CN117387672A - 一种通用型分布式传感光纤系统 - Google Patents
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Abstract
一种通用型分布式传感光纤系统，其特征是：它由分布式传感仪1、扇入扇出器2、单模多模兼用的四芯光纤3以及45°反射器4组成，其中分布式传感仪1由分布式温度信号模块、分布式声波/振动信号模块、两个1×2开关和尾纤构成，四芯光纤3具有纤芯均匀分布结构，每个纤芯均为双层纤芯结构，其包括内部的单模纤芯和外部的同轴折射率渐变多模纤芯，不同的双层纤芯之间有低折射率隔离层。本发明可同时用于双端环路分布式温度传感(DTS)测量和分布式声波/振动传感(DAS/DVS)多通道同步校验测量，可广泛用于大坝、桥梁、飞机等大型结构的应力场分布和温度场分布的监测等领域。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种通用型分布式传感光纤系统，本发明可同时用于双端环路分布式温度传感(DTS)测量和分布式声波/振动传感(DAS/DVS)多通道同步校验测量，属于光纤分布式传感技术领域。
(二)背景技术
在实际的测量应用中，单个物理量测量的传感已经无法满足人们对事物整体或者系统状态感知的要求，这往往需要对多个或者多点物理量的分布进行在线或者实时的量测。
一般地，单个光纤在同一次测量中只能测量一组数据，并且在距离较长的传感测量中，由于噪声的影响，同一时间内一次测量的信息量可能会不足，导致得不到精确的环境参数变化。为了提高精确度与准确性，有时会采取多次测量的方法来均衡误差，然而有些物理量的瞬间变化较快，多次测量并不能实时准确的反映环境参数的变化。因此我们需要新的方法提高分布式光纤传感的灵敏度与精确度。专利(ZL202010750954.X)利用斯托克斯(S)光和反斯托克斯(AS)光结合起来测量沿光纤每一点的温度，实现多通道的单端口测量及高温度分辨率的双端口测量，但其不具有分布式声波或振动测量功能。
本发明公开了一种通用型分布式传感光纤系统。本发明可同时用于双端环路DTS测量和DAS/DVS多通道同步校验测量，可广泛用于大坝、桥梁、飞机等大型结构的应力场分布和温度场分布的监测等领域。本发明提供了一种多功能的新型光纤系统，实现了在同一个系统上具有分布式温度测量和分布式振动或声波测量的多种功能，并且在新型四芯光纤的末端制备镀有反射膜的45°的反射圆台，减少了扇入扇出器的使用，优化了整体测量系统。与单芯光纤多次测量不同，本发明具有对称的双层纤芯，可以同时测量参数的多组数据，两个单模纤芯测试数据相互校验，可解决干涉衰落的问题。与在先技术方案相比，本发明实现了更简化的结构，具有对多个物理量的分布进行在线或者实时量测的功能，也实现了可以同时测量参数的多组数据的功能。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种多功能的通用型分布式传感光纤系统。
本发明的目的是这样实现的：
该通用型分布式传感光纤系统由分布式传感仪1、扇入扇出器2、单模多模兼用的四芯光纤3以及45°反射器4组成，其中分布式传感仪1由分布式温度信号模块、分布式声波/振动信号模块、两个1×2开关和输出端尾纤构成；扇入扇出器2由四根双包层光纤组合成光纤束构成；四芯光纤3具有纤芯均匀分布的结构，每个纤芯均为双层纤芯结构，其包括内部的单模纤芯和外部的同轴折射率渐变多模纤芯，不同的双层纤芯之间有低折射率隔离层；45°反射器4为四芯光纤3末端镀有反射膜的45°反射圆台，其作用是实现对角芯互联；分布式传感仪1与扇入扇出器2之间通过分布式传感仪1的输出端尾纤与双包层光纤尾端熔接进行连接；扇入扇出器2与四芯光纤3之间通过光纤束端面与四芯光纤3对芯熔接进行连接。
所述系统分布式传感仪1中的分布式温度信号模块发出的光经过1×2开关，此时1×2开关选定通道a1，从扇入扇出器尾端的双包层光纤a1输入，经扇入扇出器进入四芯光纤中对应的双层纤芯b1传输，光在四芯光纤中传播时产生后向散射的反斯托克斯(AS)光沿原通道回到分布式温度信号模块；将1×2开关选定通道a3，分布式温度信号模块发出的光经过1×2开关，从扇入扇出器尾端的双包层光纤a3输入，经扇入扇出器进入四芯光纤中对应的双层纤芯b3传输至45°反射器，光经45°反射器两次反射进入双层纤芯b3的对角芯b1传输，AS光沿原通道回到温度信号模块，实现了双端环路DTS测量。
