專利名稱：時分復(fù)用的分布式光纖振動傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于振動信息測量的光纖傳感器，尤其涉及一種時分復(fù)用的分布式光纖振動傳感器。
背景技術(shù)：
振動量測量在工程領(lǐng)域具有潛在的運用價值，如結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、航空航天、石油化工、電力系統(tǒng)等安全監(jiān)測；傳統(tǒng)的振動測量方法(如機械式測量法、電測量法)都存在靈敏度低、裝置體積大、測量范圍受放大器件限制等問題，并且傳統(tǒng)的振動測量方法只能進行點式測量，在實際運用中受到限制，因此研制高性能的振動測量系統(tǒng)勢在必行。分布式光纖傳感技術(shù)是指沿光纖傳輸路徑上的外部信號以一定的方式對光纖中的光波進行不斷的調(diào)制，以實現(xiàn)對被測量場的連續(xù)空間進行實時測量，光纖既是導(dǎo)光介質(zhì)， 同時作為傳感元件，感應(yīng)外界振動信號。現(xiàn)有技術(shù)中基于光纖技術(shù)的振動傳感系統(tǒng)研究已經(jīng)非常廣泛，但現(xiàn)有的測量手段一般都存在振動頻率測量和振動位置測量難以兼顧的問題，如果要同時對振動頻率和振動位置進行監(jiān)測，則必須在測量空間內(nèi)布置兩套系統(tǒng)，一套用于振動頻率測量，另一套用于振動位置測量，為了實現(xiàn)對大范圍區(qū)域進行全分布式監(jiān)測，勢必需要傳感光纖的長度足夠長，如果同時布置兩套測量系統(tǒng)，需要的傳感光纖長度將達到單套系統(tǒng)的兩倍，造成系統(tǒng)成本大量增加。

發(fā)明內(nèi)容
針對背景技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出了一種時分復(fù)用的分布式光纖振動傳感器，包括基于后向瑞利散射原理的第一分布式光纖傳感裝置和基于Mach-Zehnder干涉原理的第二分布式光纖傳感裝置，其中，第一分布式光纖傳感裝置通過對應(yīng)的傳感光纖獲取被測空間內(nèi)的振動位置信息，第二分布式光纖傳感裝置通過對應(yīng)的傳感光纖獲取被測空間內(nèi)的振動頻率信息，其特征在于所述第一分布式光纖傳感裝置和第二分布式光纖傳感裝置共用同一條傳感光纖，第一分布式光纖傳感裝置和第二分布式光纖傳感裝置通過時分復(fù)用機制錯時工作。采用后向瑞利散射原理獲取振動位置信息以及采用Mach-Zehnder干涉原理獲取振動頻率信息均是本領(lǐng)域中常用的測量手段，現(xiàn)有技術(shù)中，在具體應(yīng)用前述兩種測量手段時，需要為其各自鋪設(shè)一條傳感光纖，也即在空間尺寸一定的條件下，需要鋪設(shè)的光纖的總長度為單套測量裝置的2倍，這對于空間尺寸較大的被測空間而言，如果要將其全面覆蓋，需要鋪設(shè)的光纖總長度將十分驚人，這不僅會使材料成本大幅上升，同時還會使鋪設(shè)光纖的人工成本和工作量也隨之大幅增加，另外，相應(yīng)的光源提供裝置、濾波裝置、混頻裝置等設(shè)備也均需為兩種測量裝置分別單獨設(shè)置；本發(fā)明的改進點在于將振動頻率測量裝置和振動位置測量裝置通過時分復(fù)用機制有機的結(jié)合起來，使兩種測量裝置可以共用傳感光纖，從而提高傳感光纖的利用率，降低系統(tǒng)搭建的成本，并且使單套系統(tǒng)即可完成對兩種振動信息的監(jiān)測?；谇笆龇桨?，本發(fā)明還提出了如下的優(yōu)選實施方式分布式光纖振動傳感器由光源、第一耦合器、第一聲光調(diào)制器、摻鉺光纖放大器、光濾波器、三端口環(huán)形器、長距離傳感光纖(也即前文所述的為兩種測量裝置所共用的傳感光纖)、第二耦合器、平衡光電探測器、第二聲光調(diào)制器、隔離器、高通濾波器、混頻器、函數(shù)發(fā)生器、低通濾波器和數(shù)據(jù)采集卡組成；其中，第一稱合器為1X3稱合器,第二稱合器為2X2稱合器；其具體結(jié)構(gòu)為
