分布式光纤布里渊应变和温度传感器

摘要

本发明涉及分布式光纤布里渊应变和温度传感器，结构为：PID控制器分别与计算机、两个电流控制器相连，两个电流控制器分别与探测激光器、泵浦激光器的输入端相连，探测激光器依次与一个95:5光纤耦合器、掺铒光纤放大器、滤波器、起偏器、光电调制器、扰偏器、环形器、光纤、一个光电探测器、数据采集卡和计算机18相连，计算机与脉冲发生器相连，脉冲发生器与光电调制器相连，泵浦激光器依次与另一95:5光纤耦合器、隔离器、探测光纤、环形器的公共端相连，两个95:5光纤耦合器之间连接50:50光纤耦合器，50:50光纤耦合器通过另一光电探测器与数据采集卡相连。本发明使用两个分布反馈式激光器，能够产生优于1米的空间分辨率，从而显著降低传感器的成本。

说明书

技术领域

本发明涉及分布式光纤布里渊应变和温度传感器，属于分布式光纤传 感器技术领域。

背景技术

光纤本身不带电，抗电磁、耐辐射、耐高电压、不产生电火花并且绝 缘性能良好等特点，使得光纤传感系统将成为传感器系统的主流，并逐步 替代传统的传感器系统。光纤上的物理量诸如：压力、温度、湿度、电场、 磁场等发生变化时，会引起光纤的物理特性发生变化，从而使光纤中传导 的光波产生各种光学效应，如：散射、偏振、强度改变等等。通过检测光 纤中光波的变化，实现对温度、压力、形变、水位等物理量的检测。近年 光电子器件的迅猛发展，特别是半导体激光器、波分复用和光耦合技术、 光电信号的探测与处理等等技术的发展，使光纤用来做分布式传感器系统 成为了现实。

结构状态监测能找出结构早期问题迹象，预防损害，修复损害。它也可 以指导使用新的建材，能满足长期维修结构的需要。目前，用于结构状态 监测的传感器只提供局部影响结构的应力信息。其本地化的性质提供了不 完整的建筑健康信息。它们无法找到早期的缺陷，如裂缝或屈曲，这需要 厘米级空间分辨率。我们需要检测、评估整体结构的破坏程度。这样的传 感器必须在超过几十米至十几公里内，提供分布式温度和应变测量。

分布式光纤布里渊应变和温度传感器在很长的距离内测量应变和温度 信息，是一个优秀的大型结构健康监测工具，适用于如管道、配电线路、 大坝、安全系统、国防设备、桥梁和火灾探测等。这种传感器依靠庞大的 分布规模和在光通信方面提供高分辨率远程监控。没有任何其他技术能和 它的成本相比。

还有一种常见的适用于本地化测量的光纤传感技术：光纤光栅传感器。 然而，对于结构状态监测，当潜在的损坏或泄漏位置未知时，很难预先确 定光纤光栅传感器或应变计放置的地点。当特定区域已知时，光纤光栅传 感器可作为一个本地化的传感器。

现有的分布式光纤布里渊应变和温度传感器的测量方法是利用受激布 里渊散射现象。现有的传感器需要两个相反方向的激光器通过同一个光纤 环。一个为连续激光器，另一个为脉冲激光器。入射光纤的激光与光纤中 声波的非线性相互作用，光波通过电致伸缩产生声波，引起光纤折射率的 周期性调制(折射率光栅)，产生频率下移的布里渊散射光，在光纤中产生 的背向布里渊散射的频移V_B为：

V_B＝2nv/λ  (1)

其中n为入射光波长λ处得折射率，v为光纤中声速。

在光纤中的布里渊散射光频移具有应变和温度效应V_B具有应变和温度 效应

布里渊散射光的频移

δv_B＝C_vε+C_vTδT    (3)

其中频移的应变系数C_vε和温度系数C_vT为

C_vε＝0.0482±0.004MHz/με，C_vT＝1.10±0.02MHz/K

光纤中布里渊散射的强度比依赖光纤的应变和温度

$\frac{{100\mathrm{\delta I}}_B}{I_B}=C_{\mathrm{Pϵ}}\mathrm{\delta ϵ}+C_{\mathrm{PT}}\mathrm{\delta T}---\left(4\right)$

