CN204788432U - 一种实现全光纤分布式多参量传感的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种实现全光纤分布式多参量传感的装置。本实用新型主要适用于长距离的分布式温度和振动传感，利用了拉曼反斯托克斯光对温度的灵敏性、瑞利散射光偏振态对振动的灵敏性，通过两个APD探头和两个PD探头分别测量了拉曼斯托克斯光、拉曼反斯托克斯光、瑞利散射光的光功率强弱以及两个信号到达探头时间差来确定温度、振动信号强弱及对应传感位置，从而实现了分布式温度、振动的多参量传感。本实用新型不需要采用价格高昂的窄线宽激光器，具有结构简单、成本低廉等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种实现全光纤分布式多参量传感的装置。
背景技术
全光纤传感技术是传感领域的新一代技术，已经成为物联网技术发展不可或缺的一部分。光纤不仅可以作为光波的传输媒质，也可以作为光波感知外界环境的介质。当光波在光纤中传输时，其特征参量振幅、相位、偏振态、波长等会因外界因素如温度、振动、应变、磁场、电场、位移等直接或间接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件探测物理量。光纤传感技术就是利用光纤对某些物理量敏感的特性，将外界物理量转换成可以直接测量的信号的技术。全光纤分布式传感器能够实现沿着数十公里甚至上百公里温度、振动、应力等参量的分布式传感，具有其他传感器无法比拟的传感范围、空间分辨率、传感精度、高稳定性等特性，目前已经被广泛应用于石化、建筑、航天、航空、高铁、桥梁、国防工业等领域。
目前成熟的或在研发中的全光纤分布式传感器主要包括：1、分布式光纤拉曼温度传感器：主要用于实现二三十公里范围内的分布式温度传感，其温度分辨率可达0.1度，空间分辨率可达传感范围的万分之一。然而，该传感器不能同时实现振动传感。2、分布式布里渊传感器：主要用于实现几十公里范围内的温度或应力传感。由于传感器对温度和应力都有反应，所传感的温度和应力信号存在交叉，即当同时存在应力和温度信号的时候，系统不能识别响应信号是源至应力或者温度。3、分布式光纤振动传感器：用于实现分布式振动传感，一般对外界温度不敏感。
发明内容
本实用新型就是针对现有技术的不足，提出了一种实现全光纤分布式多参量传感的装置。
本实用新型包括一个输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源、一个光环形器、一段长度为L的单模光纤、一个四端口波分复用器、两个APD探头、两个PD探头、一个光耦合器、一个偏振分束器、一台具有数据采集处理功能的计算机。
输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源的输出端口和光环形器的第一端口光纤连接；光环形器的第二端口和长度为L的单模光纤的一个端口光纤连接；光环形器的第三端口和四端口波分复用器的第一端口光纤连接；四端口波分复用器的第二端口和第一个APD探头光纤连接；四端口波分复用器的第三端口和第二个APD探头光纤连接；四端口波分复用器的第四端口和光耦合器的第一端口光纤连接；光耦合器的第二端口和第一个PD探头光纤连接；光耦合器的第三端口和偏振分束器的输入端口光纤连接；偏振分束器的输出端口和第二PD探头光纤连接；输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源、两个APD探头、两个PD探头与具有数据采集处理功能的计算机电缆连接。
本实用新型主要适用于长距离的分布式温度和振动传感，利用了拉曼反斯托克斯光对温度的灵敏性、瑞利散射光偏振态对振动的灵敏性，通过两个APD探头和两个PD探头分别测量了拉曼斯托克斯光、拉曼反斯托克斯光、瑞利散射光的光功率强弱以及两个信号到达探头时间差来确定温度、振动信号强弱及对应传感位置，从而实现了分布式温度、振动的多参量传感。本实用新型不需要采用价格高昂的窄线宽激光器，具有结构简单、成本低廉等优点。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型实施例中分布式温度传感信号；
图3为本实用新型实施例中分布式振动传感信号。
具体实施方式
如图1所示，本实施例包括一个输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源1、一个光环形器2、一段长度为L(16km)的普通单模光纤3、一个4端口波分复用器4、第一个APD探头5、第二个APD探头6、一个光耦合器7、第一个PD探头8、一个偏振分束器9、第二个PD探头10、一台具有数据采集处理功能的计算机11。
输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源1的输出端口和光环形器2的1端口光纤连接；光环形器2的2端口和长度为20km的普通单模光纤3的一个端口光纤连接；光环形器2的3端口和4端口波分复用器4的1端口光纤连接；4端口波分复用器4的2端口和第一个APD探头5光纤连接；4端口波分复用器4的3端口和第二个APD探头6光纤连接；4端口波分复用器4的3端口和光耦合器7的1端口光纤连接；光耦合器7的2端口和第一个PD探头8光纤连接；光耦合器7的3端口和偏振分束器9的输入端口光纤连接；偏振分束器9的输出端口和第二PD探头10光纤连接；输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源1、第一个APD探头5、第二个APD探头6、第一个PD探头8、第二个PD探头10、与具有数据采集处理功能的计算机11电缆连接。