光源與第一稱合器的輸入端光路連接，第一稱合器將輸入光分為三路，第一路光作為振動位置檢測信號輸入第二聲光調(diào)制器，第二路光作為振動頻率檢測信號輸入第一聲光調(diào)制器，第三路光作為參考信號輸入第二稱合器的第一輸入端；
第二聲光調(diào)制器的輸出端與隔離器的輸入端光路連接，隔離器的輸出端與長距離傳感光纖的首端光路連接(隔離器的作用為防止反向傳輸?shù)墓庑盘枌庠丛斐筛蓴_)，長距離傳感光纖的末端與三端口環(huán)形器的收發(fā)復(fù)用端光路連接，三端口環(huán)形器的輸出端與第二耦合器的第二輸入端光路連接；
第一聲光調(diào)制器的輸出端與摻鉺光纖放大器的輸入端光路連接，摻鉺光纖放大器的輸出端與光濾波器的輸入端光路連接，光濾波器的輸出端與三端口環(huán)形器的輸入端光路連接;
第二耦合器的兩個輸出端與平衡光電探測器的兩個輸入端一一對應(yīng)地光路連接，平衡光電探測器的輸出端與高通濾波器的輸入端連接，高通濾波器的輸出端與混頻器的第一輸入端連接，混頻器的第二輸入端與函數(shù)發(fā)生器連接，混頻器的輸出端與低通濾波器的輸入端連接，低通濾波器的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡連接；
函數(shù)發(fā)生器還分別與第一聲光調(diào)制器和第二聲光調(diào)制器連接；
函數(shù)發(fā)生器向第一聲光調(diào)制器輸出第一電脈沖信號，函數(shù)發(fā)生器向第二聲光調(diào)制器輸出第二電脈沖信號，通過調(diào)整第一電脈沖信號和第二電脈沖信號之間的輸出時延形成時分復(fù)用機制，使用于獲取振動位置信息的相關(guān)裝置和用于獲取振動頻率信息的相關(guān)裝置錯時工作；
當(dāng)分布式光纖振動傳感器對振動位置信息進行測量時，函數(shù)發(fā)生器向混頻器輸出與第一電脈沖信號對應(yīng)的余弦信號，當(dāng)分布式光纖振動傳感器對振動頻率信息進行測量時，函數(shù)發(fā)生器向混頻器輸出與第二電脈沖信號對應(yīng)的余弦信號。前述結(jié)構(gòu)的工作原理是
I)振動位置信息測量光源輸出的光傳輸至第一聲光調(diào)制器后，當(dāng)?shù)谝宦暪庹{(diào)制器接收到函數(shù)發(fā)生器輸出的第一電脈沖信號時，第一聲光調(diào)制器將光信號調(diào)制為對應(yīng)的光脈沖信號，第一聲光調(diào)制器將光脈沖信號輸出至鉺光纖放大器進行放大處理，放大后的光脈沖信號經(jīng)光濾波器進行消噪處理(主要是為了消除鉺光纖放大器的自發(fā)輻射噪聲)后，傳輸至三端口環(huán)形器的輸入端，并從三端口環(huán)形器的收發(fā)復(fù)用端射入長距離傳感光纖的末端，當(dāng)外界振動能量作用在長距離傳感光纖上時，引起長距離傳感光纖的介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生一系列的物理效應(yīng)，從而使長距離傳感光纖的傳播參數(shù)發(fā)生變化，此時，由光脈沖激發(fā)出的后向瑞利散射光又從長距離傳感光纖的末端傳輸回三端口環(huán)形器，并由三端口環(huán)形器的輸出端傳輸至第二耦合器中，此時，第二耦合器中還有來自于第一耦合器的參考信號(參考光)，參考光和后向瑞利散射光在第二耦合器中發(fā)生拍頻干涉，拍頻干涉后的光信號被平衡光電探測器提取并轉(zhuǎn)化為電信號，電信號經(jīng)高通濾波器進行濾波處理(提取拍頻干涉信號中的交流項)后在混頻器內(nèi)與函數(shù)發(fā)生器提供的余弦信號(此余弦信號的頻率與第一聲光調(diào)制器的移頻數(shù)值相同)進行混頻，然后由低通濾波器處理后被數(shù)據(jù)采集卡采集并傳輸至計算機，由計算機進行相關(guān)處理后，即可得到振動位置信號。前述“振動位置信息測量”處理過程中所涉及到的裝置，即形成本發(fā)明前文所述的第一分布式光纖傳感裝置；
