CN114113809B - 一种分布式电场光纤传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学技术领域，公开的是一种分布式电场光纤传感系统，由控制分析系统、激光光源、光纤环形器、特制的电致变色传感光纤、光纤反射镜和光谱探测接收器组成，利用电场变化引起特制的传感光纤内掺杂的特殊金属离子价态变化和官能团变化，通过时域脉冲信号探测金属离子及其官能团的背向拉曼散射频移值与强度和布里渊散射频移值与强度以及特定波长光的透过率，并通过时域控制，进行交互脉冲光探测，进而精确地探测到整个传感光纤长度范围内任意点的电场变化强度，电场变化位置，及电场变化范围长度等信息，实现分布式的电场光纤传感。其全光纤结构大大提高了抗腐蚀抗电磁干扰能力，可广泛用于各类复杂环境下的电场传感。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种分布式电场光纤传感系统。
背景技术
现代工业的高速发展，对电网的输送和检测提出了更高的要求，传统的高压大电流的测量手段将面临严峻的考验.随着光纤技术和材料科学的发展而发展起来的光纤电流传感系统，因具有很好的绝缘性和抗干扰能力，较高的测量精度，容易小型化，没有潜在的爆炸危险等一系列优越性，而受到人们的广泛重视。
目前常规的光纤电流传感器的原理是磁光晶体的法拉弟效应，根据公式θ＝VBI，通过对法拉弟旋转角θ的测量，可得到电流所产生的磁场强度，从而可以计算出电流大小，在通过光纤将信号传输回去，此探测方法光纤的作用只是起到传输的作用，探测元件依然是磁旋光晶体，探测光路比较复杂，而且探测光路上存在多个光纤与晶体的耦合点，极易受到外界因素的干扰，影响测试精度，而且是定点测试，只能探测磁旋光晶体所在位置的电场强度变化，大大制约了光纤传感的应用。
本发明的一种分布式电场光纤传感系统利用电场变化引起特制的掺杂特殊金属离子的传感光纤内金属离子价态变化和官能团变化的原理，通过时域脉冲信号探测金属离子及其官能团的背向拉曼散射强度和布里渊散射强度以及特定波长光的透过率，三种探测方法通过同一个探测模块探测，大大提高了探测的灵敏度；并通过时域控制，进行交互脉冲光探测，进而精确地探测到整个传感光纤长度范围内任意点的电场变化强度，电场变化位置，及电场变化范围长度等信息，实现分布式的电场光纤传感。其全光纤结构大大提高了测试精度和抗腐蚀抗电磁干扰能力，可广泛用于各类复杂环境下的电场传感。
发明内容
本发明的原理是基于本研究室特制的光致变色光纤的变色机理，将掺杂高浓度特种金属氧化物如WO3、MoO3、TiO2、NiO等材料制成的玻璃作为纤芯材料，通过拉丝制备出纤芯只有零点几微米到几微米的传感光纤，使得氧化钨等特种金属离子均匀的分布在整个传感光纤的纤芯中，而钨离子玻璃材料在有外电场加持的情况下，特别是因为光纤的纤芯极细，只有零点几微米到几微米，在包层特殊离子和电子注入到纤芯后，钨离子等特殊金属离子的价态能够快速的随着电场的变化而产生响应，部分金属离子形成新的价态和离子官能团，不同价态的离子和官能团对应的背向拉曼散射光谱的频移和布里渊散射的光谱频移值随之发生变化，同时官能团的变化引起颜色的变化，颜色变化的机理就是官能团对某一特定波长的光的吸收特性发生变化。
以氧化钨为例，在外加电场条件下，电子和阳离子同时进入到原子晶格间结点的缺陷位置形成Mx官能团，呈蓝色。即有以下反应机理：
WO3(无色)+xM+xe→MxWO3(蓝色)
式中M一般为H、Li、Na、Ag等，0<x<1，例如Li注入后形成LixWO3。
