專利名稱：基于光時域反射技術的拉錐傳感光纖折射率多點檢測方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術領域，涉及一種基于光時域反射技術的拉錐傳感光纖折射率多點檢測方法及裝置。
背景技術：
隨著工業(yè)技術發(fā)展，由于工廠對生產中產生的廢液、廢氣、廢渣等污染源沒有采取有效的清理措施，人們的生活環(huán)境遭到了嚴重破壞。近年來頻繁的爆發(fā)瓦斯爆炸、煤氣中毒、事物中毒和有毒化工原料泄露等事件引起了國家的高度重視，所以國家積極鼓勵有關的傳感檢測技術的研究。經過國內各科學院和企業(yè)的人力、財力的投入，國家在礦井安全、空氣質量監(jiān)測、食品安全檢測、化學分析等領域已經取得了很大的進步。光纖傳感技術是以光波為載體，光纖為傳輸介質或者作為傳感兀件的一種新型傳感技術。在生化傳感和檢測領域中，物質的折射率(Reflection Index, RI)是一個與物質的光學性能、濃度、成分以及色散等性質密切相關的重要物理參數(shù)，通過對樣品折射率的測量，利用折射率與物質濃度之間的對應關系便可換算出樣品的濃度，這對于生化領域具有十分重要的意義。通常折射率測量方法有牛頓環(huán)法、衍射光柵法和基于全反射原理的阿貝折射儀測量法等，這些測量方法雖然測量精度高，但是操作相對復雜，在測量時需要先取樣再測量，因此無法實現(xiàn)實時監(jiān)測，而且這些檢測方法所需的儀器體積偏大，且大多只能實現(xiàn)單點測量，無法適用于惡劣的檢測環(huán)境，這些缺點大大地限制了這些檢測方法的實際應用。隨著科技的發(fā)展，出現(xiàn)了一些基于光纖表面等離子體型和光纖干涉儀等的測量折射率方法，雖然這些方法打破了惡劣的環(huán)境對于測量的限制，但是這些方法實現(xiàn)的大多也只是單點的測量，無法實現(xiàn)遠距離的多點的實時監(jiān)測。拉錐光纖是利用拉錐腐蝕等方法將常規(guī)光纖拉制成直徑比較小的光纖。拉錐光纖的錐區(qū)是一個倏逝場，光在錐區(qū)傳輸時，光的強度會對其周圍的折射率敏感，不同的外部介質折射率將會引起不同的損耗，這個損耗的變化大小與外部介質折射率的變化大小成比例關系，因此可以實現(xiàn)對外部介質折射率的檢測。光通信領域中光時域反射技術是利用激光器發(fā)射具有一定寬度和重復周期的窄光脈沖進入被測光纖，在入射端檢測后向散射信號強度，根據后向散射信號沿時間軸的幅度曲線可以得到被測光纖鏈路的損耗、熔接點和斷點等分布。針對現(xiàn)有折射率檢測技術中不易實現(xiàn)多點測量的問題，我們提出了一種基于光時域反射技術的拉錐傳感光纖折射率多點檢測方法，并提供了實現(xiàn)該方法的裝置。這種方法結構簡單、便于操作，可實現(xiàn)多點折射率實時監(jiān)測及遠距離的傳感。

發(fā)明內容
為了克服現(xiàn)有技術中不易實現(xiàn)多點測量和遠距離實時監(jiān)測的問題，本發(fā)明提出了一種結構簡單、便于操作、可實現(xiàn)多點、遠距離及實時監(jiān)測的基于光時域反射技術的拉錐傳感光纖折射率多點檢測方法，以及實現(xiàn)該方法的裝置。