光纤振动传感环路包括设有直流驱动光源的激光器、与激光器相连接的用于将激光器输出的光信号按1:1的分光比分为两路的一级光耦合器、分别与一级光耦合器两路输出端相连接的两个分光比均为1:1的二级光耦合器、两端分别与两个二级光耦合器相连接的传感光纤、以及分别与二级光耦合器对应连接的两个光电探测器，本发明与现有技术相比，具有结构合理、操作简便等显著的的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体地说是一种探测距离长、响应速度快、灵敏度高的可检测断纤位置的M-Z光纤振动传感系统及其断纤检测方法。
背景技术
光纤振动传感器已经在安防监控等领域得到了广泛的应用，其中基于M-Z干涉原理的可定位的光纤振动传感系统的使用最为广泛。传统的基于M-Z干涉原理的光纤振动传感系统设置了两个光纤线路，两路分别传输相反方向的光波，通过测量扰动发生后光信号在正反方向上传输到检测点的时间差，来确定扰动发生的位置。
传统的M-Z光纤振动传感系统在工程应用上有一个明显的不足：当两个光纤线路中任意一条光纤发生断裂，由于光纤线路中的光信号不能到达检测点而在断点处发生反射，而系统使用的光源的线宽很窄，相干长度很短，所以无法产生干涉信号，因此系统操作者可以据此判断光纤发生断裂，但却无法判断断点的具体位置，由于很多工程中光纤的距离较长，可达到上百公里，给排查工作带来很大的难度。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提出一种探测距离长、响应速度快、灵敏度高的可检测断纤位置的M-Z光纤振动传感系统及其断纤检测方法。
本发明可以通过以下措施达到：
一种M-Z光纤振动传感器系统，设有光纤振动传感环路，其特征在于还设有用于检测光纤振动传感环路中光纤上的断点位置的断点检测环路。
本发明中所述光纤振动传感环路包括设有直流驱动光源的激光器、与激光器相连接的用于将激光器输出的光信号按1:1的分光比分为两路的一级光耦合器、分别与一级光耦合器两路输出端相连接的两个分光比均为1:1的二级光耦合器、两端分别与两个二级光耦合器相连接的传感光纤、以及分别与二级光耦合器对应连接的两个光电探测器；
所述断点检测环路包括设有脉冲驱动光源的激光器、与激光器相连接的用于将激光器输出的光信号按1:1的分光比分为两路的一级光耦合器、分别与一级光耦合器两路输出端相连接的两个分光比均为1:1的二级光耦合器、两端分别与两个二级光耦合器相连接的传感光纤、以及分别与二级光耦合器对应连接的两个光电探测器。
本发明中所述光纤振动传感环路内传感光纤的长度与断点检测环路内传感光纤的长度相等。
本发明中所述光纤振动传感环路内两个二级光耦合器之间设有一条以上的长度相同的传感光纤，所述断点检测环路内的传感光纤可以为光纤振动传感环路内两个二级光耦合器之间的两条以上的传感光纤中的任意一条。
本发明包括激光器，一级光耦合器，两个二级光耦合器分别为第一光耦合器、第二光耦合器，与第一光耦合器相连接的第一光电探测器，与第二光耦合器相连接的第一光电探测器，以及两端分别与第一光耦合器、第二光耦合器相连接的第一光纤和第二光纤，其中所述激光器内设有脉冲驱动光源、直流驱动光源以及分别与脉冲驱动光源、直流驱动光源相连接的用于切换光源工作的切换电路，脉冲驱动光源与直流驱动光源发出的光信号经光耦合器分为两路，分别进入第一光耦合器、第二光耦合器。
本发明中第一光纤与第二光纤的长度相等。
本发明中还设有用于同步采集第一光电探测器、第二光电探测器的输出电信号的数据采集卡，第一光电探测器、第二光电探测器的信号输出端分别与数据采集卡的信号输入端相连接，数据采集卡内设有两路信号采集电路，每路信号采集电路均设有触发电路、与触发电路相连接的数据接收电路，两路信号采集电路的输出端与用于获取所采集信号持续时间的信号处理电路相连接，信号处理电路与存储器以及用于根据信号持续时间计算获得断点位置的处理器相连接。
本发明中第一光电探测器和第二光电探测器均设有光电转换电路、放大电路，光电转换电路将光信号转化成电压信号，转化后的电压信号进入放大电路，放大电路将电压信号放大到约1V大小。
本发明中所述的第一光耦合器、第二光耦合器的分光比均为1:1，用于将激光器输出的光信号分为两路，并送入第一光纤和第二光纤。