其中强度比的应变系数C_Pε和温度系数C_PT为

C_pε＝-(7.7±1.4)×10⁴％    C_PT＝0.36±0.06％/K

由(3)、(4)式，只要测量出光纤上各段频移和强度比可解调出此段光 纤的应变δε和温度差δT。

目前存在两种布里渊光纤光学传感器。布里渊散射光时域反射测量技术 (BOTDR)能测量基于布里渊散射单脉冲的应变和温度。布里渊光时域分析 系统(BOTDA)使用一个更复杂的现象，即：受激布里渊散射(SBS)。斯托 克斯散射(包括布里渊散射和拉曼散射)。由于布里渊信号弱，BOTDR的测 量范围有限，信噪比一般比BOTDA技术差。BOTDR的技术优势之一：只有 一端光纤需要访问。BOTDA技术更加强大。由于信号强度大，应变和温度 测量更准确，测量范围是通常长于BOTDR的技术。除了双面访问导致的长 度缩短一半，BOTDA法需更多的光学元件和双向光路。因此，最好使用基 于BOTDA的传感器系统，它能提供高精度和快速测量应变温度的方法。

发明内容

本发明涉的目的提供一种基于BOTDA的分布式光纤布里渊应变和温度 传感器，本发明使用两个分布反馈式激光器作为泵浦激光器和探测激光器， 这种基于分布反馈式激光器的分布式传感器解决了之前系统的不足，能够 产生优于1米的空间分辨率。使用分布反馈式激光器取代频率稳定和可调 谐的激光系统，从而显著降低传感器系统的成本。

本发明的技术方案为：

分布式光纤布里渊应变和温度传感器，包括探测激光器、泵浦激光器、 探测光纤、两个95:5光纤耦合器、50:50光纤耦合器、两个光电探测器、 掺铒光纤放大器、滤波器、数据采集卡、PID控制器、两个电流控制器、 起偏器、扰偏器、脉冲发生器、光电调制器、环形器、隔离器和计算机， 其特征在于：PID控制器的输入端与计算机相连，PID控制器的输出端分别 与两个电流控制器的输入端相连，两个电流控制器的输出端分别与探测激 光器、泵浦激光器的输入端相连，探测激光器的输出端与一个95:5光纤耦 合器的输入端相连，该95:5光纤耦合器的一个输出端与掺铒光纤放大器的 输入端相连，该95:5光纤耦合器的另一个输出端与50:50光纤耦合器的一 个输入端相连，掺铒光纤放大器的输出端与滤波器的输入端相连，滤波器 的输出端与起偏器的输入端相连，脉冲发生器的输入端与计算机相连，脉 冲发生器的输出端与光电调制器的一个输入端相连，起偏器的输出端与光 电调制器的另一个输入端相连，光电调制器的输出端与扰偏器的输入端相 连，扰偏器的输出端与环形器的输入端相连，环形器的公共端与探测光纤 相连，环形器的输出端与一个光电探测器的输入端相连，该光电探测器的 输出端依次与数据采集卡和计算机相连；泵浦激光器的输出端与另一个 95:5耦合器的输入端相连，另一个95:5光纤耦合器的一个输出端与隔离 器的输入端相连，隔离器的输出端与探测光纤相连，另一个95:5光纤耦合 器的另一个输出端与50:50光纤耦合器的另一个输入端相连，50:50光纤 耦合器的输出端与另一个光电探测器的输入端相连，另一个光电探测器的 输出端依次与数据采集卡和计算机相连。

PID控制器是比例-积分-微分控制器的简称。

所述的探测激光器、泵浦激光器均为分布反馈式激光器。

分布式光纤布里渊应变和温度传感器使用两个分布反馈式激光器。一个 分布反馈式激光器作为泵浦激光器，电流控制器控制电流源和温度，用于 稳定分布反馈式激光器的温度。从分布反馈式激光器输出的光束被95:5 光纤耦合器分离，发送光束的百分之五经50:50光纤耦合器、光电探测器 被送至数据采集卡；95％的光通过一个隔离器输出，然后传输到测试光纤。

另一个分布反馈式激光器作为探测激光器，波长为1550nm，电流控制 器控制电流源和温度，用于稳定分布反馈式激光器的温度，从分布反馈式 激光器输出的光束被95:5光纤耦合器分离，发送光束的百分之五经50:50 光纤耦合器、光电探测器被送至数据采集卡，其余95％的输出光第一次被 掺铒光纤放大器EDFA放大，之后通过滤波器滤波。起偏器用于调整从滤波 器输出的光极性。光电调制器从脉冲发生器获取到控制输入，产生光学脉 冲。输出的光脉冲通过扰偏器，然后通过环形器被发送到测试光纤。

