CN109959403B - 一种多参量大容量传感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光纤光栅传感技术领域，具体指一种多参量大容量传感系统；包括依次通过光纤连接的窄线宽脉冲激光器、掺饵光放大器、环形器、匹配干涉仪、反射光检测单元和计算机；所述环形器上连接有偏心光纤，偏心光纤上刻写有超低反射率光栅阵列；本发明结构合理，该系统采用偏芯光纤超低反射率光栅阵列作为传感单元获得较强的倏逝场，使系统探测敏感度和信噪比得以大大提升；通过Φ‑OTDR技术对瑞利散射光进行有效放大，探测输入光和接收光之间的延时来确定信号点的位置，实现多点测量；而相干检测技术在外界信号的作用下，通过检测相邻偏芯超低反射率光栅之间干涉信号的相位变化，从而解调出外界的信号，实现对温度、振动及应变的多参量大容量检测。

Description

一种多参量大容量传感系统
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感技术领域，具体指一种多参量大容量传感系统。
背景技术
随着光纤传感技术的发展及其传感能力的飞速提升，光纤传感网络正在向大容量和多参量测量方向发展。在光纤传感技术中，光纤光栅传感技术是其非常重要的一种传感技术。它除了包括光纤传感技术的所有优点以外，还有其特有的一些优势：可以在单根光纤中写入很多光栅，组成传感阵列，实现分布式传感等。传统的光纤光栅传感采用波分复用的方式，受光源带宽限制，单根光纤上能够复用的传感器数量只有数十个。
弱光纤光栅因其反射率低，大大增加了传感器的复用数量而被广泛应用。如中国专利CN107478577A公开的一种基于弱光纤光栅和光时域反射仪的复用光纤气体传感系统，通过一个串行光纤链路，实现了对甲烷气体浓度的检测和位置信息的获取。其特点在于能够实现远距离、多点式的在线监测，但光时域反射仪技术(OTDR)多采用宽带脉冲，大大降低了整个探测系统的空间分辨率，同时降低了探测精度。
中国激光201744(02)：0210001基于弱光纤光栅阵列的分布式振动探测系统研究(文泓桥等)，提出了一种分布式弱光纤光栅阵列振动探测系统，可以得到振动信号的频率、相位和位置等相关信息,从而实现高灵敏度分布式测量。但对于温度、应变等物理量只能定位检测，无法实现动态定量实时监测。
现有的以弱光栅作为传感单元对多参量进行测量的传感系统均存在探测系统敏感度不高、测量精度不足以及系统信噪比低等问题。因此，有必要对现有技术进行改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构合理、灵敏度高、可实现长距离多点式分布测量的多参量大容量传感系统。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的一种多参量大容量传感系统,包括依次通过光纤连接的窄线宽脉冲激光器、掺饵光放大器、环形器、匹配干涉仪、反射光检测单元和计算机；所述环形器上连接有偏心光纤，偏心光纤上刻写有超低反射率光栅阵列。
根据以上方案，所述匹配干涉仪为基于3×3耦合器的马赫-曾德尔干涉仪，匹配干涉仪包括2×2耦合器，环形器与2×2耦合器的输入端连接，2×2耦合器的两个输出端分别与3×3耦合器的其中两个输入端连接，3×3耦合器的三个输出端分别与反射光检测单元连接。
根据以上方案，所述匹配干涉仪和反射光检测单元采用Φ-OTDR技术与相干检测技术结合，通过检测相邻的超低反射率光栅之间干涉信号的相位变化，从而解调出外界的信号。
根据以上方案，所述偏心光纤的规格参数：偏芯距为55μm，弯曲半径为1.6μm，折射率为1.46。
根据以上方案，所述超低反射率光栅阵列的反射率小于-35dB。
本发明有益效果为：本发明结构合理，该系统采用偏芯光纤超低反射率光栅阵列作为传感单元获得较强的倏逝场，使系统探测敏感度和信噪比得以大大提升；该系统采用Φ-OTDR技术与相干检测技术相结合，当外界信号在光栅阵列上作用时，通过Φ-OTDR技术对瑞利散射光进行有效放大，通过探测输入光和接收光之间的延时来确定信号点的位置，实现多点测量；而相干检测技术在外界信号的作用下，光纤折射率会产生变化，通过检测相邻偏芯超低反射率光栅之间干涉信号的相位变化，从而解调出外界的信号，实现对温度、振动及应变的多参量大容量检测。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图中：