本發(fā)明的方法包括以下步驟:步驟(I)選擇一個激光二極管、一個光脈沖調制器、一個光電探測器、一個1X2光耦合器、一根長距離傳輸光纖、多根拉錐傳感光纖、一個由數(shù)據采集卡和計算機組成的硬件系統(tǒng)、一個由數(shù)據采集累加卡控制和數(shù)據采集程序、保存和管理的數(shù)據庫管理系統(tǒng)、數(shù)據處理和顯示的軟件平臺；步驟(2)將激光二極管發(fā)出的光經由光脈沖調制器調制后接入到1X2光耦合器具有兩個端口一側的第一端口，1X2光稱合器另一側的端口接長距離傳輸光纖,并在傳輸光纖不同距離的傳感位置上嵌入熔接一根拉錐傳感光纖，傳輸光纖及拉錐傳感光纖產生的后向散射信號通過IX 2光耦合器具有兩個端口 一側的第二端口經光電探測器進行光電轉換后將信息傳遞給數(shù)據采集系統(tǒng)并由軟件將信號經行處理，最后顯示后向散射信號沿距離的幅度曲線；步驟(3)將熔接有多根拉錐傳感光纖的傳輸光纖鋪設到待檢測區(qū)域中，使拉錐傳感光纖的位置與待檢測點對應，光在傳輸過程中經過拉錐傳感光纖，由于拉錐傳感光纖周圍折射率的不同，引起光纖鏈路中傳輸?shù)墓饷}沖及其后向散射光在此處的損耗大小也不同，且這個損耗大小與拉錐傳感光纖周圍介質的折射率大小成比例，因此鏈路散射信號強度隨傳輸距離的曲線在傳感點處階躍幅度的大小與拉錐傳感光纖周圍的折射率大小相對應，通過監(jiān)測散射信號曲線在傳感點處的階躍幅度大小實現(xiàn)對折射率長距離多點的傳感。本發(fā)明為解決技術問題所采取的裝置:其特征在于包括了一個激光二極管、一個光脈沖調制器、一個光電探測器、一個1X2光耦合器、一根長距離傳輸光纖、多根拉錐傳感光纖、一個由數(shù)據采集卡和計算機組成的硬件系統(tǒng)、一個由數(shù)據采集累加卡控制和數(shù)據采集程序、保存和管理的數(shù)據庫管理系統(tǒng)、數(shù)據處理和顯示的軟件平臺；激光二極管發(fā)出的光通過光脈沖調制器，能夠輸出脈沖寬度和頻率可調節(jié)的光脈沖，再連接至1X2光耦合器具有兩個端口一側的第一個端口上；1X2光耦合器的另一側的端口連接到傳輸光纖的一端，在傳輸光纖上多個分布監(jiān)測點處分別嵌入熔接有一根拉錐傳感光纖；IX 2光耦合器具有兩個端口 一側的第二個端口連接至光電探測器；光電探測器的數(shù)據輸出端連接入信號采集系統(tǒng)，信號最后經過軟件處理后由顯示器顯示。本發(fā)明所具有的有益效果為:1、本發(fā)明利用在傳輸光纖上多個分布監(jiān)測點處點分別嵌入熔接一根拉錐傳感光纖與光時域反射技術結合，實現(xiàn)了折射率的長距離、多點和實時檢測功能。2、本發(fā)明利用不同折射率對拉錐傳感光纖的波導特性的影響，通過光波在拉錐傳感光纖中傳輸損耗大小的變化，并實時在顯示器上顯示，通過對照光波損耗與傳感點處介質折射率的對應關系，可以同時得到多個待測點的折射率。


圖1為本發(fā)明的結構示意圖。圖2為本發(fā)明中拉錐傳感光纖的示意圖。
圖3為本發(fā)明具體實例的檢測結果示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對發(fā)明進一步描述。如圖1所示，準分布折射率傳感裝置包括一個激光二極管1、一個光脈沖調制器