通过探测背向拉曼散射频移值和强度和布里渊散射频移值和强度以及特定波长光的透过率就可以准确的探测出金属离子价态变化率和不同官能团含量的变化情况，其中散射频移值用于确认不同官能团的种类，散射强度用于确认不同官能团的含量。并通过前期测试建立电场变化与光谱变化的对应关系图谱，从而建立标准比对卡，之后便可以通过测试背向拉曼散射频移值和强度和布里渊散射频移值和强度以及特定波长光的透过率来直接对比计算出电场的强度变化信息。同时通过时域交互控制的方法，探测返回拉曼频移光的时间信息，根据特定波长的光在相应光纤折射率的传输速度，根据时间信息和速度大小，即可测算出电场发生变化的开始位置和结束位置，并比对特定波长的透过率，以WO3变色反应为例，变色后成蓝色，则对应蓝色在450nm-480nm波长的光被吸收散射的强度增强，此波长光的透过率发生变化，即对应特定波长在光纤中传输的损耗信息，从而更进一步的精确地探测到整个传感光纤长度范围内任意点的电场变化强度，电场变化位置，及电场变化范围长度等信息。
本发明结合了背向拉曼散射频移值的大小和强度、背向布里渊散射的频移值大小和强度、特定波长的透过率即本征损耗，来共同确定电场强度变化，极大的增加了测量的精确度，利用时域脉冲交互探测方法，精确地探测到整个传感光纤长度范围内任意点的电场变化强度，电场变化位置，及电场变化范围长度等信息，实现分布式的电场光纤传感。
本发明通过在光纤尾端增加一个反射模块，使得光程长度增加了2倍，且每一束脉冲光可以探测两次电场区域的信息，通过拟合计算，可以进一步的提高测量精度。
本发明的控制分析系统可以将采集到的的光谱频率信息、功率信息和时域信息通过计算拟合并对比电场变化与光谱变化的对应关系图谱，可以直接显示出电场变化强度，电场变化位置，及电场变化范围长度等信息，易用性极强。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的一种一种分布式电场光纤传感系统的结构示意图。
具体实施方式
为达到本发明的目的，以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1所示，一种分布式电场光纤传感系统由控制分析系统1、激光光源2、光纤环形器6、电致变色传感光纤7、光纤反射镜8和光谱探测接收器3组成；控制分析系统1通过数据线分别与激光光源2和光谱探测接收器3连接，激光光源2发出的脉冲光通过光纤环形器6的输入接口4耦合进电致变色传感光纤7中，光纤反射镜8位于电致变色传感光纤7的尾端，可将传感光纤7中的光原路反射回去，光纤反射镜8反射回去的光和传感光纤7中不断产生的后向拉曼散射光和布里渊散射光可通过光纤环形器6的输出端口5耦合进光谱探测接收器3，最终被控制分析系统1接收到探测的光谱信号并分析输出整个传感光纤场域中的电场变化信息图谱。
本发明的电致变色传感光纤7是一种特殊金属离子掺杂的电致变色玻璃光纤，可以是氧化钨高浓度掺杂的石英玻璃光纤，也可以是氧化钨高浓度掺杂的多组分氧化物或氧氟化物玻璃光纤，本发明优选氧化钨高浓度掺杂的碲氧氟化物玻璃光纤。
本发明的光纤反射镜8可以是直接在传感光纤7的尾端镀一定反射比例的反射膜，也可以是与光纤端面耦合并贴合的金属膜或介质膜反射镜，还可以是相应波长的高反光纤光栅，可以将探测光的光程扩大成2倍，同时可以将探测吸收光谱的光反射回探测器。
将掺杂高浓度特种金属氧化物如氧化钨等材料制成的玻璃作为纤芯材料，通过拉丝制备出纤芯只有几微米的传感光纤，使得氧化钨等特种金属离子均匀的分布在整个传感光纤的纤芯中，而钨离子玻璃材料在有外电场加持的情况下，特别是因为光纤的纤芯极细，只有几微米，钨离子等特殊金属离子的价态会随着电场的变化而变化，部分金属离子形成新的价态和离子官能团，不同价态的离子和官能团对应的背向拉曼散射光谱的频移和布里渊散射的光谱频移值随之发生变化，同时官能团的变化引起颜色的变化，颜色变化的机理就是官能团对某一特定波长的光的吸收特性发生变化，通过探测背向拉曼散射频移值和强度和布里渊散射频移值和强度以及特定波长光的透过率就可以准确的探测出金属离子价态变化率和不同官能团含量的变化情况，其中散射频移值用于确认不同官能团的种类，散射强度用于确认不同官能团的含量。
