CN103616091B - 一种分布式光纤温度和应力传感装置 - Google Patents

Abstract

一种分布式温度和应力传感的装置，属于光纤传感技术领域，包括脉冲激光器等，脉冲激光器分别与光开关和继电器相连；半导体激光器依次与光隔离器A、光耦合器相连，光耦合器后依次与声光调制器、掺饵光纤放大器、扰偏器相连，扰偏器与光开关相连，光开关与环形器A相连；光耦合器另一输出依次与偏振控制器、电光调制器、光隔离器B相连，其后通过传感光纤和环形器A相连；信号发生器分别接到声光调制器、光开关、数据采集卡、微波源和继电器；微波源与电光调制器相连；环形器A与环形器B相连，环形器B依次与光纤布拉格光栅、拉曼滤波器和光电探测器A相连，光电探测器A与数据采集卡相连；环形器B依次与光电探测器B和数据采集卡相连。本发明能实现温度和应变的长距、分布式同时测量。

Description

一种分布式光纤温度和应力传感装置

技术领域

本发明涉及一种分布式温度和应力传感的装置，属于光纤传感技术领域。

背景技术

长期以来，国内外在工程领域，大型土木建筑、桥梁、隧道和电力电缆主要使用电学应变片和热敏电阻作为应变和温度传感器，每个传感器均需要电线，组成大型检测网络，结构很复杂，这类传感器本身带电，本质上是很不安全的，易受电磁干扰，容易腐蚀，也不能定位，受环境影响较大，不适合用于恶劣环境，更不适合用于地质灾害和火灾的现场。

光纤本身不带电，抗电磁、耐辐射、耐高电压、不产生电火花并且绝缘性良好等特点，使得光纤传感系统成为传感系统的主流，并逐步代替传统的传感器系统。光纤上的物理量诸如：压力、温度、电场、磁场等发生变化时，会引起光纤的物理特性发生变化，从而使光纤中传导的光波产生各种光学效应，如：散射、强度改变等等。通过检测光纤中光波的变化，实现对温度、压力、形变等物理量的检测。近年光电子器件的迅猛发展，特别是半导体激光器、波分复用和光耦合技术、光电信号的探测与处理等等技术的发展，使光纤用来做分布式传感器系统成为了现实。

在分布式光纤传感器领域，国内外有分布式光纤拉曼散射光子温度传感器，国外有分布式布里渊散射光子传感器。现有的分布式光纤传感装置是由激光驱动器、激光器、耦合器、滤光器、探测器、信号放大器、数据采集卡、计算机组成。其工作原理为：激光器连续不断地向探测光缆中发射激光，激光在光缆中传输时会发生背向散射，得到的拉曼光谱被耦合器和滤光器分离出来，再经过光电转换和信号放大处理后进行数据采集，然后再将采集到的数据送往计算机进行数据处理，最终得出所需的数据。

在实际应用中人们总希望能同时测量多个参数，而温度和应变是实际应用中比较重要的两个参数。实现温度和应变的同时测量，对实际应用非常重要，特别是对大型土木工程、隧道和地质灾害的预测和监控。全分布式光纤布里渊时域分析器虽能同时测量温度和应变，但存在交叉效应，影响检测结果。英国南安普敦大学Newson团队用窄带激光光源利用光纤的背向自发反斯托克斯拉曼散射测温并用自发光纤布里渊散射效应来测量应变(见M.N.Allahbabi，Y.T.Cho and T.P.Newson，Simulataneous Distributed Measurements ofTemperature and Strain using Spontaneous Raman and BrillouinScattering，Optics Letters，2005，1June，p.1276-1278)，但由于光纤布里渊散射的光谱带寬很窄，因此，测量温度和应变的精度低。

发明内容

本发明的目的是针对现有光纤分布式温度应力传感系统的缺陷和不足，提出了结合拉曼系统和布里渊系统，并用拉曼系统得到的温度信息解调布里渊的频移从而同时得到温度应变信息的一种分布式光纤温度和应力传感装置。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种分布式光纤温度和应力传感装置，包括脉冲激光器、半导体激光器、光隔离器A、B、光耦合器、声光调制器、掺饵光纤放大器、扰偏器、光开关、偏振控制器、信号发生器、继电器、电光调制器、微波源、数据采集卡、光电探测器A、B、拉曼滤波器、光纤布拉格光栅、环形器A、B、传感光纤，其特征在于脉冲激光器的输出端与光开关的一个输入端相连，脉冲激光器的另一个同步脉冲输出端与继电器输入端相连；半导体激光器的输出端与光隔离器A的输入端相连，光隔离器A的输出端与光耦合器的输入端相连，光耦合器的一个输出端依次与声光调制器、掺饵光纤放大器、扰偏器相连，扰偏器的输出端与光开关的另一个输入端相连，光开关的输出端与环形器A的1端口相连；光耦合器的另一个输出端依次与偏振控制器、电光调制器、光隔离器B相连，光隔离器B输出端通过传感光纤和环形器A的2端口相连接；信号发生器的输出端口A、B、C、D、E分别连接到声光调制器、光开关、数据采集卡、微波源和继电器；微波源的输出端与电光调制器相连，对其起驱动作用；环形器A的3端口与环形器B的1端口相连，环形器B的2端口依次与光纤布拉格光栅、拉曼滤波器和光电探测器A相连，光电探测器A的输出端与数据采集卡相连；环形器B的3端口依次与光电探测器B和数据采集卡相连。

