CN106643544A - 一种温度增敏型分布式布里渊光纤传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种温度增敏型分布式布里渊光纤传感器，属于光学领域，包括：激光器、光纤耦合器、一号偏振控制器、电光调制器、任意函数发生器、扰偏仪、探测器和示波器，激光器通过光纤耦合器分成的上支路光作为泵浦光，经过一号偏振控制器调节偏振态后进入电光调制器，在任意函数发生器控制下，经过一号光纤环形器进入传感光纤，下支路提供探测光，电光调制器将微波发生器产生的微波信号加载到探测光上，传感光纤中产生的斯托克斯光经过一号环形器进入二号环形器，利用光纤布拉格光栅滤出下边频，进入探测器转换成电信号，在示波器上显示。本发明镀金涂覆层可以有保护光纤在高温下不被破坏，阻止其晶化，大大提高了光纤的机械强度。

Description

一种温度增敏型分布式布里渊光纤传感器
技术领域
本发明涉及一种温度增敏型分布式布里渊光纤传感器，属于光学领域。
背景技术
光纤作为一种以光为媒介的传感器，抗电磁干扰，能够适应恶劣的自然环境；损耗低，适用于长距离传感；光纤本身即是信号的传输通道，又是传感器。光纤因其体积小、重量轻、抗电磁干扰、对温度和应变敏感等独特优点而被广泛研究。
布里渊光时域分析技术是受激布里渊散射和光时域分析技术的结合。受激布里渊散射包括两束反向传播的光波，即泵浦光和探测光，泵浦光和探测光的频率差被称为布里渊频移(Brillouin Frequency shift)，简称BFS，布里渊散射光的光谱被称为布里渊增益谱(Brillouin Gain Spectrum)。通过逐步改变泵浦光和探测光的频率差，使其在布里渊频移附近变化，就可以获得布里渊增益谱。由于光纤中每一点的布里渊频移与光纤该点的受力状态和温度变化有关，通过对布里渊增益谱中心频移的解调，便可得知温度或应变的大小。
光时域分析技术由脉冲泵浦光和连续的探测光组成，脉冲光的宽度决定分布式探测的空间分辨率。脉冲光在光纤中传播时与连续光相互作用，光纤中各点依次发生受激布里渊散射效应，产生斯托克斯光。通过计算斯托克斯光与泵浦光的时间差τ，便可在时域上进行分析。信号中每个时间点所对应光纤中的位置可由下式得到：
其中：n是光纤的折射率，c是真空中的光速。
基于布里渊光时域分析技术的光纤传感可以同时对外界环境进行温度和应变的分布式探测，因而可以被很好地应用于石油天然气管线泄露监测，电力电缆温度监测，大型民用工程结构健康监测，地铁隧道变形监测和火灾预警等等。分布式布里渊光时域分析技术的技术以光纤作为传光介质和传感单元，可以实现对待测目标在空间上连续的应变测量，布线简单，易于组网，信噪比高，测量精度高，具有测量距离长和空间分辨率高等特点。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提出了一种温度增敏型分布式布里渊光纤传感器。该传感器的制造方法是将镀金单模光纤在1000度高温下退火，释放光纤在生产过程中累积的内应力，以提高光纤的温度灵敏度。采用镀金光纤光纤的原因是在高温状态下，黄金涂敷层可以有效保护石英单模光纤，并且阻止其与空气中的氢气发生晶化反应，进而大大提高了镀金光纤的机械性能。与塑料涂覆层光纤相比，这种镀金光纤退火后不仅提高的温度灵敏度，而且可以重复使用，大大提高了光纤的实用性。
本发明的技术方案：
一种温度增敏型分布式布里渊光纤传感器，包括：激光器、光纤耦合器、一号偏振控制器、电光调制器、任意函数发生器、扰偏仪、掺铒光纤放大器、二号偏振控制器、电光调制器、微波发生器、光学隔离器、掺铒光纤放大器、传感光纤、一号光纤环形器、二号光纤环形器、光纤光栅滤波器、探测器和示波器，
所述激光器通过光纤耦合器分成的上支路光作为泵浦光，经过一号偏振控制器调节偏振态后进入电光调制器，在任意函数发生器控制下，电光调制器输出脉冲波形经过扰偏仪扰乱偏振态后被掺铒光纤放大器放大，经过一号光纤环形器进入传感光纤；
下支路提供探测光，经过二号偏振控制器调节偏振态后进入电光调制器，电光调制器将微波发生器产生的微波信号加载到探测光上，经过光纤隔离器和掺铒光纤放大器放大后，进入传感光纤；
所述传感光纤中产生的斯托克斯光经过一号环形器进入二号环形器，利用光纤布拉格光栅滤出下边频，再经过二号环形器，进入探测器转换成电信号，在示波器上显示。
进一步，所述传感光纤结构分为三层，从内至外为纯石英纤芯、掺杂石英包层和镀金涂敷层。
进一步，所述激光器可为可调谐光纤激光器或分布反馈式半导体激光器DFB或保偏光纤输出。
进一步，所述探测器为差分探测器或光电探测器。
本发明具有以下有益效果：
本发明提出的增敏型分布式布里渊传感器温度系数高提高20％，对温度更敏感。镀金涂覆层可以有保护光纤在高温下不被破坏，阻止其晶化，大大提高了光纤的机械强度。传感器传感距离长，空间分辨率高，测量精度高，重复性好。纤芯由纯净石英光纤组成，包层由掺杂石英组成，涂敷层由黄金组成。黄金涂敷层可以耐高温，在高温下保护光纤，并且阻止其晶化，可以有效提高光纤机械强度，提高光纤重复使用性。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明退火与未退火光纤温度系数对比坐标系；
图3是镀金光纤端面结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细说明。
具体实施方式一：本实施方式所述一种使用镀金光纤，实现增敏型分布式布里渊光纤传感器。激光器1输出频率为ν0的连续激光，经过光纤耦合器2分成两路光分别提供泵浦光与探测光，光纤耦合器分光比为50：50。上路连续光先经过一号偏振控制器3调制偏振态，进入电光调制器4。在任意函数发生器5控制下，电光调制器4输出脉冲波形经过扰偏仪6扰乱偏振态后被掺铒光纤放大器7放大，经过光纤环形器14进入待测光纤13。
下支路提供探测光，经过二号偏振控制器8调节偏振态后进入电光调制器9，电光调制器9的作用是将微波发生器10产生的微波信号加载到探测光上，在原载波光基础上产生频差为布里渊频移νB的上下边频光，其频率分别为ν0±νB，其中ν0为原激光器频率。经过光纤隔离器11和掺铒光纤放大器12放大后，进入待测光纤13。
泵浦光和探测光在待测光纤13中发生受激布里渊散射现象，产生的斯托克斯光经过一号环形器14进入二号环形器15，利用光纤布拉格光栅16滤出下边频频率为ν0-νB，再经过二号环形器15，进入探测器17转换成电信号，在示波器18上显示。
具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，传感光纤13两端采用偏振控制器调节偏振态。
具体实施方式三：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，使用单边带调制器产生边频光作为探测光。
具体实施方式四：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，采用可调谐滤波器虑出斯托克斯光。