一种M-Z光纤振动传感系统的断纤检测方法，其特征在于当位于两个二级光耦合器之间也即第一光纤耦合器和第二光耦合器之间的传感光纤发生断裂时，执行以下步骤：
步骤1：激光器向一级光耦合器输出脉冲光信号，一级光耦合器分别向第一光耦合器、第二光耦合器输出1:1的脉冲光信号，脉冲光信号经第一光耦合器或第二光耦合器按1:1的分光比分别进入光纤振动传感环路内的传感光纤、断点检测环路内的传感光纤，记录脉冲光信号进入传感光纤的起始时刻；
步骤2：经同一个二级光耦合器输出的两路1:1的脉冲光信号同步进入光纤振动传感环路的传感光纤及断点检测环路的传感光纤后，分别在传感光纤中传输产生反馈信号；
步骤3：第一光电探测器或第二光电探测器接收反馈信号，并对其进行光电转换和放大处理后，向数据采集卡同步的输出电信号，
步骤4：数据采集卡同步的接受第一光电探测器和第二光电探测器输出的信号，并记录各信号接收时刻，数据采集卡计算各信号的传输时间，并据此对断点位置进行判断。
本发明步骤4中当第一光耦合器和第二光耦合器之间的光纤振动传感光纤出现断点时，断点检测环路内的传感光纤未出现断点，设两条光纤的长度均为L，断点距第一光耦合器的距离为L1，断点距第二光耦合器的距离为L2，脉冲信号在未断裂的光纤中的传输时间为t，脉冲信号由第一光耦合器进入L1内传输并在断点处反射至第一光电探测器的时间为t1，脉冲信号由第二光耦合器进入L2内传输并在断点处反射至第二光电探测器的时间为t2，则根据以下公式计算得出L1、L2：
t=L1*n/c，
t1=2*L1*n/c，
t2=2*L2*n/c，其中n为光纤折射率，c为光速。
本发明中当第一光耦合器和第二光耦合器之间的两条光纤分别出现一个断点时，（即光纤振动传感环路中的光纤出现了一个断点，断点检测环路内的传感光纤也出现了一个断点），设第一光纤上的断点位置距第一光耦合器为L3，距第二光耦合器为L4，第二光纤上的断点位置距第一光耦合器为L5，距第二光耦合器为L6，脉冲光信号由第一光耦合器进入L3并在断点处反射回传至第一光电探测器的时间为t3，脉冲光信号由第一光耦合器进入L5并在断点处反射回传至第一光电探测器的时间为t5，脉冲光信号由第二光耦合器进入L4并在断点处反射回传至第二光电探测器的时间为t4，脉冲光信号由第二光耦合器进入L6并在断点处反射回传至第二光电探测器的时间为t6，则根据以下公式计算得出L3，L4，L5，L6，
L3+L4=L，
t3= 2*L3*n/c，
t4=2*L4*n/c，
L5+L6=L，
t5=2*L5*n/c，
t6=2*L6*n/c，其中n为光纤折射率，c为光速。
本发明中t1、t2、t3、t4、t5、t6均由数据采集卡通过记录对应的信号发送时刻与反馈信号接收时刻之间的差值获得。
本发明中激光器发出的脉冲光信号为一个宽度为纳秒级量级的方波，以其上升沿或下降沿时刻触发数据采集卡进行对两个光电探测器数据的同步采集。
本发明与现有技术相比，能够快速、准确的定位光纤断点位置，具有结构合理、操作简便等显著的的优点。
附图说明：
附图1是本发明的结构示意图。
附图2是本发明中第一光耦合器和第二光耦合器之间的两路光纤中任意一路出现断点时的示意图。
附图3是本发明中第一光耦合器和第二光耦合器之间的两路光纤分别出现一个断点时的示意图。
附图标记：激光器1、第一光耦合器2、第二光耦合器3、第一光电探测器4、第二光电探测器5、第一光纤6、第二光纤7、脉冲驱动光源8、直流驱动光源9、切换电路10、数据采集卡11、一级光耦合器12。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例：
以两个二级光耦合器之间设有两条长度相等的传感光纤为例，对本发明作进一步的说明：
如附图1所示， M-Z光纤振动传感系统中包括激光器1，一级光耦合器12、分别为第一光耦合器2，第二光耦合器3的两个二级光耦合器，与第一光耦合器2相连接的第一光电探测器4，与第二光耦合器3相连接的第二光电探测器5，以及两端分别与第一光耦合器2、第二光耦合器3相连接的第一光纤6和第二光纤7，其中所述激光器1内设有脉冲驱动光源8、直流驱动光源9以及分别与脉冲驱动光源8、直流驱动光源9相连接的用于切换光源工作的切换电路10，脉冲驱动光源8与直流驱动光源9发出的光信号经光耦合器分为两路，分别进入第一光耦合器2、第二光耦合器3，本发明中第一光纤6与第二光纤7的长度相等；
