CN104792342A - 具有两种参数测量功能的分布式光纤传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种具有两种参数测量功能的分布式光纤传感装置，包括激光器、光分路器、声光调制器、光放大器、环形器、脉冲驱动器、滤波分光器、光纤耦合器、光电探测器、数据采集器、数据处理器、传感光纤和计算机。本发明提出的可以同时测量振动和温度的分布式光纤传感装置在保证测量性能的同时，可以同时对温度和振动进行实时分布式测量；该装置采用专用的数据处理FPGA芯片来做数据处理，提高了光纤传感系统的响应速度；该装置采用光干涉的方式对瑞利后向散射光进行解调，实现了振动信号的高灵敏度传感。

Description

具有两种参数测量功能的分布式光纤传感装置

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感装置，尤其涉及一种能够感应多种信号(如同时测量振动和温度功能)的分布式光纤传感装置。

背景技术

分布式光纤传感系统主要用于交通、建筑、电力、煤矿、石化等行业，其作用是实时测量这些重要的场所的各种参数。它对于保证工业系统设备正常运行，保障生命和财产的安全起着重要的作用。

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、滤波器、光电探测器、数据采集器和计算机组成。其工作原理为：激光器被调制成脉冲光信号输出，连续不断地向传感光纤中发射脉冲光信号，脉冲光在光纤中传输过程中会发生后向散射，由于某一类光谱对温度、应力或振动是敏感的，通过耦合器和滤波器的组合将后向散射光中的某一种光谱分离出来，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处理计算，最终得出所需要的数据。

在实际应用中，很多应用场合都需要同时能监测多个参数。但现有的分布式光纤传感装置，只能测量单一的参数；要么只能测量温度，要么只能测量应力，要么测振动，无法同时对两个参数进行测量。

现有的分布式光纤传感装置存在的缺陷和不足如下：

1)只能对单一的参数进行测，无法同时测量多个参数；

2)同时测量多个参数时，采用多套系统的简单叠加来实现，系统结构复杂且成本较高；

3)测量多个参数时需要多根光纤，占用光纤资源大；

4)采用计算机处理数据，处理速度慢，影响传感系统的响应速度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种能够同时测量两路参数信号的分布式光纤传感装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：具有两种参数测量功能的分布式光纤传感装置，激光器发出连续的光信号经过光分路器分成两路光信号，其中一路输送至声光调制器，另一路输送至光纤耦合器，所述声光调制器由脉冲驱动器驱动向光放大器发出脉冲光信号，所述光放大器将放大的脉冲光信号经过环形器输入到传感光纤中，所述传感光纤中产生的后向散射光通过所述环形器的返回端口输出到滤波分光器中；

所述滤波分光器具有三路输出，将输入的光信号中的瑞利散射光、斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光分离输出，所述瑞利散射光输送至所述的光纤耦合器，所述光纤耦合器输出光信号至光电探测器c,所述光电探测器c输出电信号至数据采集器a将模拟电信号转换成数字电信号并向外输出，所述斯托克斯光和反斯托克斯分别输送至光电探测器a和光电探测器b，所述光电探测器a和光电探测器b输出电信号至数据采集器b将模拟电信号转换成数字电信号并向外输出。

本发明分布式光纤传感装置可以实现对温度和振动进行同时测量；在同一根光纤中实现了振动和温度的传感，节约了光纤资源，节约了成本；采用干涉法对瑞利后向散射光进行解调，提高振动信号传感的灵敏度；采用高速FPGA芯片对数据进行处理，提高了系统的传感速度。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：

图1为本发明分布式光纤振动温度融合传感装置结构图；

图2为本发明滤波分光器结构图。

具体实施方式

如图1所示，具有两种参数测量功能的分布式光纤传感装置包括激光器1、光分路器2、声光调制器3、光放大器4、环形器5、传感光纤6、脉冲驱动器7、滤波分光器8、光纤耦合器9、光电探测器、数据采集器、数据处理器15和计算机16。下面以同时对温度和振动进行实时分布式测量的装置为例进行说明。