2、一個光電探測器6、一個1X2光耦合器3、一根長距離傳輸光纖4、多根拉錐傳感光纖5、一個由數(shù)據采集卡和計算機組成的硬件系統(tǒng)7、一個由數(shù)據采集累加卡控制和數(shù)據采集程序、保存和管理的數(shù)據庫管理系統(tǒng)、數(shù)據處理和顯示的軟件平臺8。激光二極管I出射光通過光脈沖調制器2調制，輸出脈沖寬度和頻率可調節(jié)的光脈沖，再連接至1X2光耦合器3具有兩個端口一側的第一個端上；1 X 2光耦合器3另一側的端口連接到傳輸光纖4的一端，在傳輸光纖上多個分布監(jiān)測點處分別嵌入熔接有一根拉錐傳感光纖5，拉錐傳感光纖5結構示意圖如圖2，其是由單模光纖拉錐至錐腰區(qū)9直徑約為65 μ m，兩段過渡區(qū)10之間長度約為525 μ m ;1 X 2光耦合器3具有兩個端口 一側的第二端口連接至光電探測器6 ;光電探測器6連接入信號采集的硬件系統(tǒng)7，信號最后經過軟件系統(tǒng)8處理后顯示。本發(fā)明裝置的工作方式為:激光二極管I出射光通過光調制器2后輸出光脈沖，光脈沖進入傳輸光纖4中進行遠距離傳輸,光脈沖傳播過程中在傳輸光纖4每一個位置都會產生后向散射，光脈沖及其后向散射信號在被測區(qū)域內傳輸經過分布在傳輸光纖4上的多個拉錐傳感光纖5，由于拉錐傳感光纖5周圍不同折射率的影響，導致光脈沖及其后向散射信號在此處的光強衰減程度大小不同，從而經過硬件采集系統(tǒng)7及軟件系統(tǒng)8處理后顯示后向散射信號光強隨距離的曲線在待測點上階躍的大小不同。該裝置能夠實現(xiàn)遠距離折射率多點傳感的關鍵技術為:利用光時域反技術能夠在遠距離對各點后向散射光光強進行實時連續(xù)監(jiān)測；利用在傳輸光纖不同距離處分別布置一根拉錐傳感光纖將各監(jiān)測點在距離上進行分辨，達到多點檢測的功能，并在光強隨距離的曲線圖上實時顯示。本實施例中的激光二極管選擇型號為JKY/M066，輸出光波長為1550nm，由光脈沖調制器設置最后輸出光脈沖的脈沖寬度50nm,頻率為30kHz ;傳輸光纖為G.652單模光纖，長度30km ;拉錐傳感光纖錐腰處直徑為65 μ m,長度為525 μ m,選擇五根拉錐傳感光纖分別布置在傳輸光纖的10km、14km、18km、22km以及26km處；選擇光電探測器是具有單模光纖耦合的InGaAs ATO光電探測器。五根拉錐傳感光纖分別放置于折射率分別為1.3352、
1.3424,1.3510,1.3609,1.3708的NaCl溶液中，待測區(qū)域折射率為1.3352，顯示器上顯示該傳感位置處的損耗光強為2.3dB ;待測區(qū)域折射率為1.3424，顯示器上顯示該傳感位置處的損耗光強為1.9dB ;待測區(qū)域折射率為1.3510，顯示器上顯示該傳感位置處的損耗光強為1.7dB ;待測區(qū)域折射率為1.3609，顯示器上顯示該傳感位置處的損耗光強為1.5dB。待測區(qū)域折射率為1.3708，顯示器上顯示該傳感位置處的損耗光強為1.2dB，其結果示意圖如圖3。通過拉錐傳感光纖損耗光強的大小，可以測得不同的介質折射率，從而實現(xiàn)了折射率的遠距離多點實時監(jiān)測。
權利要求
1.基于光時域反射技術的拉錐傳感光纖折射率多點檢測方法，其特征在于該方法包括如下步驟: 步驟(I)選擇一個激光二極管、一個光脈沖調制器、一個光電探測器、一個1X2光耦合器、一根長距離傳輸光纖、多根拉錐傳感光纖、一個由數(shù)據采集卡和計算機組成的硬件系統(tǒng)、一個由數(shù)據采集累加卡控制和數(shù)據采集程序、保存和管理的數(shù)據庫管理系統(tǒng)、數(shù)據處理和顯示的軟件平臺； 步驟(2)將激光二極管發(fā)出的光經由光脈沖調制器調制后接入到1X2光耦合器具有兩個端口一側的第一端口，I X 