本发明中还设有用于同步采集第一光电探测器4、第二光电探测器5的输出电信号的数据采集卡11，第一光电探测器4、第二光电探测器5的信号输出端分别与数据采集卡11的信号输入端相连接，数据采集卡11内设有两路信号采集电路，每路信号采集电路均设有触发电路、与触发电路相连接的数据接收电路，两路信号采集电路的输出端与用于获取所采集信号持续时间的信号处理电路相连接，信号处理电路与存储器以及用于根据信号持续时间计算获得断点位置的处理器相连接；
本发明中第一光电探测器4和第二光电探测器5均设有光电转换电路、放大电路，光电转换电路将光信号转化成电压信号，转化后的电压信号进入放大电路，放大电路将电压信号放大到适合采集卡的量程；本发明中所述的第一光耦合器2、第二光耦合器3的分光比均为1:1，用于将激光器输出的光信号分为两路，并送入第一光纤6和第二光纤7。
一种如上所述的M-Z光纤振动传感系统的断纤检测方法，当位于第一光纤耦合器2和第二光耦合器3之间的光纤发生断裂时，执行以下步骤：
步骤1：激光器1通过一级光耦合器12分别向第一光耦合器2、第二光耦合器3输出脉冲光信号，
步骤2：脉冲光信号在经过相应的光耦合器分光后获得两路1:1的脉冲光信号，两路1:1的脉冲光信号经同一个光耦合器同步进入第一光纤6及第二光纤7，并在第一光纤6或第二光纤7中传输产生反馈信号，记录脉冲光信号的输出至传感光纤的起始时刻，
步骤3：反馈信号由第一光电探测器4或第二光电探测器5接收和处理后，由第一光电探测器4或第二光电探测器5向数据采集卡11同步的输出电信号，
步骤4：数据采集卡11同步的接受第一光电探测器4和第二光电探测器5输出的信号，并记录各信号接收时刻，数据采集卡11计算各信号的传输时间，并据此对断点位置进行判断。
其中，如附图2所示，本发明步骤4中当第一光耦合器2和第二光耦合器3之间的两条光纤中任意一条出现断点时，设两条光纤的长度均为L，断点距第一光耦合器2的距离为L1，断点距第二光耦合器3的距离为L2，脉冲信号在未断裂的光纤中的传输时间为t，脉冲信号由第一光耦合器2进2入L1内传输并在断点处反射至第一光电探测器4的时间为t1，脉冲信号由第二光耦合器3进入L2内传输并在断点处反射至第二光电探测器5的时间为t2，则根据以下公式计算得出L1、L2：
t=L1*n/c，
t1=2*L1*n/c，
t2=2*L2*n/c，其中n为光纤折射率，c为光速；
如附图3所示，当第一光耦合器2和第二光耦合器3之间的两条光纤分别出现一个断点时，设第一光纤6上的断点位置距第一光耦合器2为L3，距第二光耦合器3为L4，第二光纤7上的断点位置距第一光耦合器2为L5，距第二光耦合器3为L6，脉冲光信号由第一光耦合器2进入L3并在断点处反射回传至第一光电探测器4的时间为t3，脉冲光信号由第一光耦合器2进入L5并在断点处反射回传至第一光电探测器4的时间为t5，脉冲光信号由第二光耦合器2进入L4并在断点处反射回传至第二光电探测器4的时间为t4，脉冲光信号由第二光耦合器2进入L6并在断点处反射回传至第二光电探测器4的时间为t6，则根据以下公式计算得出L3，L4，L5，L6，
L3+L4=L，
t3= 2*L3*n/c，
t4=2*L4*n/c，
L5+L6=L，
t5=2*L5*n/c，
t6=2*L6*n/c，其中n为光纤折射率，c为光速。
本发明中t1、t2、t3、t4、t5、t6均由数据采集卡11通过记录对应的信号发送时刻与反馈信号接收时刻之间的差值获得。
本发明中激光器1发出的脉冲光信号为一个宽度为纳秒级量级的方波，以其上升沿或下降沿时刻触发数据采集卡进行对两个光电探测器数据的同步采集。
本发明与现有技术相比，能够快速、准确的定位光纤断点位置，具有结构合理、操作简便等显著的的优点。
Claims (9)
1.一种M-Z光纤振动传感器系统，设有光纤振动传感环路，其特征在于还设有用于检测光纤振动传感环路中光纤上的断点位置的断点检测环路。
2.根据权利要求1所述的一种M-Z光纤振动传感系统，其特征在于所述光纤振动传感环路包括设有直流驱动光源的激光器、与激光器相连接的用于将激光器输出的光信号按1:1的分光比分为两路的一级光耦合器、分别与一级光耦合器两路输出端相连接的两个分光比均为1:1的二级光耦合器、两端分别与两个二级光耦合器相连接的传感光纤、以及分别与二级光耦合器对应连接的两个光电探测器；
