一種基於布裡淵散射的分布式光纖傳感裝置的製作方法

2023-05-10 03:48:31

專利名稱：一種基於布裡淵散射的分布式光纖傳感裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基於布裡淵散射的分布式光纖傳感裝置，尤其是涉及一種同時測量溫度和應變的分布式光纖傳感裝置。
背景技術：
分布式光纖傳感器在電力、橋梁、大壩、石化等重要基礎設施的安全監測中有重要應用。與基於拉曼散射的分布式光纖傳感器相比，基於布裡淵散射的分布式光纖傳感器的測量距離更長、測量精度更高，並且實現溫度和應力測量，因此該產品自問世以來備受人們
關注。 基於布裡淵散射的分布式光纖傳感器有兩種類型布裡淵光時域反射技術(Brillouin Opitcal Time Domain Reflection, B0TDR)和布裡淵光時域分析技術(Brillouin Optical Time Domain Analysis, B0TDA)。其中 BOTDR 為單端測量，結構簡單，但其探測的是微弱的自發布裡淵散射光，難以實現長距離、高精度測量；BOTDA則為雙端測量，探測的是較強的受激布裡淵散射光，其測量距離與精度優於B0TDR，是目前最具應用前景的光纖傳感器。典型的BOTDA的系統結構如圖I所示，包括探測光源，泵浦光源，耦合器I，耦合器2，耦合器3，外調製器，擾偏器，環形器，頻率測量模塊，信號探測模塊，傳感光纖。其中探測光源和泵浦光源的波長非常接近，其典型的頻率差約為9 16GHz，探測光源和泵浦光源分別經耦合器I、耦合器2分出部分光後進入耦合器3，並由頻率測量模塊實現探測光源和泵浦光源的頻率差的測量，外調製器一般採用電光調製器，用於產生脈衝光信號，擾偏器用於消除偏振的影響，脈衝光和泵浦光相對向入射至傳感光纖，布裡淵散射信號經環形器後由信號探測模塊測量。基於布裡淵散射的分布式光纖傳感器是利用光纖布裡淵背向散射效應研製的。光纖中的布裡淵散射效應是注入光波場與光纖中的彈性聲波場間相互耦合作用而產生的一種非線性光散射現象，其中布裡淵頻移Vb與波長λ、聲速Va和折射率η與的關係式為Vb = 2n Va(I )
Λ當環境溫度變化或光纖產生形變時，光纖中聲速νΑ和光的折射率η都會隨之變化，從而使布裡淵頻移Vb發生變化。布裡淵頻移變化量與環境溫度、光纖應變成線性關係Δ vB=Cε Δ ε +Ct Δ T (2)式中八％為布裡淵頻移變化量，Λ ε為光纖軸向應變，AT為光纖溫度，Ce和(^分別為布裡淵散射頻移的應變和溫度係數。布裡淵散射頻移的應變和溫度係數Ce和(^除了與光纖結構有關，還與雷射波長有關，並且雷射波長差異越大，則布裡淵散射頻移的應變和溫度係數差異越大。由於布裡淵頻移對溫度和應變同時敏感，在健康狀態監測等實際應用過程中需解決該交叉敏感效應，對此人們提出不少解決方案。如，Bao X等人採用保偏光纖、光子晶體光纖、大有效面積光纖等特殊光纖作為測量光纖，利用多個布裡淵頻移峰來分離溫度和應變值("Simultaneous strain and temperature measurementswith polarization-maintaining fibers and their error analysis by use of adistributed Brillouin loss system, "Optics letters,29 (12):1342-1344,2004),但由於特殊光纖大都價格昂貴、可獲得性差，長距離測量成本過高。又如，申請號為201010229960. 7的實用新型專利公開了一種利用並列設置的至少兩根布裡淵頻移溫度係數和應力係數不同的測量光纖，並通過光開關切換方式來實現兩根光纖的布裡淵頻移變化量的測量，通過聯立方程組解決布裡淵頻移對溫度和應變的交叉敏感效應，但需要提前敷設兩種類型的單模光纖。針對長距離高壓電力電纜、海底光電複合纜等監測應用，尤其是已建大型工程項目，一般僅敷設了一種單模光纖(例如G652),如何利用單一種類的單模光纖實現溫度和應變的分離，是大規模應用推廣基於布裡淵散射的分布式光纖傳感器的關鍵。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種利用單一種類的單模光纖實現溫度和應變同時測量的分布式光纖傳感裝置。