所述的半导体激光器为的窄线宽激光器，线宽为1.9MHz，波长1550nm，输出连续光功率为30mW。

所述的脉冲激光器为光纤激光器，脉宽为10ns，波长为1550nm，输出脉冲光峰值功率为30w。

所述的光隔离器为1550nm波段的单模光隔离器，隔离度为30dB。

所述的光耦合器为1:1的1*2的单模光耦合器。

所述的声光调制器为1550nm的声光调制器，将一路连续光调制为脉宽为10ns，重复频率为1KHz的脉冲光。

所述的掺铒光纤放大器将调制后的脉冲光峰值调节到布里渊阈值以上。

所述的扰偏器为PCD-003扰偏器。

所述的偏振控制器为三环型偏振控制器。

所述的电光调制器和微波源型号分别为KG-AM系列10G电光调制器、HWS10120型微波扫频器，可调制另一路连续光产生10.65GHz左右的移频。

所述的拉曼滤波器将反斯托克斯光滤出。

所述的传感光纤为100Km单模光纤，外部为聚碳酸酯套管。

所述光电探测器A为APD雪崩二极管；所述的光电探测器B是PR-200M3035型光电探测器。

所述的数据采集卡是150M双道数据采集卡。

本发明的工作原理如下：

本系统通过光开关的通断来分别实现拉曼检测和布里渊检测。此系统中信号发生器控制声光调制器，光开关，布里渊采集的外部触发信号，拉曼采集的外部触发信号和微波源的扫频控制信号。当光开关与脉冲激光器导通时，此时声光调制器，布里渊采集的外部触发信号和微波源的扫频控制信号全部中断。系统实现的是拉曼测温原理，同时继电器导通，脉冲激光器的同步脉冲信号触发采集卡，实时采集。当脉冲入射到传感光纤中，产生背向拉曼散射。背向拉曼散射信号经过环形器A的端口2，从端口3输出，然后进入到环形器B的1端口，经过环形器B的2端口进入到布拉格光栅，瑞利光经过布拉格光栅反射，反射光通过环形器B的端口3进入到光电探测器B,转为电信号被采集卡采集。经过布拉格光栅透射的光，经过拉曼滤波器滤出反斯托克斯光，经过光电探测器A转为电信号，被采集卡采集。根据拉曼测温原理，求出光纤的温度。当光开关与扰偏器导通时，此时信号发生器产生声光调制器触发信号，布里渊采集的外部触发信号和微波源的扫频控制信号，继电器中断。此时系统实现布里渊检测。由半导体激光器发出的连续光入射到光隔离器A，经3dB光耦合器被分为两路光，一路光经过声光调制器调制为脉冲光，脉冲光的重复频率和占空比由驱动声光调制器的信号发生器控制，然后，脉冲光的峰值功率被掺铒光纤放大器放大，再经过扰偏器后，作为泵浦光入射到传感光纤的一端；另一路光先通过偏振控制器控制为固定的偏振方向，再通过微波扫频器驱动的电光调制器将其调制为频移量等于微波扫频器频率的调制光，使用带宽小于0.1nm的光滤波器滤除调制光的上边带，再经过光隔离器B后作为信号光入射到传感光纤的另一端，微波扫频器在10.6GHz-10.7GHz的频率范围内进行扫频，信号光和泵浦光在光纤的各个位置相遇并产生背向布里渊散射，当两路光的频率差等于布里渊频移量时，信号光的强度最大，通过环形器和布拉格光栅滤除ASE噪声，再经过光电探测器转为电信号，通过数据采集卡采集信号。通过布里渊频移和拉曼求出的温度信息，得出光纤的应变信息。这样实现了温度和应变的一个采集周期。

本发明中自发拉曼温度检测原理如下：

由于拉曼散射功率只对温度敏感，对应力没有响应。因此，直接探测时，首先利用拉曼反斯托克斯光相对瑞利光的功率比随温度的变化来检测温度。反斯托克斯拉曼散射光与瑞利拉曼散射光的强度比R(T)