所述断点检测环路包括设有脉冲驱动光源的激光器、与激光器相连接的用于将激光器输出的光信号按1:1的分光比分为两路的一级光耦合器、分别与一级光耦合器两路输出端相连接的两个分光比均为1:1的二级光耦合器、两端分别与两个二级光耦合器相连接的传感光纤、以及分别与二级光耦合器对应连接的两个光电探测器。
3.根据权利要求2所述的一种M-Z光纤振动传感系统，其特征在于所述光纤振动传感环路内传感光纤的长度与断点检测环路内传感光纤的长度相等。
4.根据权利要求3所述的一种M-Z光纤振动传感系统，其特征在于所述光纤振动传感环路内两个二级光耦合器之间设有一条以上的长度相同的传感光纤，所述断点检测环路内的传感光纤为光纤振动传感环路内两个二级光耦合器之间的两条以上的传感光纤中的任意一条。
5. 根据权利要求4所述的一种M-Z光纤振动传感系统，其特征在于包括激光器，一级光耦合器，两个分别为第一光耦合器、第二光耦合器的二级光耦合器，与第一光耦合器相连接的第一光电探测器，与第二光耦合器相连接的第一光电探测器，以及两端分别与第一光耦合器、第二光耦合器相连接的第一光纤和第二光纤，其中所述激光器内设有脉冲驱动光源、直流驱动光源以及分别与脉冲驱动光源、直流驱动光源相连接的用于切换光源工作的切换电路，脉冲驱动光源与直流驱动光源发出的光信号经光耦合器分为两路，分别进入第一光耦合器、第二光耦合器，第一光纤与第二光纤的长度相等。
6. 根据权利要求5所述的一种M-Z光纤振动传感系统，其特征在于还设有用于同步采集第一光电探测器、第二光电探测器的输出电信号的数据采集卡，第一光电探测器、第二光电探测器的信号输出端分别与数据采集卡的信号输入端相连接，数据采集卡内设有两路信号采集电路，每路信号采集电路均设有触发电路、与触发电路相连接的数据接收电路，两路信号采集电路的输出端与用于获取所采集信号持续时间的信号处理电路相连接，信号处理电路与存储器以及用于根据信号持续时间计算获得断点位置的处理器相连接。
7.根据权利要求5所述的一种M-Z光纤振动传感系统，其特征在于第一光电探测器和第二光电探测器均设有光电转换电路、放大电路，光电转换电路将光信号转化成电压信号，转化后的电压信号进入放大电路，放大电路将电压信号放大到1V。
8.一种如权利要求1-7中任意一项所述的M-Z光纤振动传感系统的断纤检测方法，其特征在于当位于两个二级光耦合器之间也即第一光纤耦合器和第二光耦合器之间的传感光纤发生断裂时，执行以下步骤：
步骤1：激光器向一级光耦合器输出脉冲光信号，一级光耦合器分别向第一光耦合器、第二光耦合器输出1:1的脉冲光信号，脉冲光信号经第一光耦合器或第二光耦合器按1:1的分光比分别进入光纤振动传感环路内的传感光纤、断点检测环路内的传感光纤，记录脉冲光信号进入传感光纤的起始时刻；
步骤2：经同一个二级光耦合器输出的两路1:1的脉冲光信号同步进入光纤振动传感环路的传感光纤及断点检测环路的传感光纤后，分别在传感光纤中传输产生反馈信号；
步骤3：第一光电探测器或第二光电探测器接收反馈信号，并对其进行光电转换和放大处理后，向数据采集卡同步的输出电信号，
步骤4：数据采集卡同步的接受第一光电探测器和第二光电探测器输出的信号，并记录各信号接收时刻，数据采集卡计算各信号的传输时间，并据此对断点位置进行判断。
9.根据权利要求8所述的M-Z光纤振动传感系统的断纤检测方法，其特征在于步骤4中当第一光耦合器和第二光耦合器之间的光纤振动传感光纤出现断点时，断点检测环路内的传感光纤未出现断点，设两条光纤的长度均为L，断点距第一光耦合器的距离为L1，断点距第二光耦合器的距离为L2，脉冲信号在未断裂的光纤中的传输时间为t，脉冲信号由第一光耦合器进入L1内传输并在断点处反射至第一光电探测器的时间为t1，脉冲信号由第二光耦合器进入L2内传输并在断点处反射至第二光电探测器的时间为t2，则根据以下公式计算得出L1、L2：
t=L1*n/c，
t1=2*L1*n/c，
t2=2*L2*n/c，其中n为光纤折射率，c为光速。
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