双端环路DTS测量仅使用AS信号，可以消除波长相关损耗(WDL)引起的温度误差，提高了DTS的稳定性。常见的的双端测量结构是光纤折叠法，将光纤对折成两半，光纤的两端连接到DTS器件上。然后收集两端的后向散射AS信号并解调以获得温度分布。但在实际敷设环境中，使用单根光纤组成环路需要进行二次铺设。一种改进的双端DTS方案是使用多芯光纤，并且在多模光纤末端使用扇入扇出器将多芯光纤的两个选定的纤芯相连接，形成闭环。本发明双端环路结构可以减少铺设成本，并且减少了扇入扇出器的使用。
所述系统分布式传感仪1中的分布式声波/振动信号模块发出的光经过1×2开关，此时1×2开关选定通道a2，从扇入扇出器尾端的双包层光纤a2输入，经扇入扇出器进入四芯光纤中对应的双层纤芯b2传输，光在四芯光纤中传播时产生的后向瑞利散射光沿原通道回到分布式声波/振动信号模块；将1×2开关调节至选定通道a4，分布式声波/振动信号模块发出的光经过1×2开关，从扇入扇出器尾端的双包层光纤a4输入，经扇入扇出器进入四芯光纤中对应的双层纤芯b4传输，后向瑞利散射光沿原通道回到分布式声波/振动信号模块。
分布式声波/振动信号模块可以一次性接收来自b2和b4两个通道的后向瑞利散射信号，实现了同时测量参数的两组数据，对称的单模纤芯测试数据相互校验，可解决干涉衰落的问题。
定义相对折射率差即Δi为光纤各层(除外包层外)与纯二氧化硅的相对折射率差：
其中，ni为距离纤芯中心i位置的折射率；n0为纯二氧化硅材料的折射率，通常也是光纤外包层的折射率。
四芯光纤由双层纤芯、内包层、隔离层、外包层以及涂覆层组成；其中每个双层纤芯包括内部的单模纤芯和同轴的外部渐变多模纤芯，不同的双层纤芯之间的隔离层为具有低折射率的掺氟隔离层。单模纤芯半径R1为4～5um，相对折射率差Δ1＝0.9％～1.6％；单模纤芯和多模纤芯折射率渐变层之间设置的过渡平台层，厚度(R2-R1)为3～5um；所述的渐变多模纤芯为渐变型或阶跃型两种纤芯，半径R3为25um，Δ2max＝0.3％～1.1％，具有大模场面积，可承受大的输入功率，保证拉曼增益高、受激阈值高；双层纤芯与隔离层之间有内包层，厚度(R4-R3)为2～4um，Δ3＝-0.2％～0.1％；隔离层宽度(R5-R4)为5～15um，Δ4＝-0.8％～-0.2％；外包层为纯二氧化硅层。从双层纤芯中心往外的折射率分布剖面如图2所示。
四个双层纤芯距光纤中心相同距离且均匀分布，四个纤芯依次取序号b1、b2、b3和b4，如图3所示。单模内芯直径设置为9um，渐变多模外芯直径设置为50um，隔离层厚度为14um，外包层直径为300um；双层纤芯中心与光纤中心距离为75um，两两相邻双层纤芯之间的芯间距为106.07um。
为了实现双端环路DTS测量，本发明双层纤芯在光纤中应具有中心对称分布结构，并且光纤末端制备镀有反射膜的45°的反射圆台，其作用是实现对角芯互联，光进入到多模纤芯后向前传输至末端，经45°反射圆台两次反射，进入对称的另一个多模纤芯中传输，从而在对角芯中形成分布式拉曼传感环路，如图4所示。
为了实现扇入扇出器与四芯光纤的连接，双包层光纤的双层结构应与四芯光纤的双层纤芯结构相同，即双包层光纤具有单模纤芯和外部的同轴渐变多模包层以及外包层，并且双包层光纤直径与四芯光纤的双层纤芯的芯间距应相等。扇入扇出器采用双包层光纤腐蚀后组合成束，具体方法是通过蚀刻法将模场直径与四芯光纤匹配的双包层光纤用氢氟酸溶液腐蚀，蚀刻后的直径与所述的四芯光纤的相邻纤芯的芯间距相等，使得双包层光纤外径与四芯光纤的芯间距相匹配，即每一根双包层光纤均与四芯光纤中的一个双层纤芯对芯，如图5所示，双包层光纤a1、a2、a3和a4蚀刻后的光纤端面分别为c1、c2、c3和c4,其中c1与c3和c2与c4都是关于中心点对称的两根双包层光纤端面；关于光纤中心点对称的一对纤芯互为对角芯，b1和b3互为对角芯，b2和b4互为对角芯。可以通过对芯熔接的方法实现扇入扇出器与四芯光纤的连接，以此实现光信号的传输和接收。
