基於otdr方式和低反射率光纖光柵的超多點傳感系統的製作方法
2023-11-07 02:14:22 1
專利名稱：基於otdr方式和低反射率光纖光柵的超多點傳感系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於光纖傳感器設備技術領域，具體涉及一種至少使用一個分布反饋雷射器(DFB)的基於OTDR方式和低反射率光纖光柵的超多點傳感系統。
背景技術：
現代經濟社會突飛猛進的發展為建築業和大型工程帶來了良好的發展契機，但隨之而來的健康和安全的監測問題(如大壩、橋梁、太空飛行器、高速鐵路、船舶、核電站等大型結構)卻日益明顯。並且我國是一個災害頻發的國家，如2010年的舟曲泥石流，寶成鐵路的橋梁垮塌等，如果能提前預警，就可以避免人民群眾的生命財產損失。所有這些都可以通過大量的傳感器進行監測。光纖光柵(FBG)傳感器因其本質安全、不受電磁幹擾、靈敏度高、 質量輕、體積小、易於復用、可以組網等優點，在此領域得到了廣泛的應用。光纖光柵的反射或透射峰波長與光柵的折射率調製周期及纖芯折射率有關，而由於光纖的熱膨脹效應、光纖的熱光效應及光纖內部熱應力引起的彈光效應，外界溫度、應力的變化會影響折射率調製周期和纖芯折射率的變化，從而引起光纖光柵的反射或透射波長的變化。光纖光柵傳感器的傳感過程是通過外界參量對布拉格反射波的中心波長的調製來獲取傳感信息的，屬於一種波長調製型光纖傳感器。光纖光柵傳感器最大技術經濟優勢在於分布式(多點)傳感，可以組網。這樣不僅可以減少傳感器安裝和信號傳輸線對施工及原結構性能的影響，而且可以增加傳感點的密度，與同樣傳感數量的常規傳感器及測量系統相比整體價格低。實際上，大型和複雜結構的監控經常需要大量傳感器，例如，飛機結構監控需要近5000個傳感器才能有足夠的覆蓋。因此，在經濟、實用的前提條件下，FBG傳感網絡所能復用的傳感器數量就成了研究者追求的目標。光纖傳感網也屬於物聯網範疇，物聯網已確定為我國的戰略新興產業，其本質上是一個龐大的傳感網絡。FBG傳感網絡的復用方式主要有波分復用(WDM)、時分復用(TDM)、空分復用(SDM) 或它們之間的組合，目前國內外的成熟方案主要採用的是波分復用(WDM)。由於WDM復用方式受光源的帶寬限制，其可復用的FBG數目大大受到限制(一般20 30個)。
發明內容
本發明的目的是提供一種基於OTDR方式和低反射率光纖光柵的超多點傳感系統，能實現對大型機構的快速、超多點以及低成本檢測。本發明所米用的技術方案是，一種基於OTDR方式和低反射率光纖光柵的超多點傳感系統，其特徵在於，包括至少一個光信號產生裝置，光信號產生裝置與光耦合器相連接，光耦合器的兩個輸出端分別連接光環行器和觸發光檢測器，光環行器的一個輸出端連接有光纖，該光纖上串聯有多個低反射率光纖光柵，光環行器的另一個輸出端依次連接有信號光檢測器和電信號放大電路，觸發光檢測器和電信號放大電路的輸出端均連接在數字示波器上，數字示波器的輸出端通過信號處理電路連接有顯示器。
光信號產生裝置的數量為一個或兩個。光信號產生裝置為分布反饋雷射器。多個低反射率光纖光柵的反射率均為1% O. 1%。信號光檢測器為PIN光電二極體或雪崩二極體。本發明基於OTDR方式和低反射率光纖光柵的超多點傳感系統的優點是與傳統的波分復用(WDM)相比，在一根光纖上能夠復用的FBG數大大增加了。WDM復用方式受光源的帶寬限制，其可復用的FBG數目大大受到限制(一般20 30個)。而本發明採用低反射率光纖光柵和OTDR方式，在一根光纖上能夠復用的FBG數可達幾百甚至上千；通過一個分布反饋雷射器產生短脈衝光或兩個分布反饋雷射器精確地交替產生短脈衝及相應的信號檢測與處理，可對串聯在一根光纖上幾百個的低反射率FBG進行高空間分辨、寬動態範圍的應變測量。如果與其他復用方式相結合，可構成含有幾千甚至上萬個FBG的光纖傳感網絡。從而能用於如地面滑坡、高速鐵路和建築物裂縫等的監測，並為發展大型光纖物聯網奠定基礎，具有重大的科學意義及工程價值。
圖I是本發明第一種實施例的系統框圖；圖2是本發明第一種實施例的FBG應變測量原理圖；圖3是本發明第一種實施例不同位置上設置的FBG的反射功率的示意圖；圖4是使用兩個DFB測量大動態範圍應變的原理圖；圖5是本發明第二種實施例的系統框圖；圖6是本發明用於理論仿真計算最大能復用的FBG個數的原理框圖；圖7是本發明中的FBG反射譜和雷射器波長的關係示意圖；圖8是本發明中不同的反射率所對應串聯的FBG數目，其中，(a)和(b)中分別對應的是輸入功率Po = 5mff和Ptl = IOmff時的兩種情況。其中，1-1.第一分布反饋雷射器，1-2.第二分布反饋雷射器，2.光耦合器，3.光環行器，4.光纖，5.信號光檢測器，6.電信號放大電路，7.信號處理電路，8.顯示器，9.數字示波器，10.觸發光檢測器。