布里渊信号通过环行器，被光电探测器转换成电信号。转换的电信号通 过数据采集卡收集，通过以太网口输入到系统控制计算机。

分布式光纤布里渊应变和温度传感器使用PID控制器，通过放大脉冲信 号的最小泄漏电平来锁定频率差和偏置。PID控制器确保两个分布反馈式 激光器的拍频锁定在布里渊频率。PID控制器分别使用两个独立的电流控 制器控制两个分布反馈式激光器的电流和温度。

分布式光纤布里渊应变和温度传感器使用起偏器和扰偏器，减小极性变 化引起的功率波动。

这种基于分布反馈式激光器的分布式传感器解决了之前系统的不足，能 够产生优于1米的空间分辨率。本发明比之前的系统具有以下优点：使用 分布反馈式激光器取代频率稳定和可调谐的激光系统，从而显著降低传感 器系统的成本。

附图说明

图1是本发明的连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的说明：

如图1所示，本发明包括探测激光器1、泵浦激光器2、探测光纤12、 两个95:5光纤耦合器(41，42)、50:50光纤耦合器17、两个光电探测器 (13，16)、掺铒光纤放大器5、滤波器6、数据采集卡14、PID控制器19、 两个电流控制器(31，32)、起偏器7、扰偏器10、脉冲发生器9、光电调 制器8、环形器11、隔离器15和计算机18，PID控制器19的输入端与计 算机18相连，PID控制器19的输出端分别与两个电流控制器(31，32) 的输入端相连，两个电流控制器(31，32)的输出端分别与探测激光器1、 泵浦激光器2的输入端相连，探测激光器1的输出端与一个95:5光纤耦合 器41的输入端相连，该95:5光纤耦合器41的一个输出端与掺铒光纤放大 器5的输入端相连，该95:5光纤耦合器41的另一个输出端与50:50光纤 耦合器17的一个输入端相连，掺铒光纤放大器5的输出端与滤波器6的输 入端相连，滤波器6的输出端与起偏器7的输入端相连，脉冲发生器9的 输入端与计算机18相连，脉冲发生器9的输出端与光电调制器8的一个输 入端相连，起偏器的输出端7与光电调制器8的另一个输入端相连，光电 调制器8的输出端与扰偏器10的输入端相连，扰偏器10的输出端与环形 器11的输入端相连，环形器11的公共端与探测光纤12相连，环形器11 的输出端与一个光电探测器13的输入端相连，该光电探测器13的输出端 依次与数据采集卡14和计算机18相连；泵浦激光器2的输出端与另一个 95:5耦合器42的输入端相连，另一个95:5光纤耦合器42的一个输出端 与隔离器15的输入端相连，隔离器15的输出端与探测光纤12相连，另一 个95:5光纤耦合器42的另一个输出端与50:50光纤耦合器17的另一个输 入端相连，50:50光纤耦合器17的输出端与另一个光电探测器16的输入 端相连，另一个光电探测器16的输出端依次与数据采集卡14和计算机18 相连。所述的探测激光器、泵浦激光器分别为分布反馈式激光器。

分布式光纤布里渊应变和温度传感器使用两个分布反馈式激光器。分布 反馈式激光器2作为泵浦激光器，电流控制器32控制电流源和温度，用于 稳定分布反馈式激光器2的温度。从分布反馈式激光器2输出的光束被 95:5光纤耦合器分离。发送光束的百分之五经50:50光纤耦合器、光电探 测器17被送至数据采集卡。95％的光通过一个隔离器输出，然后传输到 测试光纤。

分布反馈式激光器1作为探测激光器，波长为1550nm。电流控制器31 控制电流源和温度，用于稳定分布反馈式激光器1的温度。从分布反馈式 激光器1输出的光束被95:5光纤耦合器分离，发送光束的百分之五经50:50 光纤耦合器、光电探测器17被送至数据采集卡。其余95％的输出光第一次 被掺铒光纤放大器EDFA放大，之后通过滤波器滤波。起偏器用于调整从滤 波器输出的光极性。光电调制器从脉冲发生器获取到控制输入，产生光学 脉冲。输出的光脉冲通过扰偏器，然后通过环形器被发送到测试光纤。

布里渊信号通过环行器，被光电探测器转换成电信号。转换的电信号通 过数据采集卡收集，通过以太网口输入到系统控制计算机。

分布式光纤布里渊应变和温度传感器使用PID控制器，通过放大脉冲信 号的最小泄漏电平来锁定频率差和偏置。PID控制器确保两个分布反馈式 激光器的拍频锁定在布里渊频率。PID控制器分别使用两个独立的电流控 制器控制两个分布反馈式激光器的电流和温度。