2)振動頻率信息測量光源輸出的光傳輸至第二聲光調(diào)制器，當(dāng)?shù)诙暪庹{(diào)制器接收到函數(shù)發(fā)生器輸出的第二電脈沖信號時，第二聲光調(diào)制器將光信號調(diào)制為對應(yīng)的光脈沖信號，第二聲光調(diào)制器將光脈沖輸出至隔離器，由隔離器將光脈沖信號單向傳輸至長距離傳感光纖的首端，此時，長距離傳感光纖即形成Mach-Zehnder干涉原理中的傳感臂，用于感應(yīng)外界振動的頻率信息；傳感臂中，經(jīng)外界振動作用調(diào)制后的光脈沖由長距離傳感光纖的末端輸出至三端口環(huán)形器，并由三端口環(huán)形器的輸出端傳輸至第二耦合器中，在第二耦合器中，包含有振動頻率信息的光信號與來自于第一耦合器的參考信號發(fā)生拍頻干涉，拍頻干涉后的信號由平衡光電探測器進行提取并轉(zhuǎn)化為電信號，然后由高通濾波器提取拍頻干涉信號中的交流項，再將該交流項與函數(shù)發(fā)生器提供的余弦信號(此余弦信號的頻率與第二聲光調(diào)制器的移頻數(shù)值相同)在混頻器中進行混頻處理，然后由低通濾波器濾波后，經(jīng)數(shù) 據(jù)采集卡采集至計算機，由計算機進行相關(guān)處理后，即可獲得振動的頻率信息。前述“振動頻率信息測量”處理過程中所涉及到的裝置，即形成本發(fā)明前文所述的第二分布式光纖傳感裝置；
通過控制函數(shù)發(fā)生器輸出的第一電脈沖信號和第二電脈沖信號之間的時延，以及控制函數(shù)發(fā)生器在相應(yīng)時間向混頻器輸出對應(yīng)的余弦信號，即可實現(xiàn)第一分布式光纖傳感裝置和第二分布式光纖傳感裝置對長距離傳感光纖的時分復(fù)用，并且，通過前面的介紹，我們可以明顯的看出，通過本發(fā)明方案，除了可以使兩種分布式光纖傳感裝置共用同一條長距離傳感光纖外，還可以使兩種分布式光纖傳感裝置共用光源、濾波器、混頻器、光電探測器等設(shè)備，從而使測量裝置在具備兩種測量功能的條件下，大大降低系統(tǒng)成本。其中，摻鉺光纖放大器還可采用如下的優(yōu)參數(shù)設(shè)置方案摻鉺光纖放大器的工作方式采用前向兩級泵浦方式，采用980nm泵浦光在4m或6m摻鉺光纖下實現(xiàn)光放大。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是可同時對振動位置和振動頻率進行監(jiān)測，所需的傳感光纖長度與原來單一功能的傳感器所需的光纖長度相同，大大降低系統(tǒng)成本。


圖I、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 圖中各個標(biāo)記所對應(yīng)的部件分別為光源I、第一稱合器2、第一聲光調(diào)制器3、摻鉺光纖放大器4、光濾波器5、三端口環(huán)形器6、長距離傳感光纖7、第二耦合器8、平衡光電探測器9、第二聲光調(diào)制器10、隔離器11、高通濾波器12、混頻器13、函數(shù)發(fā)生器14、低通濾波器15、數(shù)據(jù)采集卡16 ；
具體實施例方式—種時分復(fù)用的分布式光纖振動傳感器，包括基于后向瑞利散射原理的第一分布式光纖傳感裝置和基于Mach-Zehnder干涉原理的第二分布式光纖傳感裝置,其中，第一分布式光纖傳感裝置通過對應(yīng)的傳感光纖獲取被測空間內(nèi)的振動位置信息，第二分布式光纖傳感裝置通過對應(yīng)的傳感光纖獲取被測空間內(nèi)的振動頻率信息，其特征在于所述第一分布式光纖傳感裝置和第二分布式光纖傳感裝置共用同一條傳感光纖，第一分布式光纖傳感裝置和第二分布式光纖傳感裝置通過時分復(fù)用機制錯時工作。進一步地,分 布式光纖振動傳感器由光源I、第一稱合器2、第一聲光調(diào)制器3、摻鉺光纖放大器4、光濾波器5、三端口環(huán)形器6、長距離傳感光纖7、第二耦合器8、平衡光電探測器9、第二聲光調(diào)制器10、隔離器11、高通濾波器12、混頻器13、函數(shù)發(fā)生器14、低通濾波器15和數(shù)據(jù)采集卡16組成；其中，第一耦合器2為I X 3耦合器，第二耦合器8為2 X 2耦合器；
