專(zhuān)利名稱(chēng)：分布式光纖布里淵應(yīng)變和溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及分布式光纖布里淵應(yīng)變和溫度傳感器，屬于分布式光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖本身不帶電，抗電磁、耐輻射、耐高電壓、不產(chǎn)生電火花并且絕緣性能良好等特點(diǎn)，使得光纖傳感系統(tǒng)將成為傳感器系統(tǒng)的主流，并逐步替代傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)。光纖上的物理量諸如壓力、溫度、濕度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起光纖的物理特性發(fā)生變化，從而使光纖中傳導(dǎo)的光波產(chǎn)生各種光學(xué)效應(yīng)，如散射、偏振、強(qiáng)度改變等等。通過(guò)檢測(cè)光纖中光波的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、形變、水位等物理量的檢測(cè)。近年光電子器件的迅猛發(fā)展，特別是半導(dǎo)體激光器、波分復(fù)用和光耦合技術(shù)、光電信號(hào)的探測(cè)與處理等等技術(shù)的發(fā)展，使光纖用來(lái)做分布式傳感器系統(tǒng)成為了現(xiàn)實(shí)。 結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)能找出結(jié)構(gòu)早期問(wèn)題跡象，預(yù)防損害，修復(fù)損害。它也可以指導(dǎo)使用新的建材，能滿(mǎn)足長(zhǎng)期維修結(jié)構(gòu)的需要。目前，用于結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的傳感器只提供局部影響結(jié)構(gòu)的應(yīng)力信息。其本地化的性質(zhì)提供了不完整的建筑健康信息。它們無(wú)法找到早期的缺陷，如裂縫或屈曲，這需要厘米級(jí)空間分辨率。我們需要檢測(cè)、評(píng)估整體結(jié)構(gòu)的破壞程度。這樣的傳感器必須在超過(guò)幾十米至十幾公里內(nèi)，提供分布式溫度和應(yīng)變測(cè)量。分布式光纖布里淵應(yīng)變和溫度傳感器在很長(zhǎng)的距離內(nèi)測(cè)量應(yīng)變和溫度信息，是一個(gè)優(yōu)秀的大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)工具，適用于如管道、配電線(xiàn)路、大壩、安全系統(tǒng)、國(guó)防設(shè)備、橋梁和火災(zāi)探測(cè)等。這種傳感器依靠龐大的分布規(guī)模和在光通信方面提供高分辨率遠(yuǎn)程監(jiān)控。沒(méi)有任何其他技術(shù)能和它的成本相比。還有一種常見(jiàn)的適用于本地化測(cè)量的光纖傳感技術(shù)光纖光柵傳感器。然而，對(duì)于結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，當(dāng)潛在的損壞或泄漏位置未知時(shí)，很難預(yù)先確定光纖光柵傳感器或應(yīng)變計(jì)放置的地點(diǎn)。當(dāng)特定區(qū)域已知時(shí)，光纖光柵傳感器可作為一個(gè)本地化的傳感器?，F(xiàn)有的分布式光纖布里淵應(yīng)變和溫度傳感器的測(cè)量方法是利用受激布里淵散射現(xiàn)象?，F(xiàn)有的傳感器需要兩個(gè)相反方向的激光器通過(guò)同一個(gè)光纖環(huán)。一個(gè)為連續(xù)激光器，另一個(gè)為脈沖激光器。入射光纖的激光與光纖中聲波的非線(xiàn)性相互作用，光波通過(guò)電致伸縮產(chǎn)生聲波，引起光纖折射率的周期性調(diào)制(折射率光柵)，產(chǎn)生頻率下移的布里淵散射光，在光纖中產(chǎn)生的背向布里淵散射的頻移Vb為Vb = 2nv/ A (I)其中n為入射光波長(zhǎng)入處得折射率，V為光纖中聲速。在光纖中的布里淵散射光頻移具有應(yīng)變和溫度效應(yīng)Vb具有應(yīng)變和溫度效應(yīng)