分布式传感仪输出端尾纤有两种类型：常规单模光纤和多模光纤，通过熔接的方式与扇入扇出器的双包层光纤连接。具体为：分布式传感仪中的分布式温度传感模块与1×2开关连接后，其输出光纤为多模光纤，两根多模光纤分别与与扇入扇出器尾端的双包层光纤a1和a3熔接，用于新型的双端分布式温度传感光纤环路；分布式传感仪中的分布式声波/振动传感模块与1×2开关连接后，其输出光纤为单模光纤，两根单模光纤分别与扇入扇出器尾端的双包层光纤a2和a4熔接，用作多通道校验的分布式传感光纤通道。
(四)附图说明
图1是一种通用型分布式传感光纤系统示意图。
图2是一个双层纤芯的折射率剖面示意图
图3是单模多模兼用的四芯光纤的结构示意图。
图4是45°反射器剖面示意图。
图5是扇入扇出器与四芯光纤对芯示意图。
图6是一种用于DTS测量的通用型分布式传感光纤系统示意图。
图7是一种用于DAS/DVS测量的通用型分布式传感光纤系统示意图。
1-分布式传感仪、2-扇入扇出器、3-单模多模兼用的四芯光纤、4-45°反射器；
b1，b2，b3，b4-四芯光纤的四个双层纤芯；
a1，a2，a3，a4-扇入扇出器的四根双包层光纤、c1，c2，c3，c4-四根双包层光纤组合成束的截面、d1-单根双包层光纤的截面。
(五)具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
应该强调，术语“包括，由......组成”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
下面结合附图对本发明的实施方式做详细、清楚的描述。
图6给出了一种通用型分布式传感光纤系统的实施例。系统由分布式传感仪1、扇入扇出器2、单模多模兼用的四芯光纤3以及45°反射器4组成，其中分布式传感仪1由分布式温度信号模块、分布式声波/振动信号模块、两个1×2开关和输出端尾纤构成；扇入扇出器2由四根双包层光纤组合成光纤束构成；四芯光纤3具有纤芯均匀分布的结构，每个纤芯均为双层纤芯结构，其包括内部的单模纤芯和外部的同轴折射率渐变多模纤芯，不同的双层纤芯之间有低折射率隔离层；45°反射器4为四芯光纤3末端镀有反射膜的45°反射圆台，其作用是实现对角芯互联；分布式传感仪1与扇入扇出器2之间通过分布式传感仪光输出端的两根常规多模光纤分别与双包层光纤a1和a3熔接进行连接；扇入扇出器2与四芯光纤3之间通过光纤束端面与四芯光纤3对芯熔接进行连接。
所述系统分布式传感仪1中的分布式温度信号模块发出的光经过1×2开关，此时1×2开关选定通道a1，从扇入扇出器尾端的双包层光纤a1输入，经扇入扇出器进入四芯光纤中对应的双层纤芯b1传输，光在四芯光纤中传播时产生后向散射的AS光沿原通道回到分布式温度信号模块；将1×2开关选定通道a3，分布式温度信号模块发出的光经过1×2开关，从扇入扇出器尾端的双包层光纤a3输入，经扇入扇出器进入四芯光纤中对应的双层纤芯b3传输至45°反射器，光经45°反射器两次反射进入双层纤芯b3的对角芯b1传输，AS光沿原通道回到温度信号模块，实现了双端环路DTS测量。
扇入扇出器由紧凑排布的四根双包层光纤组成，扇入扇出器采用双包层光纤腐蚀后组合成束，具体方法是通过蚀刻法将模场直径与四芯光纤匹配的双包层光纤用氢氟酸溶液腐蚀，蚀刻后的直径为106.07um，使得双包层光纤外径与四芯光纤的芯间距相匹配，通过对芯熔接的方法实现扇入扇出器与四芯光纤的连接，以此实现光信号的传输和接收。
图7给出了另一种通用型分布式传感光纤系统的实施例。系统由分布式传感仪1、扇入扇出器2、单模多模兼用的四芯光纤3以及45°反射器4组成，其中分布式传感仪1由分布式温度信号模块、分布式声波/振动信号模块、两个1×2开关和输出端尾纤构成；扇入扇出器2由四根双包层光纤组合成光纤束构成；四芯光纤3具有纤芯均匀分布的结构，每个纤芯均为双层纤芯结构，其包括内部的单模纤芯和外部的同轴折射率渐变多模纤芯，不同的双层纤芯之间有低折射率隔离层；45°反射器4为四芯光纤3末端镀有反射膜的45°反射圆台，其作用是实现对角芯互联；分布式传感仪1与扇入扇出器2之间通过分布式传感仪1的输出端的两根常规单模光纤分别与双包层光纤a2和a4熔接进行连接；扇入扇出器2与四芯光纤3之间通过光纤束端面与四芯光纤3对芯熔接进行连接。