R(T)＝K_a/K_R.(ν_a/ν₀)⁴exp[-(α_a-α₀)L]R_a(T)                (1)

R_a(T)＝[exp(hΔν/kT)-1]^-1                  (2)

其中K_a,K_R分别为与光纤反斯托克斯和瑞利散射界面有关的系数，ν_a，ν₀分别是反斯托克斯拉曼散射光子和瑞利散射光子的频率，α₀，α_a分别是瑞利光和反斯托克斯散射光在光纤中的传输损耗，h是普朗克常量，Δν是光纤分子的声子频率，为13.2Hz，k是波尔兹曼常数，T是凯尔文绝对温度，L为光纤长度，R_a(T)为反斯托克斯光的玻尔兹曼因子，与分子能级的布局数有关。通过(1)式，光纤各个位置的温度信息就可以求出。

本发明中应力的测量原理如下：

微波扫频器在10.6GHz-10.7GHz的频率范围内进行扫频，信号光和泵浦光在光纤的各个位置相遇并产生背向布里渊散射，当两路光的频率差等于布里渊频移量时，采集到的信号光的强度最大，强度最大对应的微波频率为布里渊频移，通过此原理得出布里渊的频移。根据布里渊频移，按下式计算对应点温度和应变信息。

ΔV_B＝C_VεΔε+C_VTΔT(1)                  (3)其中，ΔV_B为布里渊频移的改变量，ΔT为温度的变化量，Δε为应变变化量，C_VT为温度系数；C_Vε为应变系数。

本发明中温度和应力的测试步骤如下：

1)，搭建好光纤分布式温度和应力传感系统。

2)，信号发生器控制光开关接通脉冲激光器和环形器A，周期为t₁，控制继电器接通脉冲激光器和数据采集卡，拉曼测温光路接通，测得温度T₁。

3)，信号发生器控制光开关接通半导体激光器和环形器A，周期为t₂，控制继电器断开脉冲激光器与数据采集卡连接，布里渊光路接通，在温度T₁下测得布里渊频移v₁。

4)，重复步骤2信号发生器连接步骤，测得温度T₂。

5)，重复步骤3信号发生器步骤，测得布里渊频移v₂。

6)，布里渊频移的变化量Δν＝v₂-v₁，温度的变化量ΔT＝T₂-T₁，根据公式(3),应变的变化量Δε可求出。

本发明有以下优点：该装置以自发拉曼散射和受激布里渊散射为其理论基础，利用背向光纤自发反斯托克斯和瑞利光强度比来测光纤温度，并用获得的温度信息和光纤受激布里渊散射光的频移解调出光纤所受的应变，能实现温度和应变的同时测量。本发明可实现长距离、分布式测量温度和应变，实际可行，布设灵活。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

其中：1、脉冲激光器，2、半导体激光器，3、光隔离器A，4、光耦合器，5、声光调制器，6、掺饵光纤放大器，7、扰偏器，8、光开关，9、偏振控制器，10、信号发生器，11、继电器，12、电光调制器，13、微波源，14、数据采集卡，15、光电探测器A，16、拉曼滤波器，17、光纤布拉格光栅，18、光电探测器B，19、环形器A，20、环形器B，21、传感光纤，22、光隔离器B。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例：

如图1所示，一种分布式光纤温度和应力传感装置，包括脉冲激光器1、半导体激光器2、光隔离器A3、光耦合器4、声光调制器5、掺饵光纤放大器6、扰偏器7、光开关8、偏振控制器9、信号发生器10、继电器11、电光调制器12、微波源13、数据采集卡14、光电探测器A15、B18、拉曼滤波器16、光纤布拉格光栅17、环形器A19、B20、传感光纤21、光隔离器B22，其特征在于脉冲激光器1的输出端与光开关8的一个输入端相连，脉冲激光器1的另一个同步脉冲输出端与继电器11输入端相连；半导体激光器2的输出端与光隔离器A3的输入端相连，光隔离器A3的输出端与2×2光耦合器4的输入端相连，2×2光耦合器4的一个输出端依次与声光调制器5、掺饵光纤放大器6、扰偏器7相连，扰偏器7的输出端与光开关8的另一个输入端相连，光开关8的输出端与环形器A19的1端口相连；2×2光耦合器4的另一个输出端依次与偏振控制器9、电光调制器12、光隔离器B22相连，光隔离器B22输出端通过传感光纤21和环形器A19的2端口相连接；信号发生器10的输出端口A、B、C、D、E分别连接到声光调制器5、光开关8、数据采集卡14、微波源13和继电器11；微波源13的输出端与电光调制器12相连，对其起驱动作用；环形器A19的3端口与环形器B20的1端口相连，环形器B20的2端口依次与光纤布拉格光栅17、拉曼滤波器16和光电探测器A15相连，光电探测器A15的输出端与数据采集卡14相连；环形器B20的3端口依次与光电探测器B18和数据采集卡14相连。

