CN210486914U - 一种光频域反射技术中实现远端传感的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种光频域反射技术中实现远端传感的装置，包括彼此连接的测量模块和拓展模块，拓展模块包括光纤环形器以及与其分别连接的第一光纤线圈和第二光纤线圈；测量模块包括线性扫频激光器、光纤分束器、主路光纤线圈、光纤耦合器、光电探测器、数据采集卡和计算机；主路光纤线圈长度等于第一光纤线圈与第二光纤线圈长度之和，使得外界光路接线口处拍频归零产生拍频干涉信号，并经光电探测器转换为电信号，经数据采集卡后由计算机对信号进行解调还原为测量位置的温度、应变信息。本实用新型解决了工程测量中传感长度受限的问题，实现了大范围、高精度测量，且测量中仅需移动拓展模块至远端待测处即可，方便快捷简单易行。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种光频域反射技术中实现远端传感的装置及方法。
背景技术
光频域反射技术(OFDR)作为分布式光纤测量与传感中兴起的一项新技术，因其具有较高的测量精度与较大的动态范围，已被广泛应用于从工程学到医学的各个领域。
OFDR是基于频域分析和光外差检测相结合的测量技术，它的分辨率和测量量程主要依赖于光源的性能。测量量程越大，所需的激光器线宽越窄，技术要求十分苛刻，且长距离测量中，光波极化的稳定性难以保证，导致OFDR 传感性能很差；另一方便由于受到温度变化、器件的振动、电网电压的波动的影响，输出的激光出现非线性，导致扫频信号频带展宽，使得OFDR系统的分辨率变差，通常采用一个辅助干涉仪产生触发脉冲，作为数据采集的时钟信号，实现等频域间隔采样，解决光源的非线性问题。但是受采样定理的限制，主干涉仪的测量距离只能是辅助干涉仪两臂光程差的一半。综上，在OFDR 技术中难以实现长距离测量，量程一般为几十到几百米。
在实际工程测量中，尤其是一些体积较大的工程结构件，需要利用一段引线将传感光纤引到OFDR装置接线口，引线段为无效的测量段但也占用了一定的有效测量长度，使得可用长度缩短，测量距离受限，大幅降低了OFDR技术的实用性。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于针对现有技术中引线占用有效测量长度的缺陷，提供一种光频域反射技术中实现远端传感的装置。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种光频域反射技术中实现远端传感的装置，包括彼此连接的测量模块和拓展模块，所述测量模块通过拓展模块连接待测光路；
所述拓展模块包括光纤环形器以及与所述光纤环形器分别连接的第一光纤线圈和第二光纤线圈，所述光纤环形器还连接待测光路；
所述测量模块包括：
线性扫频激光器，发出线性扫频光；
光纤分束器，与所述线性扫频激光器连接，光纤分束器的一路输出与所述第一光纤线圈连接，另一路输出与主光纤线圈连接；
主路光纤线圈，其长度等于所述第一光纤线圈与所述第二光纤线圈长度之和；
光纤耦合器，其一路输入与所述第二光纤线圈连接，另一路输入与所述主光纤线圈连接，两路输入在所述光纤耦合器处发生拍频干涉，产生拍频干涉信号；
光电探测器，与所述光纤耦合器的输出端连接，将所述拍频干涉信号转化为电信号；
数据采集卡，与所述光电探测器连接，通过多通道同时采集电信号中的拍频干涉信号；
计算机，与所述线性扫频激光器、所述数据采集卡进行数据通信，控制所述线性扫频激光器和所述数据采集卡，并对所述数据采集卡采集的信号进行解调。
接上述技术方案，所述光纤耦合器为2×1光纤耦合器。
接上述技术方案，所述光纤分束器为1×2光纤分束器,光纤分束比为50： 50。
接上述技术方案，所述第一光纤线圈与所述第二光纤线圈可自由伸展，所述拓展模块可移动到远端测件。