所述系统分布式传感仪1中的分布式声波/振动信号模块发出的光经过1×2开关，此时1×2开关选定通道a2，从扇入扇出器尾端的双包层光纤a2输入，经扇入扇出器进入四芯光纤中对应的双层纤芯b2传输，光在四芯光纤中传播时产生的后向瑞利散射光沿原通道回到分布式声波/振动信号模块；将1×2开关调节至选定通道a4，分布式声波/振动信号模块发出的光经过1×2开关，从扇入扇出器尾端的双包层光纤a4输入，经扇入扇出器进入四芯光纤中对应的双层纤芯b4传输，后向瑞利散射光沿原通道回到分布式声波/振动信号模块。
此种方法可以一次测量参数的两组数据，对称的单模纤芯测试数据相互校验，提升测量精度，可解决干涉衰落的问题。
需要明确的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任意何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种通用型分布式传感光纤系统，其特征是：它由分布式传感仪1、扇入扇出器2、单模多模兼用的四芯光纤3以及45°反射器4组成，其中分布式传感仪1由分布式温度信号模块、分布式声波/振动信号模块、两个1×2开关和输出端尾纤构成；扇入扇出器2由四根双包层光纤组合成光纤束构成；四芯光纤3具有纤芯均匀分布的结构，每个纤芯均为双层纤芯结构，其包括内部的单模纤芯和外部的同轴折射率渐变多模纤芯，不同的双层纤芯之间有低折射率隔离层；45°反射器4为四芯光纤3末端镀有反射膜的45°反射圆台，其作用是实现对角芯互联；分布式传感仪1与扇入扇出器2之间通过分布式传感仪1的输出端尾纤与双包层光纤尾端熔接进行连接；扇入扇出器2与四芯光纤3之间通过光纤束端面与四芯光纤3对芯熔接进行连接；
所述系统分布式传感仪1中的分布式温度信号模块发出的光经过1×2开关，此时1×2开关选定通道a1，从扇入扇出器尾端的双包层光纤a1输入，经扇入扇出器进入四芯光纤中对应的双层纤芯b1传输，光在四芯光纤中传播时产生后向散射的反斯托克斯(AS)光沿原通道回到分布式温度信号模块；将1×2开关选定通道a3，分布式温度信号模块发出的光经过1×2开关，从扇入扇出器尾端的双包层光纤a3输入，经扇入扇出器进入四芯光纤中对应的双层纤芯b3传输至45°反射器，光经45°反射器两次反射进入双层纤芯b3的对角芯b1传输，AS光沿原通道回到温度信号模块；
所述系统分布式传感仪1中的分布式声波/振动信号模块发出的光经过1×2开关，此时1×2开关选定通道a2，从扇入扇出器尾端的双包层光纤a2输入，经扇入扇出器进入四芯光纤中对应的双层纤芯b2传输，光在四芯光纤中传播时产生的后向瑞利散射光沿原通道回到分布式声波/振动信号模块；将1×2开关选定通道a4，分布式声波/振动信号模块发出的光经过1×2开关，从扇入扇出器尾端的双包层光纤a4输入，经扇入扇出器进入四芯光纤中对应的双层纤芯b4传输，后向瑞利散射光沿原通道回到分布式声波/振动信号模块。
2.根据权利要求1所述的一种通用型分布式传感光纤系统，其特征是：所述的扇入扇出器采用双包层光纤腐蚀后组合成光纤束，腐蚀后双包层光纤的直径与四芯光纤的双层纤芯的芯间距相等，光纤束端的四个双包层光纤端面均与四芯光纤中的一个双层纤芯对芯后进行熔接。
3.根据权利要求1所述的一种通用型分布式传感光纤系统，其特征是：所述的折射率渐变多模纤芯具有大模场面积，可承受大的输入功率，保证拉曼增益高、受激阈值高。
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| CN (1) | CN117387672A (zh) |
-
2023
- 2023-11-08 CN CN202311475613.6A patent/CN117387672A/zh active Pending
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Legal Events
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