專利名稱：一種基于布里淵散射的分布式應(yīng)變和溫度光纖傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于布里淵散射的分布式應(yīng)變和溫度光纖傳感器。
背景技術(shù)：
布里淵散射是光波與聲波在光纖中傳播時相互作用而產(chǎn)生的光散射過程，布里淵散射與入射光之間具有一定的頻差，該頻差與溫度和應(yīng)變之間具有良好的線性關(guān)系，同時其功率與溫度成正比關(guān)系。光纖作為傳感介質(zhì)，具有體積小、重量輕、抗電磁干擾以及易于組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。通過測量光纖中的布里淵頻譜可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境中溫度和應(yīng)變的分布式傳感，這在橋梁、隧道、水庫水壩、高速公路、大型設(shè)施等建筑物的傳感中受到越來越多的重視，許多基于光纖布里淵散射的分布式傳感技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并且在傳感距離和傳感精度上都有很大突破。然而傳統(tǒng)的基于布里淵散射的傳感器，由于受到所用傳感光纖自身結(jié)構(gòu)的限制，雖然它對溫度和應(yīng)變都敏感，但是很難通過單次測量實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的分離，使得這種傳感技術(shù)的實(shí)用場合受到很大限制，這種現(xiàn)象，稱為布里淵傳感器的“交叉敏感”問題。為了解決這一問題，已經(jīng)進(jìn)行了多種嘗試。例如同時采用兩根光纖作為傳感介質(zhì)，使其中一根參考光纖始終處于松弛狀態(tài)，然后分別測量兩根光纖的布里淵頻譜，通過對比兩次測量的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的分離，這種方法，需要兩根狀態(tài)不同的光纖，并且需要兩次測量，不僅耗費(fèi)時間長而且實(shí)際應(yīng)用中光纖鋪設(shè)也比較困難。另外一種是同時考慮布里淵頻譜功率和頻率變化的方法，該方法涉及到功率的測量，因此對激光器功率穩(wěn)定性要求非常高，而且測量精度較低。此外，現(xiàn)有技術(shù)中還公開采用了特種光纖(如光子晶體光纖，非零色散位移光纖等)產(chǎn)生多個布里淵散射峰來解決應(yīng)變和溫度的交叉問題，它利用了光場直徑大于所用光纖的纖芯的物理直徑的特點(diǎn)，由于光場范圍內(nèi)光纖徑向的有效折射率有變化，不同的折射率對應(yīng)不同的布里淵頻移，因此會產(chǎn)生多個布里淵峰。對于諸如色散位移光纖等普通的纖芯小的單模光纖而言，由于光場的大部分能量都會集中在高折射率的纖芯部分，因此擴(kuò)散到纖芯附近低折射率部分的光能量很弱，其對應(yīng)的布里淵峰也非常弱。而對于基于空氣孔的光子晶體光纖，其空氣孔在一定程度上是抑制了產(chǎn)生后向布里淵散射的聲光效應(yīng)，因此除分布在玻璃材質(zhì)纖芯內(nèi)的光場產(chǎn)生的布里淵峰較強(qiáng)外，其它布里淵峰的功率都非常弱，被測布里淵散射信號的信噪比較差，降低了系統(tǒng)的分辨率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于布里淵散射的分布式應(yīng)變和溫度光纖傳感器，該光纖傳感器能夠很好的解決布里淵頻移中應(yīng)變和溫度之間的交叉敏感問題。即本發(fā)明方法的光纖傳感器通過單次測量就能同時獲得高分辨率及高精度的溫度和應(yīng)變。