提供一种光频域反射技术中实现远端传感的方法，具体包括以下步骤：
线性扫频激光器发出的激光经光纤分束器分为两路，一路为信号光，一路为参考光；
信号光进入第一光纤线圈后，再经光纤环形器进入待测光路，待测光路上每一处产生的瑞利散射信号沿路返回进入第二光纤线圈，然后进入光纤耦合器，所述瑞利散射信号携带测量位置的温度、应变信息；
参考光进入所述主路光纤线圈后进入光纤耦合器，与信号光在光纤耦合器处发生拍频干涉，产生拍频干涉信号；
拍频干涉信号经光电探测器转换为电信号，被数据采集卡采集，通过计算机对采集信号进行解调，以还原为测量位置的温度、应变信息。
本实用新型的原理如下：
线性扫频激光器的扫频速率为γ，参考光回到光纤耦合器处参考光所走的光程为L1，待测光路上ΔL处反射回来的信号光所走的光程为L2+L3+2Δ L，其中L2为信号光在第一光纤线圈走过的光程，L3为信号光在第二光纤线圈走过的光程，由于L1＝L2+L3，两信号产生的时延差为
其中c 为光速,n为光纤的折射率。于是待测光路上ΔL处拍频信号频率为
由采集到的拍频信号即能对待测光路上每一位置进行定位及频谱分析，解调出该位置的温度变化、应变。因L1＝L2+L3，外界光路接线口处拍频为零，从而可按需要调节L1、L2、L3长度，而不占用有效的传感量程。
本实用新型产生的有益效果是：本实用新型提供的一种光频域反射技术中实现远端传感的装置，通过与主路光纤线圈配对的拓展模块的第一光纤线圈与第二光纤线圈，使得外界光路接线口处拍频归零，产生拍频干涉信号，从而解决了工程测量中，由于引线过长，而导致传感长度受限的问题，实现了大范围、高精度测量。且整个装置模块可拆分，测量中仅需移动拓展模块至待测处即可，方便快捷，简单易行。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：
图1是本实用新型实施例装置的结构示意图；
图2是本实用新型装置在50米远端测量的待测光路上的信息；
图3是本实用新型另一实施例装置示意图。
图1中：1为测量模块、2为拓展模块、3为待测光路、11为线性扫频激光器、12为光纤分束器、13为主路光纤线圈、14为光纤耦合器、15为光电探测器、16为数据采集卡、17为计算机、21为光纤环形器、22为第一光纤线圈和23为第二光纤线圈。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1所示，本实用新型实施例的光频域反射技术中实现远端传感的装置，包括彼此连接的测量模块1和拓展模块2,测量模块1通过拓展模块2连接待测光路3，测量中仅需移动拓展模块至远端待测处即可，方便快捷，简单易行。
拓展模块2包括光纤环形器21以及与光纤环形器21分别连接的第一光纤线圈22和第二光纤线圈23，光纤环形器21还连接待测光路3。
测量模块1包括线性扫频激光器11、光纤分束器12、主路光纤线圈13、光纤耦合器14、光电探测器15、数据采集卡16和计算机17。
线性扫频激光器11，发出线性扫频光。
光纤分束器12，与线性扫频激光器11连接，光纤分束器12的一路输出与第一光纤线圈22连接，另一路输出与主路光纤线圈13连接。
主路光纤线圈13，其长度等于第一光纤线圈22与第二光纤线圈23长度之和。通过存在长度关系的光纤线圈的引入，即主路光纤线圈13长度等于第一光纤线圈22与第二光纤线圈23长度之和，使得外界光路接线口处拍频归零，从而解决了工程测量中，由于引线过长，而导致传感长度受限的问题，实现了大范围、高精度测量。
光纤耦合器14，其一路输入与第二光纤线圈23连接，另一路输入与主路光纤线圈13连接，两路输入在光纤耦合器14处发生拍频干涉，产生拍频干涉信号。