2光稱合器另一側的端口接長距離傳輸光纖，并在傳輸光纖不同距離的傳感位置上嵌入熔接一根拉錐傳感光纖，傳輸光纖及拉錐傳感光纖產生的后向散射信號通過IX 2光耦合器具有兩個端口一側的第二端口經光電探測器進行光電轉換后將信息傳遞給數(shù)據采集系統(tǒng)并由軟件將信號經行處理，最后顯示后向散射信號沿距離的幅度曲線； 步驟(3)將熔接有多根拉錐傳感光纖的傳輸光纖鋪設到待檢測區(qū)域中，使拉錐傳感光纖的位置與待檢測點對應，光在傳輸過程中經過拉錐傳感光纖，由于拉錐傳感光纖周圍折射率的不同，引起光纖鏈路中傳輸?shù)墓饷}沖及其后向散射光在此處的損耗大小也不同，且這個損耗大小與拉錐傳感光纖周圍介質的折射率大小成比例，因此鏈路散射信號強度隨傳輸距離的曲線在傳感點處階躍幅度的大小與拉錐傳感光纖周圍的折射率大小相對應，通過監(jiān)測散射信號曲線在傳感點處的階躍幅度大小實現(xiàn)對折射率長距離多點的傳感。
2.實現(xiàn)權利要求1所述方法的裝置，其特征在于包括了一個激光二極管、一個光脈沖調制器、一個光電探測器、一個1X2光耦合器、一根長距離傳輸光纖、多根拉錐傳感光纖、一個由數(shù)據采集卡和計算機組成的硬件系統(tǒng)、一個由數(shù)據采集累加卡控制和數(shù)據采集程序、保存和管理的數(shù)據庫管理系統(tǒng)、數(shù)據處理和顯示的軟件平臺；激光二極管發(fā)出的光通過光脈沖調制器，能夠輸出脈沖寬度和頻率可調節(jié)的光脈沖，再連接至1X2光耦合器具有兩個端口一側的第一個端口上；IX2光耦合器的另一側的端口連接到傳輸光纖的一端，在傳輸光纖上多個分布監(jiān)測點處分別嵌入熔接有一根拉錐傳感光纖；1X2光耦合器具有兩個端口一側的第二個端口連接至光電探測器；光電探測器的數(shù)據輸出端連接入信號采集系統(tǒng)，信號最后經過軟件處理后由顯示器顯示。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于光時域反射技術的拉錐傳感光纖折射率多點檢測方法及裝置。將激光二極管發(fā)出的光經由光脈沖調制器調制后接入到1×2光耦合器具有兩個端口一側的第一端口，1×2光耦合器另一側的端口接一根分布多個監(jiān)測點處嵌入熔接有拉錐傳感光纖的長距離傳輸光纖，傳輸光纖及拉錐傳感光纖產生的后向散射信號通過光電探測器后將信息傳遞給數(shù)據采集系統(tǒng)并由軟件將信號經行處理，最后顯示后向散射信號沿距離的幅度曲線，后向散射信號沿距離的幅度曲線在傳感點處階躍幅度的大小與拉錐傳感光纖周圍的折射率大小相對應，通過監(jiān)測散射信號曲線在傳感點處的階躍幅度大小實現(xiàn)對折射率長距離多點的傳感。本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中不易實現(xiàn)多點測量和遠距離實時監(jiān)測的問題，提出了一種結構簡單、便于操作、可實現(xiàn)多點、遠距離及實時監(jiān)測的基于光時域反射技術的拉錐傳感光纖折射率多點檢測方法，以及實現(xiàn)該方法的裝置。
文檔編號G01N21/41GK103115895SQ20131002720
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月21日 優(yōu)先權日2013年1月21日
發(fā)明者趙春柳, 袁劍英, 倪凱 申請人:中國計量學院