所述的脉冲激光器1为光纤激光器，脉为10ns，波长为1550nm，输出脉冲光峰值功率为30w。

所述的半导体激光器2为的窄线宽激光器，线宽为1.9MHz，波长1550nm，输出连续光功率为30mW。

所述的光隔离器A3、B22为1550nm波段的单模光隔离器，隔离度为30dB。

所述的光耦合器为1:1的1*2的单模光耦合器。

所述的声光调制器5为1550nm的声光调制器，将一路连续光调制为脉宽为10ns，重复频率为1KHz的脉冲光。

所述的掺铒光纤放大器6将调制后的脉冲光峰值调节到布里渊阈值以上。

所述的扰偏器7为PCD-003扰偏器。

所述的偏振控制器9为三环型偏振控制器。

所述的电光调制器12和微波源型号分别为KG-AM系列10G电光调制器、HWS10120型微波扫频器，可调制另一路连续光产生10.65GHz左右的移频。

所述的拉曼滤波器将反斯托克斯光滤出。

所述的传感光纤为100Km单模光纤，外部为聚碳酸酯套管。

所述光电探测器A为APD雪崩二极管；所述的光电探测器B是PR-200M3035型光电探测器。

所述的数据采集卡是150M双道数据采集卡。

Claims (10)

1.一种分布式光纤温度和应力传感装置，包括脉冲激光器、半导体激光器、光隔离器A、B、光耦合器、声光调制器、掺饵光纤放大器、扰偏器、光开关、偏振控制器、信号发生器、继电器、电光调制器、微波源、数据采集卡、光电探测器A、B、拉曼滤波器、光纤布拉格光栅、环形器A、B、传感光纤，其特征在于脉冲激光器的输出端与光开关的一个输入端相连，脉冲激光器的另一个同步脉冲输出端与继电器输入端相连；半导体激光器的输出端与光隔离器A的输入端相连，光隔离器A的输出端与光耦合器的输入端相连，光耦合器的一个输出端依次与声光调制器、掺饵光纤放大器、扰偏器相连，扰偏器的输出端与光开关的另一个输入端相连，光开关的输出端与环形器A的1端口相连；光耦合器的另一个输出端依次与偏振控制器、电光调制器、光隔离器B相连，光隔离器B输出端通过传感光纤和环形器A的2端口相连接；信号发生器的输出端口A、B、C、D、E分别连接到声光调制器、光开关、数据采集卡、微波源和继电器；微波源的输出端与电光调制器相连，对其起驱动作用；环形器A的3端口与环形器B的1端口相连，环形器B的2端口依次与光纤布拉格光栅、拉曼滤波器和光电探测器A相连，光电探测器A的输出端与数据采集卡相连；环形器B的3端口依次与光电探测器B和数据采集卡相连。

2.如权利要求1所述的一种光纤分布式温度和应力传感装置，其特征在于所述的半导体激光器为窄线宽激光器，线宽为1.9MHz，波长1550nm，输出连续光功率为30mW。

3.如权利要求1所述的一种光纤分布式温度和应力传感装置，其特征在于所述的脉冲激光器为光纤激光器，脉宽10ns，波长为1550nm，输出脉冲光峰值功率为30w。

4.如权利要求1所述的一种光纤分布式温度和应力传感装置，其特征在于所述的光隔离器A、B为1550nm波段的单模光隔离器，隔离度为30dB。

5.如权利要求1所述的一种光纤分布式温度和应力传感装置，其特征在于所述的光耦合器为1:1的1*2的单模耦合器。

6.如权利要求1所述的一种光纤分布式温度和应力传感装置，其特征在于所述的声光调制器为1550nm的声光调制器，将一路连续光调制为脉宽为10ns、重复频率为1KHz的脉冲光。

7.如权利要求1所述的一种光纤分布式温度和应力传感装置，其特征在于所述的扰偏器为PCD-003扰偏器。

8.如权利要求1所述的一种光纤分布式温度和应力传感装置，其特征在于所述的偏振控制器为三环型偏振控制器。

9.如权利要求1所述的一种光纤分布式温度和应力传感装置，其特征在于所述的光电探测器A为APD雪崩二极管；所述的光电探测器B为PR-200M3035型光电探测器。

10.如权利要求1所述的一种光纤分布式温度和应力传感装置，其特征在于所述的数据采集卡为150M双道数据采集卡。