具体实施时，激光器输出扫频光，通过光纤分束器后，50％的光作为参考光经由长度100米的主路光纤线圈13到达光纤耦合器14，另外50％的光作为信号光，信号光进入长度为50m的第一光纤线圈22后，再经光纤环形器21 进入待测光路3，待测光路3上每一处产生的瑞利散射信号沿路返回进入50m 长的第二光纤线圈，然后进入光纤耦合器14，所述信号携带测量位置的温度、应变信息，在光纤耦合器处14发生拍频干涉。
光电探测器15，与光纤耦合器14的输出端连接，将拍频干涉信号转化为电信号。
数据采集卡16，与光电探测器15连接，通过多通道同时采集电信号中的拍频干涉信号。
计算机17，与线性扫频激光器11、数据采集卡16进行数据通信，控制线性扫频激光器11和数据采集卡16，并对数据采集卡采集16的信号进行解调还原为测量位置的温度、应变信息，通过同步控制与采集可以提高信号测量精度。
如图2所示，该装置在50米远端测量的待测光路3上的信息，横坐标为物理距离，纵坐标为反射强度。待测光纤链路上的连接头、插损、光纤光栅等特征事件都在测量结果中得到了反应。
进一步地，光纤耦合器14为2×1光纤耦合器。
进一步地，第一光纤线圈22与第二光纤线圈23可自由伸展，拓展模块2 可移动到远端测件。
进一步地，光纤分束器12为1×2光纤分束器，分束比为50：50。
如图3所示为本实用新型的另一个实施例，测量模块1包括线性扫频激光器11，主光纤环形器19、光电探测器15、数据采集卡16和计算机17，拓展模块2包括辅光纤分束器25、第一光纤线圈22和法拉第旋转镜24。线性扫频激光器11输出的激光经由主光纤环形器19、第一光纤线圈22后通过辅光纤分束器25分成两路，50％的光作为参考光由法拉第旋转镜24反射回来，另外50％的光作为信号光，进入待测光路3后反射回来的光与参考光在辅光纤分束器25发生拍频干涉，干涉信号通过主光纤环形器19，被光电转换器15 转换为电信号并由数据采集卡16采集。其中，第一光纤线圈22长度可调主光纤环形器19两端臂长一致。
本领域的技术人员容易理解，此处所说明的附图及实施例仅用以说明本实用新型技术方案而非对其限制，凡不脱离本实用新型方案的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。
Claims (4)
1.一种光频域反射技术中实现远端传感的装置，其特征在于，包括测量模块和拓展模块，所述测量模块通过拓展模块连接待测光路；
所述拓展模块包括光纤环形器以及与所述光纤环形器分别连接的第一光纤线圈和第二光纤线圈，所述光纤环形器还连接待测光路；
所述测量模块包括：
线性扫频激光器，发出线性扫频光；
光纤分束器，与所述线性扫频激光器连接，光纤分束器的一路输出与所述第一光纤线圈连接，另一路输出与主光纤线圈连接；
主路光纤线圈，其长度等于所述第一光纤线圈与所述第二光纤线圈长度之和；
光纤耦合器，其一路输入与所述第二光纤线圈连接，另一路输入与所述主光纤线圈连接，两路输入在所述光纤耦合器处发生拍频干涉，产生拍频干涉信号；
光电探测器，与所述光纤耦合器的输出端连接，将所述拍频干涉信号转化为电信号；
数据采集卡，与所述光电探测器连接，通过多通道同时采集电信号中的拍频干涉信号；
计算机，与所述线性扫频激光器、所述数据采集卡进行数据通信，控制所述线性扫频激光器和所述数据采集卡，并对所述数据采集卡采集的信号进行解调。
2.根据权利要求1所述的光频域反射技术中实现远端传感的装置，其特征在于，所述光纤耦合器为2×1光纤耦合器。
3.根据权利要求2所述的光频域反射技术中实现远端传感的装置，其特征在于，所述光纤分束器为1×2光纤分束器,光纤分束比为50：50。
4.根据权利要求1所述的光频域反射技术中实现远端传感的装置，其特征在于，所述第一光纤线圈与所述第二光纤线圈可自由伸展，所述拓展模块可移动到远端测件。
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