光源I與第一稱合器2的輸入端光路連接,第一稱合器2將輸入光分為三路,第一路光作為振動位置檢測信號輸入第二聲光調(diào)制器10，第二路光作為振動頻率檢測信號輸入第一聲光調(diào)制器3,第三路光作為參考信號輸入第二稱合器8的第一輸入端；
第二聲光調(diào)制器10的輸出端與隔離器11的輸入端光路連接，隔離器11的輸出端與長距離傳感光纖7的首端光路連接，長距離傳感光纖7的末端與三端口環(huán)形器6的收發(fā)復(fù)用端光路連接，三端口環(huán)形器6的輸出端與第二耦合器8的第二輸入端光路連接；
第一聲光調(diào)制器3的輸出端與摻鉺光纖放大器4的輸入端光路連接,摻鉺光纖放大器4的輸出端與光濾波器5的輸入端光路連接,光濾波器5的輸出端與三端口環(huán)形器6的輸入端光路連接；
第二耦合器8的兩個輸出端與平衡光電探測器9的兩個輸入端一一對應(yīng)地光路連接，平衡光電探測器9的輸出端與高通濾波器12的輸入端連接，高通濾波器12的輸出端與混頻器13的第一輸入端連接，混頻器13的第二輸入端與函數(shù)發(fā)生器14連接，混頻器13的輸出端與低通濾波器15的輸入端連接，低通濾波器15的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡16連接；
函數(shù)發(fā)生器14還分別與第一聲光調(diào)制器3和第二聲光調(diào)制器10連接；
函數(shù)發(fā)生器14向第一聲光調(diào)制器3輸出第一電脈沖信號，函數(shù)發(fā)生器14向第二聲光調(diào)制器10輸出第二電脈沖信號，通過調(diào)整第一電脈沖信號和第二電脈沖信號之間的輸出時延形成時分復(fù)用機制，使用于獲取振動位置信息的相關(guān)裝置和用于獲取振動頻率信息的相關(guān)裝置錯時工作；第一電脈沖信號和第二電脈沖信號之間的輸出時延可根據(jù)長距離傳感光纖7的具體長度靈活調(diào)整，原則上只要保證振動頻率檢測信號和振動位置檢測信號互不干涉即可，一般來說，長距離傳感光纖7的長度越長，第一電脈沖信號和第二電脈沖信號之間的輸出時延也應(yīng)設(shè)定得較長，由于光的傳播速度很快，即使長距離傳感光纖7的長度達到幾公里，其時延也可控制在微秒級，并不會影響振動測量的時實性。當(dāng)分布式光纖振動傳感器對振動位置信息進行測量時，函數(shù)發(fā)生器14向混頻器13輸出與第一電脈沖信號對應(yīng)的余弦信號，當(dāng)分布式光纖振動傳感器對振動頻率信息進行測量時，函數(shù)發(fā)生器14向混頻器13輸出與第二電脈沖信號對應(yīng)的余弦信號。進一步地，摻鉺光纖放大器4的工作方式采用前向兩級泵浦方式，采用980nm泵浦光在4m或6m摻鉺光纖下實現(xiàn)光放大。
權(quán)利要求
1.一種時分復(fù)用的分布式光纖振動傳感器，包括基于后向瑞利散射原理的第一分布式光纖傳感裝置和基于Mach-Zehnder干涉原理的第二分布式光纖傳感裝置,其中，第一分布式光纖傳感裝置通過對應(yīng)的傳感光纖獲取被測空間內(nèi)的振動位置信息，第二分布式光纖傳感裝置通過對應(yīng)的傳感光纖獲取被測空間內(nèi)的振動頻率信息，其特征在于所述第一分布式光纖傳感裝置和第二分布式光纖傳感裝置共用同一條傳感光纖，第一分布式光纖傳感裝置和第二分布式光纖傳感裝置通過時分復(fù)用機制錯時工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的時分復(fù)用的分布式光纖振動傳感器，其特征在于分布式光纖振動傳感器由光源(I)、第一稱合器(2)、第一聲光調(diào)制器(3)、摻鉺光纖放大器(4)、光濾波器(5)、三端口環(huán)形器(6)、長距離傳感光纖(7)、第二耦合器(8)、平衡光電探測器(9)、第二聲光調(diào)制器(10)、隔離器(11)、高通濾波器(12)、混頻器(13)、函數(shù)發(fā)生器(14)、低通濾波器(15)和數(shù)據(jù)采集卡(16)組成；其中，第一耦合器(2)為1X3耦合器，第二耦合器(8)為2X2耦合器； 