Claims (4)

1.一种温度增敏型分布式布里渊光纤传感器，包括：激光器(1)、光纤耦合器(2)、一号偏振控制器(3)、电光调制器(4)、任意函数发生器(5)、扰偏仪(6)、掺铒光纤放大器(7)、二号偏振控制器(8)、电光调制器(9)、微波发生器(10)、光学隔离器(11)、掺铒光纤放大器(12)、传感光纤(13)、一号光纤环形器(14)、二号光纤环形器(15)、光纤光栅滤波器(16)、探测器(17)和示波器(18)，其特征在于，
所述激光器(1)通过光纤耦合器(2)分成的上支路光作为泵浦光，经过一号偏振控制器(3)调节偏振态后进入电光调制器(4)，在任意函数发生器(5)控制下，电光调制器(4)输出脉冲波形经过扰偏仪(6)扰乱偏振态后被掺铒光纤放大器(7)放大，经过一号光纤环形器(14)进入传感光纤(13)；
下支路提供探测光，经过二号偏振控制器(8)调节偏振态后进入电光调制器(9)，电光调制器(9)将微波发生器(10)产生的微波信号加载到探测光上，经过光纤隔离器(11)和掺铒光纤放大器(12)放大后，进入传感光纤(13)；
所述传感光纤(13)中产生的斯托克斯光经过一号环形器(14)进入二号环形器(15)，利用光纤布拉格光栅(16)滤出下边频，再经过二号环形器(15)，进入探测器(17)转换成电信号，在示波器(18)上显示。
2.根据权利要求1所述一种温度增敏型分布式布里渊光纤传感器，其特征在于，所述传感光纤(13)结构分为三层，从内至外为纯石英纤芯(19)、掺杂石英包层(20)和镀金涂敷层(21)。
3.根据权利要求1所述一种温度增敏型分布式布里渊光纤传感器，其特征在于，所述激光器(1)可为可调谐光纤激光器或分布反馈式半导体激光器(DFB)或保偏光纤输出。
4.根据权利要求1所述一种温度增敏型分布式布里渊光纤传感器，其特征在于，所述探测器(17)为差分探测器或光电探测器。
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