本装置的工作过程：开启具有数据采集处理功能的计算机11和输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源1，通过计算机11控制脉冲光源1，实现周期性光脉冲输出；光脉冲进入光环形器2的1端口，从光环形器2的2端口输出，然后进入长度为20km的普通单模光纤3；当光脉冲在普通单模光纤3中向前传输时，根据会产生三个后向散射的信号光，分别是瑞利散射光、拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光；三个后向散射的信号光进入光环形器2的2端口，从光环形器2的3端口输出，然后进入4端口波分复用器4；拉曼斯托克斯光从4端口波分复用器4的2端口输出，进入第一个APD探头5；拉曼反斯托克斯光从4端口波分复用器4的3端口输出，进入第二个APD探头6；瑞利散射光从4端口波分复用器4的4端口输出，进入光耦合器7的1端口；30％的瑞利散射光从光耦合器7的2端口输出进入第一个PD探头8；70％的瑞利散射光从光耦合器7的3端口输出进入偏振分束器9的输入端口，从偏振分束器9的输出端口出来的瑞利散射光注入第二PD探头10。
以脉冲光源发出光脉冲为计时零点，光纤在位于单模光纤长度方向距离原点位置X处的瑞利散射光、拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光返回到PD探头、APD探头的时间为t，则
t＝Xneff/c(1)
其中，neff为单模光纤的有效折射率，c为真空光速。可以推算
X＝ct/neff(2)
t时刻第一个APD探头、第二个APD探头接收到的拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光功率分别为
Ps＝fs(t,T)(3)
和
Pas＝fas(t,T)(4)
其中T为单模光纤X处温度。
t时刻第一个PD探头、第二个PD探头接收到的瑞利散射光功率分别为
Pr1＝fr1(t,v)(5)
和
Pr2＝fr2(t,v)(6)
其中v为单模光纤X处振动强度。
所述的公式(3)至(6)都为已知的公开知识。为了消除脉冲光源功率抖动的影响，由公式(3)至(6)获得
Ps/Pas＝fs(t,T)/fas(t,T)(7)
Pr1/Pr2＝fr1(t,v)/fr2(t,v)(8)
t时刻通过计算机采集第一个APD探头、第二个APD探头、第一个PD探头、第二个PD探头的功率分别为Ps、Pas、Pr1、Pr2，由公式(2)、(7)和(8)获得X处的温度和振动信号。
图2给出了分布式温度传感信号，在光纤长度8km处有个较高温度的信号；图3给出了分布式振动传感信号，在光纤长度14km处有个突变的振动信号。
本实用新型结合利用了近年来发展起来的分布式光纤传感技术中用到的光纤拉曼效应和脉冲光的偏振振动敏感性，采用普通的线偏振脉冲光源，通过探测在长距离的普通单模光纤产生的瑞利散射光、拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光，实现了分布式温度和振动传感。本实用新型不需要采用价格高昂的窄线宽激光器，具有结构简单、成本低廉等优点。
Claims (1)
1.一种实现全光纤分布式多参量传感的装置，包括一个输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源、一个光环形器、一段长度为的单模光纤、一个四端口波分复用器、两个APD探头、两个PD探头、一个光耦合器、一个偏振分束器、一台具有数据采集处理功能的计算机，其特征在于：
输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源的输出端口和光环形器的第一端口光纤连接；光环形器的第二端口和长度为L的单模光纤的一个端口光纤连接；光环形器的第三端口和四端口波分复用器的第一端口光纤连接；四端口波分复用器的第二端口和第一个APD探头光纤连接；四端口波分复用器的第三端口和第二个APD探头光纤连接；四端口波分复用器的第四端口和光耦合器的第一端口光纤连接；光耦合器的第二端口和第一个PD探头光纤连接；光耦合器的第三端口和偏振分束器的输入端口光纤连接；偏振分束器的输出端口和第二PD探头光纤连接；输出为1.5微米波段线偏振光的脉冲光源、两个APD探头、两个PD探头与具有数据采集处理功能的计算机电缆连接。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN108318973A (zh) * | 2018-04-02 | 2018-07-24 | 浙江师范大学 | 一种dts用的拉曼波分复用器及其制作工艺 |
| CN108534910A (zh) * | 2018-03-19 | 2018-09-14 | 浙江师范大学 | 一种基于非对称双芯光纤的分布式双参量传感方法 |
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- 2015-07-11 CN CN201520498713.5U patent/CN204788432U/zh not_active Expired - Fee Related
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