激光器1，采用窄线宽的光纤激光器1，用于产生功率为0-40mW、光谱宽度小于10kHz的连续光信号；

光分路器2，用于将激光器1输出的光信号分成两路，两路光的分光比为9:1；

脉冲驱动器7，用于将激光器1发出的连续光信号调制成所需要的脉冲光信号；

光放大器4，采用掺铒光纤放大器，用于对调制后的脉冲光纤进行放大，放大倍数可调；

环形器5，采用光纤环形器5，用于将光纤中返回的后向散射光分离出来，输出给滤波分光器8；

滤波分光器8，采用光纤和透反式滤波片组合，将后向散射光中的瑞利散射光、斯托克斯散射光、反斯托克斯散射分离出来；

光纤耦合器9，将光分路器2的其中一路输出光信号和瑞利后向散射光信号进行耦合，实现对瑞利后向散射光的干涉解调；

光电转换器，采用高灵敏度APD雪崩二极管来探测激光，将光信号转换电信号；

数据采集器，采用高速数据采集芯片，运行速度为100Mb/s；

数据处理器15，采用高速FPGA处理芯片，实现对后向散射光进行分析和处理；

传感光纤6，采用康宁公司的SM-28e+型普通单模光纤，用于对外界振动和温度的传感；

计算机16，采用工业级计算机16，实现数据的存储和展示。

其中计算机16和传感光纤6是外围设备，其他设备是封闭在一个箱体内，计算机16通过数据通信接口和数据处理器15进行通信读取内部数据，并将数据显示在图形界面上。

装置连接结构如下：激光器1输出连续的光信号经过光分路器2后被分成9:1的两路光信号，其中功率为90％的一路光信号由声光调制器3调制成一定宽度、一定重复频率的脉冲光信号，声光调制器3由脉冲驱动器7驱动，脉冲信号被光放大器4放大后，经过环形器5输入到传感光纤6中；传感光纤6中产生的后向散射光通过环形器5的返回端口输出到滤波分光器8中；滤波分光器8通过透反式滤波片组合的方式将后向散射光中的瑞利散射光、斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光分离出来；瑞利后向散射光和光源分出的10％的一路光在光纤耦合器9中耦合形成干涉，由光电探测器c12将光信号转换成电信号，再由数据采集器a13将模拟电信号转换成数字电信号；斯托克斯光和反斯托克斯分别由光电探测器a10和光电探测器b11转换成电信号，再由数据采集器b14将模拟电信号转换成数字电信号，并在数据采集器b14中对这两路光信号进行累加预处理；数据处理器15对数据采集器a13和数据采集器b14传输来的数据进行分析处理，得出分布式光纤振动数据和分布光纤温度数据；计算机16接收数据处理器15传输来的分布式光纤振动数据和分布光纤温度数据，并对数据进行存储和显示。

如图2所示，滤波分光器8采用三个透反式滤波片组合的方式将后向散射光中的瑞利散射光、斯托克斯散射光、反斯托克斯散射光分离开。后向散射首先经过透反镜a，透反镜a表面镀上1550nm波长光的透射材料，使得波长为1550nm的光透过透反镜a，其他波长的全部被反射到透反镜b上；透反镜b表面镀上1450nm波长光的透射材料，使得波长为1450nm的反斯托克斯光透过透反镜b，其他波长的全部被反射到透反镜c上；透反镜c表面镀上1663nm波长光的透射材料，使得波长为1663nm的光透过透反镜c，其他波长的全部被反射出去。从而实现了将瑞利散射光、斯托克斯散射光、反斯托克斯散射光从后向散射光中分离开。

工作原理如下：装置启动后，窄线宽激光器1输出连续的光信号，经过光分路器2后被分成9:1的两路光信号，功率为90％的一路光信号由声光调制器3调制成一定宽度、一定重复频率的脉冲光信号，声光调制器3由脉冲驱动器7驱动，脉冲信号被光放大器4放大后，经过环形器5输入到传感光纤6中，传感光纤6中产生的后向散射光通过环形器5的返回端口输出到滤波分光器8中，滤波分光器8通过透反式滤波片组合的方式将后向散射光中的瑞利散射光、斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光分离出来，瑞利后向散射光和光源分出的10％的一路光在光纤耦合器9中耦合形成干涉，由光电探测器c12将光信号转换成电信号，再由数据采集器a13将模拟电信号转换成数字电信号；斯托克斯光和反斯托克斯分别由光电探测器a10和光电探测器b11转换成电信号，再由数据采集器b14将模拟电信号转换成数字电信号，并在数据采集器中对这两路光信号进行累加预处理，数据处理器15对数据采集器a13和数据采集器b14传输来的数据进行分析处理，得出分布式光纤振动数据和分布光纤温度数据，计算机16接收数据处理器15传输来的分布式光纤振动数据和分布光纤温度数据，并对数据进行存储和显示。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.具有两种参数测量功能的分布式光纤传感装置，其特征在于：激光器发出连续的光信号经过光分路器分成两路光信号，其中一路输送至声光调制器，另一路输送至光纤耦合器，所述声光调制器由脉冲驱动器驱动向光放大器发出脉冲光信号，所述光放大器将放大的脉冲光信号经过环形器输入到传感光纤中，所述传感光纤中产生的后向散射光通过所述环形器的返回端口输出到滤波分光器中；

所述滤波分光器具有三路输出，将输入的光信号中的瑞利散射光、斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光分离输出，所述瑞利散射光输送至所述的光纤耦合器，所述光纤耦合器输出光信号至光电探测器c,所述光电探测器c输出电信号至数据采集器a将模拟电信号转换成数字电信号并向外输出，所述斯托克斯光和反斯托克斯分别输送至光电探测器a和光电探测器b，所述光电探测器a和光电探测器b输出电信号至数据采集器b将模拟电信号转换成数字电信号并向外输出。

2.根据权利要求1所述的具有两种参数测量功能的分布式光纤传感装置，其特征在于：所述的滤波分光器内三个透反镜，并采用三个透反式滤波片组合的方式将后向散射光中的瑞利散射光、斯托克斯散射光、反斯托克斯散射光分离开，其中透射出瑞利散射光的透反镜a表面镀有1550nm波长光的透射材料，其中透射出斯托克斯散射光的透反镜b表面镀有1450nm波长光的透射材料，其中透射出反斯托克斯散射光透反镜c表面镀有1663nm波长光的透射材料。

3.根据权利要求1或2所述的具有两种参数测量功能的分布式光纤传感装置，其特征在于：所述的数据采集器a和数据采集器b分别输出分布式光纤振动数据和分布光纤温度数据至数据处理器，并处理后的数据输送至计算机进行存储和显示。

4.根据权利要求3所述的具有两种参数测量功能的分布式光纤传感装置，其特征在于：所述光分路器两路光的分光比为9:1，其中比例较大的光信号输送至声光调制器。