本发明的控制分析系统1包含时域脉冲控制单元和光谱信息分析运算单元，其中时域脉冲控制单元可以控制激光光源2发射包含一定波长频率信息和时域信息的脉冲光。此脉冲光经过环形器6耦合进传感光纤中，脉冲光在传播的途中不断的产生背向拉曼散射光谱的频移和布里渊散射的光谱频移，频移光可通过传感光纤原路返回，经过环形器6时通过输出端口5耦合进光谱探测接收器3中。而正向的特定波长的光在经过光纤后发生本征损耗，并经过光纤反射镜模块8原路返回，再经过电场区域的时候，会再次发生本征损耗，并最终通过环形器6的输出端口5耦合进光谱探测接收器3中。
控制分析系统1中的光谱信息分析运算单元可以将光谱探测接收器3接收到的信号光、背向拉曼散射光和布里渊散射光的波长频率信息、功率强度信息和时域信息进行分析运算，将采集到的光谱频率信息、功率信息和时域信息通过计算拟合并对比电场变化与光谱变化的对应关系图谱，可以直接显示出整个传感光纤长度范围内任意点的电场变化强度，电场变化位置，及电场变化范围长度等信息，实现全光纤分布式光纤传感。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种分布式电场光纤传感系统，其特征在于分布式电场光纤传感系统由控制分析系统(1)、激光光源(2)、光纤环形器(6)、电致变色传感光纤(7)、光纤反射镜(8)和光谱探测接收器(3)组成；控制分析系统(1)通过数据线分别与激光光源(2)和光谱探测接收器(3)连接，激光光源(2)发出的脉冲光通过光纤环形器(6)的输入接口(4)耦合进电致变色传感光纤(7)中，光纤反射镜(8)位于电致变色传感光纤(7)的尾端，可将传感光纤(7)中的光原路反射回去，光纤反射镜(8)反射回去的光和传感光纤(7)中不断产生的后向拉曼散射光和布里渊散射光可通过光纤环形器(6)的输出端口(5)耦合进光谱探测接收器(3)，最终被控制分析系统(1)接收到探测的光谱信号并分析输出整个传感光纤场域中的电场变化信息图谱。
2.根据权利要求1所述的一种分布式电场光纤传感系统，其特征在于所述的控制分析系统(1)包含时域脉冲控制单元和光谱信息分析运算单元，其中时域脉冲控制单元可以控制激光光源(2)发射包含一定波长频率信息、功率信息和时域信息的脉冲光，其中光谱信息分析运算单元可以将光谱探测接收器(3)接收到的信号光、背向拉曼散射光和布里渊散射光的波长频率信息、功率强度信息和时域信息进行分析运算，并按照电场变化信息与光场信息的对应关系，计算并输出整个光纤传感场域的电场变化信息。
3.根据权利要求1所述的一种分布式电场光纤传感系统，其特征在于所述的激光光源(2)是一种带光纤耦合输出的可调谐脉冲宽谱光源，可以在控制分析系统(1)的控制下发射特定波长、特定功率和特定脉冲宽度的光孤子信号。
4.根据权利要求1所述的一种分布式电场光纤传感系统，其特征在于所述的电致变色传感光纤(7)的纤芯玻璃中高浓度掺杂WO3，包层SiO2玻璃掺杂一定比例NaF或LiF。
5.根据权利要求1所述的一种分布式电场光纤传感系统，其特征在于所述的电致变色传感光纤(7)的纤芯直径范围在0.5μm-4μm，包层直径约125μm。
6.根据权利要求1所述的一种分布式电场光纤传感系统，其特征在于所述的光纤反射镜(8)可以是直接在传感光纤(7)的尾端镀一定反射比例的反射膜，也可以是与光纤端面耦合并贴合的金属膜或介质膜反射镜，还可以是相应波长的高反光纤光栅，从而实现全光纤传感结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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