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種基于布里淵散射的分布式應(yīng)變和溫度光纖傳感器，包括光源、電光調(diào)制器、脈沖信號源、第一摻鉺光纖放大器、第二摻鉺光纖放大器、環(huán)形器、第一光耦合器、第二光耦合器、雙平衡探測器、信號處理系統(tǒng)和傳感光纖；所述光源與第一光稱合器輸入端連接，第一光稱合器輸出端口通過電光調(diào)制器與第一摻鉺光纖放大器連接；第一摻鉺光纖放大器和環(huán)形器相連；環(huán)形器一端接入到光纖，另一端與濾波器相連；濾波器通過第二摻鉺光纖放大器與第二光耦合器的輸入端連接；第一光稱合器的輸出端和第二摻鉺光纖放大器分別與第二光稱合器輸入端相連；第二光I禹合器輸出端通過雙平衡探測器與信號處理系統(tǒng)連接；所述脈沖信號源與電光調(diào)制器連接；所述傳感光纖中包含有一個長周期光纖光柵，所述傳感光纖為全固光子晶體帶隙光纖。優(yōu)選的，所述光源為窄線寬激光光源。優(yōu)選的，所述第二光稱合器為50 50的稱合器。優(yōu)選的，所述傳感光纖中的長周期光纖光柵是通過CO2激光器寫入的。優(yōu)選的，所述傳感光纖中寫入的長周期光纖光柵的共振頻率和傳感光纖的入射光頻率相同。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果(I)本發(fā)明采用帶有長周期光纖光柵的全固光子晶體帶隙光纖代替普通的光纖作為傳感光纖，由于全固光子晶體帶隙光纖的纖芯和包層材料的熱效應(yīng)不同，故纖芯和包層對溫度和應(yīng)變的響應(yīng)不一樣，因此兩種材料中所激發(fā)的布里淵散射對溫度和應(yīng)變具有不同的響應(yīng)，且全固光子晶體帶隙光纖中的長周期光纖光柵將入射光同時耦合到傳感光纖的纖芯模和包層模中，使得傳輸?shù)桨鼘幽２糠值墓饽芰棵黠@變強(qiáng)，從而可以在包層模和纖芯模中得到較強(qiáng)的布里淵散射峰，使得本發(fā)明的光纖傳感器通過單次測量就可以獲得高分辨率的溫度和應(yīng)變，很好的解決布里淵傳感器測量時存在的交叉敏感問題。(2)本發(fā)明采用的全固光子晶體帶隙光纖的纖芯和包層材料為不同參雜的二氧化硅材料，均可以獲得較好的聲光疊加效果，有利于增強(qiáng)布里淵效應(yīng)，因此光纖纖芯模和包層模中均可以產(chǎn)生信噪比較高的布里淵散射光，進(jìn)一步有利于溫度和應(yīng)變的高分辨率測量。(3)本發(fā)明全固光子晶體帶隙光纖的包層結(jié)構(gòu)使得在包層中傳輸?shù)墓鈧鬏敁p耗非常小，因此可以進(jìn)行較長距離的傳輸。


圖1是本發(fā)明光纖傳感器結(jié)構(gòu)組成示意圖。圖2是本發(fā)明光纖中的長周期光纖光柵的導(dǎo)光原理圖。圖3是本發(fā)明光纖傳感器探測到的布里淵頻譜圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例如圖1所不,本實(shí)施例公開的一種基于布里淵散射的分布式應(yīng)變和溫度光纖傳感器，包括窄線寬激光光源I、電光調(diào)制器3、第一摻鉺光纖放大器4、第二摻鉺光纖放大器12、環(huán)形器5、第一光稱合器2、第二光稱合器13、雙平衡探測器9、信號處理系統(tǒng)10、傳感光纖7和脈沖信號源11，其中本實(shí)施例采用的傳感光纖7為全固光子晶體帶隙光纖，全固光子晶體帶隙光纖中寫入有一個長周期光纖光柵6，本實(shí)施例的傳感光纖7也可以用其它包層模傳輸損耗較小，且包層和纖芯材料對溫度和應(yīng)變響應(yīng)有差別的光纖。