1、窄线宽脉冲激光器；2、掺饵光放大器；3、环形器；4、匹配干涉仪；5、反射光检测单元；6、计算机；7、偏心光纤；41、3×3耦合器；42、2×2耦合器；71、超低反射率光栅阵列。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。
如图1所示，本发明所述的一种多参量大容量传感系统,包括依次通过光纤连接的窄线宽脉冲激光器1、掺饵光放大器2、环形器3、匹配干涉仪4、反射光检测单元5和计算机6；所述环形器3上连接有偏心光纤7，偏心光纤7上刻写有超低反射率光栅阵列71；所述传感系统以偏芯光纤7上的超低反射率光栅阵列71作为传感单元，偏心光纤7上的超低反射率光栅阵列71具有较强的倏逝场，从而使传感系统的探测敏感度及信噪比得以大大提升。
所述匹配干涉仪4为基于3×3耦合器41的马赫-曾德尔干涉仪，匹配干涉仪4包括2×2耦合器42，环形器3与2×2耦合器42的输入端连接，2×2耦合器42的两个输出端分别与3×3耦合器的其中两个输入端连接，3×3耦合器的三个输出端分别与反射光检测单元5连接；所述匹配干涉仪4和反射光检测单元5采用Φ-OTDR技术与相干检测技术结合，当外界信号在光栅阵列上作用时，Φ-OTDR技术对瑞利散射光进行有效放大，通过探测输入光和接收光之间的延时来确定信号点的位置，实现多点测量；而相干检测技术在外界信号的作用下，光纤折射率会产生变化，通过检测偏芯光纤7上的超低反射率光栅71之间干涉信号的相位变化，从而解调出外界的信号，实现对温度、振动及应变的多参量大容量检测。
本发明的工作原理如下：
2×2耦合器42输出端口将光源分为两束相同的光通过光纤传输给3×3耦合器41，构成基于3×3耦合器41的Mach-Zehnder干涉仪解调系统的匹配干涉仪4；窄线宽脉冲激光器1发射的脉冲光经掺饵光纤放大器2(EDFA)放大，放大后的光信号通过环形器3进入偏芯光纤7；偏芯光纤7上的超低反射率光栅阵列71的光信号经由环形器3和光纤进入匹配干涉仪4，所得干涉光信号经3×3耦合器41传送至反射光检测单元5，反射光检测单元5将干涉光信号转换为电信号，并进行数据采集及计算机7处理和显示，从而实现对温度、振动及应变的多参量大容量检测；所述的匹配干涉仪4为基于3×3耦合器41的马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer)，与3×3相位解调方法相结合，实现位相探测到达120°，3×3耦合器41的三个输出信号有恒定的相位差，当其中一路信号减弱时，其他两路信号的输出会变强，对这三路信号进行信号解调，可以使系统始终处于最佳工作状态，可实现高灵敏度的线性应变和振动探测。
所述偏心光纤7的规格参数：偏芯距为55μm，弯曲半径为1.6μm，折射率为1.46；偏心光纤7利用构造于光纤包层与空气界面处的表面芯直接获得较强的倏逝场，与普通单模光纤弱光栅阵列相比，大大提高了偏芯超低反射率光栅阵列71的探测敏感度及系统的信噪比。
所述超低反射率光栅阵列71的反射率小于-35dB；超低反射率光栅阵列71的反射率越低，多次反射串扰对待测信号的影响越小，从而可实现大规模光栅复用，光栅复用个数可达3000，对长距离信号探测具有较大优势。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (3)

1.一种多参量大容量传感系统,其特征在于：包括依次通过光纤连接的窄线宽脉冲激光器、掺饵光放大器、环形器、匹配干涉仪、反射光检测单元和计算机；所述环形器上连接有偏心光纤，偏心光纤上刻写有超低反射率光栅阵列；
所述匹配干涉仪为基于3×3耦合器的马赫-曾德尔干涉仪，匹配干涉仪包括2×2耦合器，环形器与2×2耦合器的输入端连接，2×2耦合器的两个输出端分别与3×3耦合器的其中两个输入端连接，3×3耦合器的三个输出端分别与反射光检测单元连接；
所述匹配干涉仪和反射光检测单元采用Φ-OTDR技术与相干检测技术结合，通过检测相邻的超低反射率光栅之间干涉信号的相位变化，从而解调出外界的信号。
2.根据权利要求1所述的多参量大容量传感系统，其特征在于：所述偏心光纤的规格参数：偏芯距为55μm，弯曲半径为1.6μm，折射率为1.46。
3.根据权利要求1所述的多参量大容量传感系统，其特征在于：所述超低反射率光栅阵列的反射率小于-35dB。
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