vB0 ++ fx T( C)
° (2)布里淵散射光的頻移[0012]Svb = Cve+CvT8T⑶其中頻移的應(yīng)變系數(shù)Cv6和溫度系數(shù)CvT為Cve = 0. 0482 ±0. 004MHz/ U e , CvT = I. 10 ±0. 02MHz/K光纖中布里淵散射的強(qiáng)度比依賴(lài)光纖的應(yīng)變和溫度= CpsSs + CptSY (4)
丄B其中強(qiáng)度比的應(yīng)變系數(shù)Cpe和溫度系數(shù)Cpt為Cpe =-(7. 7±1. 4) X104% Cpt = 0. 36±0. 06%/K由(3)、(4)式，只要測(cè)量出光纖上各段頻移和強(qiáng)度比可解調(diào)出此段光纖的應(yīng)變6 e和溫度差ST。目前存在兩種布里淵光纖光學(xué)傳感器。布里淵散射光時(shí)域反射測(cè)量技術(shù)(BOTDR)能測(cè)量基于布里淵散射單脈沖的應(yīng)變和溫度。布里淵光時(shí)域分析系統(tǒng)(BOTDA)使用一個(gè)更復(fù)雜的現(xiàn)象，即受激布里淵散射(SBS)。斯托克斯散射(包括布里淵散射和拉曼散射)。由于布里淵信號(hào)弱，BOTDR的測(cè)量范圍有限，信噪比一般比BOTDA技術(shù)差。BOTDR的技術(shù)優(yōu)勢(shì)之一只有一端光纖需要訪(fǎng)問(wèn)。BOTDA技術(shù)更加強(qiáng)大。由于信號(hào)強(qiáng)度大，應(yīng)變和溫度測(cè)量更準(zhǔn)確，測(cè)量范圍是通常長(zhǎng)于BOTDR的技術(shù)。除了雙面訪(fǎng)問(wèn)導(dǎo)致的長(zhǎng)度縮短一半，BOTDA法需更多的光學(xué)元件和雙向光路。因此，最好使用基于BOTDA的傳感器系統(tǒng)，它能提供高精度和快速測(cè)量應(yīng)變溫度的方法。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型涉的目的提供一種基于BOTDA的分布式光纖布里淵應(yīng)變和溫度傳感器，本實(shí)用新型使用兩個(gè)分布反饋式激光器作為泵浦激光器和探測(cè)激光器，這種基于分布反饋式激光器的分布式傳感器解決了之前系統(tǒng)的不足，能夠產(chǎn)生優(yōu)于I米的空間分辨率。使用分布反饋式激光器取代頻率穩(wěn)定和可調(diào)諧的激光系統(tǒng)，從而顯著降低傳感器系統(tǒng)的成本。本實(shí)用新型的技術(shù)方案為分布式光纖布里淵應(yīng)變和溫度傳感器，包括探測(cè)激光器、泵浦激光器、探測(cè)光纖、兩個(gè)95 : 5光纖稱(chēng)合器、50 : 50光纖稱(chēng)合器、兩個(gè)光電探測(cè)器、摻鉺光纖放大器、濾波器、數(shù)據(jù)采集卡、PID控制器、兩個(gè)電流控制器、起偏器、擾偏器、脈沖發(fā)生器、光電調(diào)制器、環(huán)形器、隔離器和計(jì)算機(jī)，其特征在于=PID控制器的輸入端與計(jì)算機(jī)相連，PID控制器的輸出端分別與兩個(gè)電流控制器的輸入端相連，兩個(gè)電流控制器的輸出端分別與探測(cè)激光器、泵浦激光器的輸入端相連，探測(cè)激光器的輸出端與一個(gè)95 : 5光纖稱(chēng)合器的輸入端相連,該95 : 5光纖稱(chēng)合器的一個(gè)輸出端與摻鉺光纖放大器的輸入端相連,該95 : 5光纖稱(chēng)合器的另一個(gè)輸出端與50 : 50光纖f禹合器的一個(gè)輸入端相連,摻鉺光纖放大器的輸出端與濾波器的輸入端相連，濾波器的輸出端與起偏器的輸入端相連，脈沖發(fā)生器的輸入端與計(jì)算機(jī)相連，脈沖發(fā)生器的輸出端與光電調(diào)制器的一個(gè)輸入端相連，起偏器的輸出端與光電調(diào)制器的另一個(gè)輸入端相連，光電調(diào)制器的輸出端與擾偏器的輸入端相連，擾偏器的輸出端與環(huán)形器的輸入端相連，環(huán)形器的公共端與探測(cè)光纖相連，環(huán)形器的輸出端與一個(gè)光電探測(cè)器的輸入端相連，該光電探測(cè)器的輸出端依次與數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)相連；泵浦激光器的輸出端與另一個(gè)95 : 5 f禹合器的輸入端相連,另一個(gè)95 : 5光纖f禹合器的一個(gè)輸出端與隔離器的輸入端相連，隔離器的輸出端與探測(cè)光纖相連，另一個(gè)95 5光纖耦合器的另一個(gè)輸出端與50 : 50光纖f禹合器的另一個(gè)輸入端相連,50 : 50光纖f禹合器的輸出端與另一個(gè)光電探測(cè)器的輸入端相連，另一個(gè)光電探測(cè)器的輸出端依次與數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)相連。PID控制器是比例-積分-微分控制器的簡(jiǎn)稱(chēng)。所述的探測(cè)激光器、泵浦激光器均為分布反饋式激光器。分布式光纖布里淵應(yīng)變和溫度傳感器使用兩個(gè)分布反饋式激光器。一個(gè)分布反饋式激光器作為泵浦激光器，電流控制器控制電流源和溫度，用于穩(wěn)定分布反饋式激光器的溫度。從分布反饋式激光器輸出的光束被95 : 5光纖稱(chēng)合器分離,發(fā)送光束的百分之五經(jīng) 50 : 50光纖稱(chēng)合器、光電探測(cè)器被送至數(shù)據(jù)米集卡；95%的光通過(guò)一個(gè)隔離器輸出，然后傳輸?shù)綔y(cè)試光纖。另一個(gè)分布反饋式激光器作為探測(cè)激光器，波長(zhǎng)為1550nm，電流控制器控制電流源和溫度，用于穩(wěn)定分布反饋式激光器的溫度，從分布反饋式激光器輸出的光束被95 5光纖耦合器分離，發(fā)送光束的百分之五經(jīng)50 50光纖耦合器、光電探測(cè)器被送至數(shù)據(jù)采集卡，其余95%的輸出光第一次被摻鉺光纖放大器EDFA放大,之后通過(guò)濾波器濾波。起偏器用于調(diào)整從濾波器輸出的光極性。光電調(diào)制器從脈沖發(fā)生器獲取到控制輸入，產(chǎn)生光學(xué)脈沖。輸出的光脈沖通過(guò)擾偏器，然后通過(guò)環(huán)形器被發(fā)送到測(cè)試光纖。布里淵信號(hào)通過(guò)環(huán)行器，被光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。轉(zhuǎn)換的電信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡收集，通過(guò)以太網(wǎng)口輸入到系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)。分布式光纖布里淵應(yīng)變和溫度傳感器使用PID控制器，通過(guò)放大脈沖信號(hào)的最小泄漏電平來(lái)鎖定頻率差和偏置。PID控制器確保兩個(gè)分布反饋式激光器的拍頻鎖定在布里淵頻率。PID控制器分別使用兩個(gè)獨(dú)立的電流控制器控制兩個(gè)分布反饋式激光器的電流和溫度。分布式光纖布里淵應(yīng)變和溫度傳感器使用起偏器和擾偏器，減小極性變化引起的功率波動(dòng)。這種基于分布反饋式激光器的分布式傳感器解決了之前系統(tǒng)的不足，能夠產(chǎn)生優(yōu)于I米的空間分辨率。本實(shí)用新型比之前的系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)使用分布反饋式激光器取代頻率穩(wěn)定和可調(diào)諧的激光系統(tǒng)，從而顯著降低傳感器系統(tǒng)的成本。