光源I與第一光稱合器2輸入端連接,第一光稱合器2輸出端口通過電光調(diào)制器3與第一摻鉺光纖放大器4連接；第一摻鉺光纖放大器4和環(huán)形器5相連；環(huán)形器5 —端接入到傳感光纖7,另一端與濾波器8相連；濾波器8通過第二摻鉺光纖放大器12與第二光率禹合器13輸入端連接；第一光稱合器2的輸出端與第二摻鉺光纖放大器12相連并接入第二光稱合器13的輸入端；第二光稱合器13輸出端通過雙平衡探測器9與信號處理系統(tǒng)10連接；其中脈沖信號源11與電光調(diào)制器3連接。光源I輸出光經(jīng)過第一光耦合器2分為兩路，其中一路用電光調(diào)制器3調(diào)制成脈沖光信號，并經(jīng)過第一摻鉺光纖放大器4放大，被放大的光信號作為泵浦光通過環(huán)形器5輸入長周期光柵6并耦合到傳感光纖7的包層模和纖芯模中。泵浦光在傳感光纖的纖芯模14和包層模15分別激發(fā)出布里淵散射光，由于布里淵散射光的傳輸方向與泵浦光的傳輸方向相反，因此纖芯模14和包層模15中的一部分布里淵散射光會經(jīng)過長周期光纖光柵6率禹合到纖芯模中，并通過環(huán)形器5輸入濾波器8，濾波器8將信號中的瑞利散射和系統(tǒng)中的端面反射光濾除，濾波后的光信號經(jīng)過第二摻鉺光纖放大器12進(jìn)行放大，最后與光源I輸出的另外一路光經(jīng)過50/50的第二光耦合器13進(jìn)行混頻，得到中心頻率約為IlGHz左右的布里淵信號，這個頻率的信號可以被帶寬為15GHz的雙平衡探測器9進(jìn)行探測，最后用信號處理系統(tǒng)10對雙平衡探測器探測到的信號進(jìn)行掃頻采樣處理，最終獲得布里淵頻譜在光纖不同位置的分布情況。通過計算不同位置的布里淵頻譜的頻移，可以判斷出光纖沿線溫度和應(yīng)力的分布。脈沖信號源11為電光調(diào)制器3提供脈沖信號，同時為信號處理系統(tǒng)提供采樣觸發(fā)信號。如圖2所示為傳感光纖入射端的長周期光纖光柵導(dǎo)光原理示意圖。傳感光纖中的長周期光纖光柵是通過CO2激光器寫入的，該長周期光纖光柵的共振頻率與傳感光纖中入射光的頻率相同。由于傳感光纖的纖芯和包層材料的熱效應(yīng)不同，故纖芯和包層對溫度和應(yīng)變的響應(yīng)不一樣，因此在傳感光纖的纖芯模14和包層模15中所激發(fā)的布里淵散射光的頻率對溫度和應(yīng)變具有不同的響應(yīng)。傳感光纖中的長周期光纖光柵同時激發(fā)纖芯模和包層模中的布里淵散射，首先它將傳感光纖中的前向傳輸?shù)谋闷止怦詈系絺鞲泄饫w的包層模和纖芯模中，耦合到包層模和纖芯模的泵浦光能量的比例由長周期光纖光柵的制作深度決定。被I禹合到纖芯模和包層模中傳輸?shù)谋闷止饽芰糠謩e激發(fā)出后向傳輸?shù)牟祭餃Y散射光，這部分散射光的能量傳輸時會再次經(jīng)過長周期光纖光柵，由于光路是可逆的，后向傳輸?shù)睦w芯模和包層模中的布里淵散射光的部分能量會耦合到纖芯模中，此時在纖芯模中與泵浦光反向傳輸?shù)墓庵芯桶税鼘幽：屠w芯模中激發(fā)的布里淵散射光。由于在纖芯模中傳輸?shù)墓饪梢砸院苄〉膿p耗耦合到其它光纖器件(如環(huán)形器等)的單模尾纖中，并在各光纖器件中傳輸損耗都很小。因此雙平衡探測器可以同時檢測到纖芯模和包層模中產(chǎn)生的布里淵散射光，并且檢測到的布里淵散射峰的也較強(qiáng)。其中上述的泵浦光是指經(jīng)過環(huán)形器5輸入到傳感光纖的光，它的能量等于光源I的輸出光經(jīng)過第一光耦合器2分束后，再通過電光調(diào)制器調(diào)制成脈沖光，然后經(jīng)過第一摻鉺光纖放大器4放大，最后通過環(huán)形器5輸入傳感光纖的能量。如圖3所示為本實(shí)施例探測到的布里淵散射光的頻譜圖，其中峰a為纖芯模散射光的布里淵散射峰，峰b為包層模散射光的布里淵散射峰。