本實用新型解決上述技術問題所採用的技術方案為一種基於布裡淵散射的分布式光纖傳感裝置，包括第一探測光源，第一泵浦光源，第一耦合器，第二耦合器，頻率測量模塊，探測光輸出及信號處理模塊，泵浦光輸出模塊，傳感光纖模塊，還包括第二探測光源，第二泵浦光源，第一光開關模塊和第二光開關模塊，所述的第一探測光源和第二探測光源分別與第一光開關模塊的兩個光信號輸入端連接，所述的第一泵浦光源和第二泵浦光源分別與第二光開關模塊的兩個光信號輸入端連接，所述的第一光開關模塊的光信號輸出端與第一耦合器的輸入端連接，所述的第二光開關模塊的光信號輸出端與第二耦合器的輸入端連接，所述的頻率測量模塊分別與第一耦合器和第二耦合器的一個輸出端連接，所述的第一耦合器和第二耦合器的另一個輸出端分別與所述的探測光輸出及信號處理模塊和泵浦光輸出模塊的輸入端連接，所述的探測光輸出及信號處理模塊和泵浦光輸出模塊的輸出端分別與傳感光纖模塊的兩端連接。所述的第一探測光源和第一泵浦光源與第二探測光源和第二泵浦光源具有不同的波長範圍，並且波長間隔不小於190nm。更進一步，第一探測光源和第一泵浦光源若選用(1550 ± 30) nm範圍的雷射光源，第二探測光源和第二泵浦光源則需選用(1310 ± 20) nm範圍的雷射光源或者(1064±20) nm範圍的雷射光源。所述的第一光開關模塊和第二光開關模塊可以選擇第一探測光源和第一泵浦光源或者第二探測光源和第二泵浦光源作為布裡淵光時域分析儀的光源。布裡淵光時域分析儀需要探測光源和泵浦光源相向入射到傳感光纖上，本技術方案中利用第一探測光源和第一泵浦光源組成一對布裡淵光時域分析儀光源，利用第二探測光源和第二泵浦光源組成另一對布裡淵時域分析儀光源，其它器件如頻率測量模塊、探測光輸出及信號處理模塊、泵浦光輸出模塊、耦合器等核心光電模塊則共用，通過第一光開關和第二光開關模塊的切換，以較低的成本實現了兩套雷射波長不同的布裡淵光時域分析儀，此時可以獲得兩組傳感光纖的布裡淵頻移變化量分布Avm(Z)和Λ vB2 (z)。由於第一探測光源和第一泵浦光源與第二探測光源和第二泵浦光源的雷射波長有較大差異，他們的布裡淵散射頻移的應變係數Ce i、Ce2和溫度係數CT1、Ct2不同，此時聯立方程組可以獲得傳感光纖沿線各處的應變值Λ ε (ζ)和溫度值ΛΤ(ζ):
權利要求1.一種基於布裡淵散射的分布式光纖傳感裝置，包括第一探測光源，第一泵浦光源，第一耦合器，第二耦合器，頻率測量模塊，探測光輸出及信號處理模塊，泵浦光輸出模塊，傳感光纖模塊，其特徵在於還包括第二探測光源，第二泵浦光源，第一光開關模塊和第二光開關模塊，所述的第一探測光源和第二探測光源分別與第一光開關模塊的兩個光信號輸入端連接，所述的第一泵浦光源和第二泵浦光源分別與第二光開關模塊的兩個光信號輸入端連接，所述的第一光開關模塊的光信號輸出端與第一耦合器的輸入端連接，所述的第二光開關模塊的光信號輸出端與第二耦合器的輸入端連接，所述的頻率測量模塊分別與第一耦合器和第二 I禹合器的一個輸出端連接，所述的第一 I禹合器和第二 I禹合器的另一個輸出端分別與所述的探測光輸出及信號處理模塊和泵浦光輸出模塊的輸入端連接，所述的探測光輸出及信號處理模塊和泵浦光輸出模塊的輸出端分別與傳感光纖模塊的兩端連接。
2.如權利要求I所述的一種基於布裡淵散射的分布式光纖傳感裝置，其特徵在於所述的第一探測光源和第一泵浦光源與第二探測光源和第二泵浦光源具有不同的波長範圍，並且波長間隔不小於190nm。
3.如權利要求I所述的一種基於布裡淵散射的分布式光纖傳感裝置，其特徵在於所述的第一光開關模塊和第二光開關模塊可以選擇第一探測光源和第一泵浦光源或者第二探測光源和第二泵浦光源作為布裡淵光時域分析儀的光源。
4.如權利要求3所述的一種基於布裡淵散射的分布式光纖傳感裝置，其特徵在於所述的第一光開關模塊和第二光開關模塊均為2X1光開關,設有兩個光信號輸入端和一個光信號輸出端。
專利摘要本實用新型公開了一種基於布裡淵散射的分布式光纖傳感裝置，包括第一探測光源，第二探測光源，第一泵浦光源，第二泵浦光源，第一光開關模塊，第二光開關模塊，第一耦合器，第二耦合器，頻率測量模塊，探測光輸出及信號處理模塊，泵浦光輸出模塊和傳感光纖模塊。通過第一光開關模塊和第二光開關模塊選擇第一探測光源和第一泵浦光源或者第二探測光源和第二泵浦光源作為布裡淵光時域分析儀的光源，進而實現單一種類的傳感光纖的應變和溫度同時測量的裝置，解決了布裡淵分布式光纖傳感中溫度和應變交叉敏感效應的問題，該裝置結構簡單，成本低，對傳感光纖的規格沒有特殊要求，適用範圍廣，尤其是適合已建工程的分布式在線監測應用。
文檔編號G01K11/32GK202648830SQ20122026886
公開日2013年1月2日 申請日期2012年6月8日 優先權日2012年6月8日
發明者劉航傑, 塗勤昌, 李浩泉, 侯光恩, 戴世勳 申請人:寧波諾馳光電科技發展有限公司