圖I是本實(shí)用新型的連接示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明如圖I所示，本實(shí)用新型包括探測(cè)激光器I、泵浦激光器2、探測(cè)光纖12、兩個(gè)95 : 5光纖稱(chēng)合器(41,42)、50 : 50光纖稱(chēng)合器17、兩個(gè)光電探測(cè)器(13,16)、摻鉺光纖放大器5、濾波器6、數(shù)據(jù)采集卡14、PID控制器19、兩個(gè)電流控制器(31，32)、起偏器7、擾偏器10、脈沖發(fā)生器9、光電調(diào)制器8、環(huán)形器11、隔離器15和計(jì)算機(jī)18，P ID控制器19的輸入端與計(jì)算機(jī)18相連，PID控制器19的輸出端分別與兩個(gè)電流控制器(31，32)的輸入端相連，兩個(gè)電流控制器(31，32)的輸出端分別與探測(cè)激光器I、泵浦激光器2的輸入端相連，探測(cè)激光器I的輸出端與一個(gè)95 : 5光纖稱(chēng)合器41的輸入端相連,該95 : 5光纖稱(chēng)合器41的一個(gè)輸出端與摻鉺光纖放大器5的輸入端相連,該95 : 5光纖稱(chēng)合器41的另一個(gè)輸出端與50 : 50光纖I禹合器17的一個(gè)輸入端相連,摻鉺光纖放大器5的輸出端與濾波器6的輸入端相連，濾波器6的輸出端與起偏器7的輸入端相連，脈沖發(fā)生器9的輸入端與計(jì)算機(jī)18相連,脈沖發(fā)生器9的輸出端與光電調(diào)制器8的一個(gè)輸入端相連,起偏器的輸出端7與光電調(diào)制器8的另一個(gè)輸入端相連,光電調(diào)制器8的輸出端與擾偏器10的輸入端相連，擾偏器10的輸出端與環(huán)形器11的輸入端相連，環(huán)形器11的公共端與探測(cè)光纖12相連，環(huán)形器11的輸出端與一個(gè)光電探測(cè)器13的輸入端相連，該光電探測(cè)器13的輸出端依次與數(shù)據(jù)采集卡14和計(jì)算機(jī)18相連；泵浦激光器2的輸出端與另一個(gè)95 5耦合器42的輸入端相連，另一個(gè)95 : 5光纖稱(chēng)合器42的一個(gè)輸出端與隔離器15的輸入端相連,隔離器15的輸出端與探測(cè)光纖12相連,另一個(gè)95 : 5光纖f禹合器42的另一個(gè)輸出端與50 : 50光纖率禹合器17的另一個(gè)輸入端相連，50 : 50光纖稱(chēng)合器17的輸出端與另一個(gè)光電探測(cè)器16的輸入端相連，另一個(gè)光電探測(cè)器16的輸出端依次與數(shù)據(jù)采集卡14和計(jì)算機(jī)18相連。 所述的探測(cè)激光器、泵浦激光器分別為分布反饋式激光器。分布式光纖布里淵應(yīng)變和溫度傳感器使用兩個(gè)分布反饋式激光器。分布反饋式激光器2作為泵浦激光器，電流控制器32控制電流源和溫度，用于穩(wěn)定分布反饋式激光器2的溫度。從分布反饋式激光器2輸出的光束被95 : 5光纖稱(chēng)合器分離。發(fā)送光束的百分之五經(jīng)50 50光纖耦合器、光電探測(cè)器17被送至數(shù)據(jù)采集卡。95%的光通過(guò)一個(gè)隔離器輸出，然后傳輸?shù)綔y(cè)試光纖。分布反饋式激光器I作為探測(cè)激光器，波長(zhǎng)為1550nm。電流控制器31控制電流源和溫度，用于穩(wěn)定分布反饋式激光器I的溫度。從分布反饋式激光器I輸出的光束被95 : 5光纖耦合器分離，發(fā)送光束的百分之五經(jīng)50 50光纖耦合器、光電探測(cè)器17被送至數(shù)據(jù)米集卡。其余95%的輸出光第一次被摻鉺光纖放大器EDFA放大,之后通過(guò)濾波器濾波。起偏器用于調(diào)整從濾波器輸出的光極性。光電調(diào)制器從脈沖發(fā)生器獲取到控制輸入，產(chǎn)生光學(xué)脈沖。輸出的光脈沖通過(guò)擾偏器，然后通過(guò)環(huán)形器被發(fā)送到測(cè)試光纖。布里淵信號(hào)通過(guò)環(huán)行器，被光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。轉(zhuǎn)換的電信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡收集，通過(guò)以太網(wǎng)口輸入到系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)。分布式光纖布里淵應(yīng)變和溫度傳感器使用PID控制器，通過(guò)放大脈沖信號(hào)的最小泄漏電平來(lái)鎖定頻率差和偏置。PID控制器確保兩個(gè)分布反饋式激光器的拍頻鎖定在布里淵頻率。PID控制器分別使用兩個(gè)獨(dú)立的電流控制器控制兩個(gè)分布反饋式激光器的電流和溫度。