光源(I)與第一稱合器(2)的輸入端光路連接,第一稱合器(2)將輸入光分為三路,第一路光作為振動頻率檢測信號輸入第二聲光調(diào)制器(10)，第二路光作為振動位置檢測信號輸入第一聲光調(diào)制器(3),第三路光作為參考信號輸入第二稱合器(8)的第一輸入端； 第二聲光調(diào)制器(10)的輸出端與隔離器(11)的輸入端光路連接，隔離器(11)的輸出端與長距離傳感光纖(7)的首端光路連接，長距離傳感光纖(7)的末端與三端口環(huán)形器(6)的收發(fā)復(fù)用端光路連接，三端口環(huán)形器(6)的輸出端與第二耦合器(8)的第二輸入端光路連接； 第一聲光調(diào)制器(3)的輸出端與摻鉺光纖放大器(4)的輸入端光路連接,摻鉺光纖放大器(4)的輸出端與光濾波器(5)的輸入端光路連接,光濾波器(5)的輸出端與三端口環(huán)形器(6)的輸入端光路連接； 第二耦合器(8)的兩個輸出端與平衡光電探測器(9)的兩個輸入端一一對應(yīng)地光路連接，平衡光電探測器(9)的輸出端與高通濾波器(12)的輸入端連接，高通濾波器(12)的輸出端與混頻器(13)的第一輸入端連接，混頻器(13)的第二輸入端與函數(shù)發(fā)生器(14)連接，混頻器(13)的輸出端與低通濾波器(15)的輸入端連接，低通濾波器(15)的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡(16)連接； 函數(shù)發(fā)生器(14)還分別與第一聲光調(diào)制器(3)和第二聲光調(diào)制器(10)連接； 函數(shù)發(fā)生器(14)向第一聲光調(diào)制器(3)輸出第一電脈沖信號，函數(shù)發(fā)生器(14)向第二聲光調(diào)制器(10)輸出第二電脈沖信號,通過調(diào)整第一電脈沖信號和第二電脈沖信號之間的輸出時延形成時分復(fù)用機制，使用于獲取振動位置信息的相關(guān)裝置和用于獲取振動頻率信息的相關(guān)裝置錯時工作； 當(dāng)分布式光纖振動傳感器對振動位置信息進行測量時，函數(shù)發(fā)生器(14)向混頻器(13)輸出與第一電脈沖信號對應(yīng)的余弦信號，當(dāng)分布式光纖振動傳感器對振動頻率信息進行測量時，函數(shù)發(fā)生器(14)向混頻器(13)輸出與第二電脈沖信號對應(yīng)的余弦信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的時分復(fù)用的分布式光纖振動傳感器,其特征在于摻鉺光纖放大器(4)的工作方式采用前向兩級泵浦方式，采用980nm泵浦光在4m或6m摻鉺光纖下實現(xiàn)光放大。
全文摘要
一種時分復(fù)用的分布式光纖振動傳感器，包括基于后向瑞利散射原理的第一分布式光纖傳感裝置和基于Mach-Zehnder干涉原理的第二分布式光纖傳感裝置，其中，第一分布式光纖傳感裝置通過對應(yīng)的傳感光纖獲取被測空間內(nèi)的振動位置信息，第二分布式光纖傳感裝置通過對應(yīng)的傳感光纖獲取被測空間內(nèi)的振動頻率信息，其特征在于所述第一分布式光纖傳感裝置和第二分布式光纖傳感裝置共用同一條傳感光纖，第一分布式光纖傳感裝置和第二分布式光纖傳感裝置通過時分復(fù)用機制錯時工作。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是可同時對振動位置和振動頻率進行監(jiān)測，所需的傳感光纖長度與原來單一功能的傳感器所需的光纖長度相同，大大降低系統(tǒng)成本。
文檔編號G01H9/00GK102967358SQ20121053797
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者朱濤, 何茜 申請人:重慶大學(xué)