分別測量不同溫度下兩個峰的頻移，經(jīng)過線性擬合得到兩個布里淵散射峰的頻移溫度系數(shù)。分別測量不同應(yīng)變下兩個峰的頻移，經(jīng)過線性擬合得到兩個布里淵散射峰的應(yīng)變系數(shù)。其中本實(shí)施例這兩個布里淵散射峰的頻移溫度系數(shù)分別為1. 12MHZ/oC和0. 7MHZ/oC，應(yīng)變系數(shù)分別為0. 050MHZ/ u e和0. 036MHZ/ u e。在測得兩個布里淵散射峰頻移變化量A1 s和Avi5的基礎(chǔ)上，利用這兩個布里淵散射峰的頻移應(yīng)變系數(shù)和頻移溫度系數(shù)，構(gòu)建一個頻移隨應(yīng)支和溫度的變化關(guān)系式，具體為
權(quán)利要求
1.一種基于布里淵散射的分布式應(yīng)變和溫度光纖傳感器，包括光源、電光調(diào)制器、脈沖信號源、第一摻鉺光纖放大器、第二摻鉺光纖放大器、環(huán)形器、第一光稱合器、第二光I禹合器、雙平衡探測器、信號處理系統(tǒng)和傳感光纖； 所述光源與第一光稱合器輸入端連接，第一光稱合器輸出端口通過電光調(diào)制器與第一摻鉺光纖放大器連接；第一摻鉺光纖放大器和環(huán)形器相連；環(huán)形器一端接入到光纖，另一端與濾波器相連；濾波器通過第二摻鉺光纖放大器與第二光稱合器的輸入端連接；第一光率禹合器的輸出端和第二摻鉺光纖放大器分別與第二光稱合器輸入端相連；第二光稱合器輸出端通過雙平衡探測器與信號處理系統(tǒng)連接；所述脈沖信號源與電光調(diào)制器連接； 其特征在于，所述傳感光纖中包含有一個長周期光纖光柵，所述傳感光纖為全固光子晶體帶隙光纖。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于布里淵散射的分布式應(yīng)變和溫度光纖傳感器，其特征在于，所述光源為窄線寬激光光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于布里淵散射的分布式應(yīng)變和溫度光纖傳感器，其特征在于，所述第二光稱合器為50 50的稱合器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于布里淵散射的分布式應(yīng)變和溫度光纖傳感器，其特征在于，所述傳感光纖中的長周期光纖光柵是通過CO2激光器寫入的。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或4所述的基于布里淵散射的分布式應(yīng)變和溫度光纖傳感器,其特征在于，所述傳感光纖中寫入的長周期光纖光柵的共振頻率和傳感光纖的入射光頻率相同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于布里淵散射的分布式應(yīng)變和溫度光纖傳感器，包括光源、電光調(diào)制器、脈沖信號源、第一摻鉺光纖放大器、第二摻鉺光纖放大器、環(huán)形器、第一光耦合器、第二光耦合器、雙平衡探測器、信號處理系統(tǒng)和傳感光纖，傳感光纖中包含有一個長周期光纖光柵，傳感光纖為全固光子晶體帶隙光纖。光源輸出光分為兩路，其中一路用電光調(diào)制器調(diào)制成探測脈沖光，并經(jīng)過摻鉺光纖放大器放大，通過環(huán)形器輸入傳感光纖。本發(fā)明的光纖傳感器通過單次測量就能夠同時獲得高分辨率的溫度和應(yīng)變，能夠很好的解決布里淵傳感器測量時存在的交叉敏感問題。
文檔編號G01B11/16GK102980681SQ20121046502
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月16日
發(fā)明者梁浩, 李 杰, 程凌浩, 關(guān)柏鷗 申請人:暨南大學(xué)