權(quán)利要求1.分布式光纖布里淵應(yīng)變和溫度傳感器，包括探測(cè)激光器、泵浦激光器、探測(cè)光纖、兩個(gè)95 : 5光纖稱(chēng)合器、50 : 50光纖稱(chēng)合器、兩個(gè)光電探測(cè)器、摻鉺光纖放大器、濾波器、數(shù)據(jù)采集卡、PID控制器、兩個(gè)電流控制器、起偏器、擾偏器、脈沖發(fā)生器、光電調(diào)制器、環(huán)形器、隔離器和計(jì)算機(jī)，其特征在于=PID控制器的輸入端與計(jì)算機(jī)相連，PID控制器的輸出端分別與兩個(gè)電流控制器的輸入端相連，兩個(gè)電流控制器的輸出端分別與探測(cè)激光器、泵浦激光器的輸入端相連，探測(cè)激光器的輸出端與ー個(gè)95 : 5光纖稱(chēng)合器的輸入端相連,該95 : 5光纖稱(chēng)合器的ー個(gè)輸出端與摻鉺光纖放大器的輸入端相連,該95 : 5光纖稱(chēng)合器的另ー個(gè)輸出端與50 : 50光纖f禹合器的一個(gè)輸入端相連,摻鉺光纖放大器的輸出端與濾波器的輸入端相連，濾波器的輸出端與起偏器的輸入端相連，脈沖發(fā)生器的輸入端與計(jì)算機(jī)相連，脈沖發(fā)生器的輸出端與光電調(diào)制器的一個(gè)輸入端相連，起偏器的輸出端與光電調(diào)制器的另一個(gè)輸入端相連，光電調(diào)制器的輸出端與擾偏器的輸入端相連，擾偏器的輸出端與環(huán)形器的輸入端相連，環(huán)形器的公共端與探測(cè)光纖相連，環(huán)形器的輸出端與一個(gè)光電探測(cè)器的輸入端相連，該光電探測(cè)器的輸出端依次與數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)相連；泵浦激光器的輸出端與另ー個(gè)95 : 5 f禹合器的輸入端相連,另ー個(gè)95 : 5光纖f禹合器的ー個(gè)輸出端與隔離器的輸入端相連，隔離器的輸出端與探測(cè)光纖相連，另ー個(gè)95 5光纖耦合器的另ー 個(gè)輸出端與50 : 50光纖f禹合器的另ー個(gè)輸入端相連,50 : 50光纖f禹合器的輸出端與另一個(gè)光電探測(cè)器的輸入端相連，另ー個(gè)光電探測(cè)器的輸出端依次與數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分布式光纖布里淵應(yīng)變和溫度傳感器，其特征在于所述的探測(cè)激光器、泵浦激光器為分布反饋式激光器。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及分布式光纖布里淵應(yīng)變和溫度傳感器，結(jié)構(gòu)為PID控制器分別與計(jì)算機(jī)、兩個(gè)電流控制器相連，兩個(gè)電流控制器分別與探測(cè)激光器、泵浦激光器的輸入端相連，探測(cè)激光器依次與一個(gè)95∶5光纖耦合器、摻鉺光纖放大器、濾波器、起偏器、光電調(diào)制器、擾偏器、環(huán)形器、光纖、一個(gè)光電探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)18相連，計(jì)算機(jī)與脈沖發(fā)生器相連，脈沖發(fā)生器與光電調(diào)制器相連，泵浦激光器依次與另一95∶5光纖耦合器、隔離器、探測(cè)光纖、環(huán)形器的公共端相連，兩個(gè)95∶5光纖耦合器之間連接50∶50光纖耦合器，50∶50光纖耦合器通過(guò)另一光電探測(cè)器與數(shù)據(jù)采集卡相連。本實(shí)用新型使用兩個(gè)分布反饋式激光器，能夠產(chǎn)生優(yōu)于1米的空間分辨率，從而顯著降低傳感器的成本。
文檔編號(hào)G01K11/32GK202533198SQ201220115328
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月26日
發(fā)明者王一華, 許季青, 黃凡 申請(qǐng)人:湖北擎宇科技有限公司