具體實施例方式實施例I如圖I所不,本發明基於OTDR方式和低反射率光纖光柵的超多點傳感系統,包括作為光信號產生裝置的第一分布反饋雷射器1-1，第一分布反饋雷射器1-1與光稱合器2相連接，光耦合器2的兩個輸出端分別連接光環行器3和觸發光檢測器10，光環行器3的一個輸出端連接有光纖4，該光纖4上串聯有多個低反射率光纖光柵FBG，多個低反射率光纖光柵FBG的位置按照待檢測位置的需要而設置，光環行器3的另一個輸出端依次連接有信號光檢測器5和電信號放大電路6,觸發光檢測器10和電信號放大電路6的輸出端均連接在數字示波器9上，數字示波器9的輸出端通過信號處理電路7連接有顯示器8。低反射率光纖光柵FBG的反射率均為1% O. 1%。信號光檢測器5為PIN光電二極體或雪崩二極體 APD，作為探測信號的檢出器件。觸發光檢測器10選用PIN光電二極體作為觸發信號的檢出器件。第一分布反饋雷射器1-1產生短脈衝光進入光耦合器2，光耦合器2分光比為 10 90，90%的一路通過光環行器3最終進入光纖4，10%的一路到用於觸發光檢測器10。 光纖4上串聯的FBG採用反射率在1% O. 1%之間的低反射率光纖光柵，其反射率越低， 系統復用的光纖光柵個數就越多。光纖4上串聯的FBG反射回來的光信號經光環行器到達信號光檢測器5和電信號放大電路6，依次經光電變換和信號放大後，到達數字示波器9，再經信號處理電路7的信號處理，最終在顯示器8上顯示，以確定光纖4上某個低反射率光纖光柵FBG產生應變的大小。當系統中只有一個光信號產生裝置DFB，假設在測量中雷射器的譜是不變的，若在光纖光柵FBG上加以應變,光纖光柵FBG的反射譜的波長將移位,如圖2所不,反射光強度 P ( ε )將是光纖光柵FBG的反射譜r ( λ )和雷射光譜φ ( λ )的卷積。雷射器的波長為λ O, 未加應變時光纖光柵FBG的反射譜為圖2中實線，反射光功率(強度)為P1 ;加應變時光纖光柵FBG的反射譜由於移位△ λ而變為虛線，反射光功率Ρ2。應變引起光纖光柵FBG反射譜的波長移位可轉化為光強度的變化，即由P1變為P2,由反射光強度的變化量就可以計算出應變。因此直接光纖光柵的反射光強度的變化量就可以確定該光柵的應變。當串聯多個光纖光柵FBG時，每個光纖光柵FBG的位置R可用光時域反射法OTDR 確定脈衝光入射時，由反射光和觸發光的時間差即可確定傳感器的位置，即R = c *td/2n, 其中，c為光速，^為反射光和觸發光的時間差，η為光纖纖芯的折射率。距離(空間)解析度，即兩個相鄰光纖光柵FBG的最短距離，由光脈衝的寬度決定，S卩AR=C· τ/2η，其中， τ為雷射脈衝寬度。光纖光柵FBG中心波長偏移量的大小影響光纖光柵在探測雷射波長處的反射率, 從而引起對應光纖光柵FBG的反射功率的變化，圖3為不同位置上設置的光纖光柵FBG的反射功率的示意圖。因為在理想情況下，光電探測器接收到反射光信號後的參量變化(光電探測到電流轉換到電壓放大)都是線性關係。通過檢測對應光纖光柵FBG的雷射脈衝的反射光強度In變化，可以獲得該處光纖光柵FBG的應變變化大小，通過測量對應功率反射信號的回波時間差，再獲得應變發生的具體位置(或者光纖光柵FBG的序號)。因此可以實現對應變大小及產生的具體位置進行實時監測。為了提高檢測信號的信噪比，根據多次掃描求平均可以降低噪聲的原理，一次測
量時採用多個光脈衝求平均，例如一次測量使用了 N個光脈衝，其噪聲可降到1/#。由於
低反射率光纖光柵FBG反射回來的信號很弱，除了採用多個光脈衝求平均以提高信噪比外，還使用了雪崩二極體APD，因此，本發明系統的各種光檢測器件及數字示波器完全可以檢測到納秒級信號。實施例2如圖5所示，本實施例與實施例I不同之處是，作為光信號產生裝置的是第一分布反饋雷射器1-1和第二分布反饋雷射器1-2，第一分布反饋雷射器1-1和第二分布反饋雷射器1-2均與光耦合器2相連接。在工作工程中，兩個分布反饋雷射器精確地交替產生短脈衝。當光纖光柵FBG遭受的應變較大時，光纖光柵FBG的反射譜勢必移出第一分布反饋雷射器1-1的範圍，導致沒有反射功率信號，無法測量，為此可以再增加一個第二分布反饋雷射器1-2。如圖4所示。因此，為了擴大應變的測量動態範圍，我們提出使用兩個分布反饋雷射器DFB交替產生納秒脈衝。當光纖光柵FBG的反射譜與第一分布反饋雷射器1-1 的譜有重合時，就用第一分布反饋雷射器1-1來測量；如果光纖光柵FBG受到較大的應變， 其反射譜移出第一分布反饋雷射器1-1的測量範圍時，就採用第二分布反饋雷射器1-2來測量。兩個分布反饋雷射器DFB波長之間的間隔(2nm 4nm)與光纖光柵FBG反射譜之間要很好地匹配。如圖6所示，採用第一分布反饋雷射器1-1、光耦合器2、光纖4以及信號光檢測器 5構成理論仿真計算模型，其中，第一分布反饋雷射器1-1、光纖4以及信號光檢測器5均與光耦合器2相連接。信號光檢測器5為雪崩二極體。該模型參數如下表所示
權利要求
1.一種基於OTDR方式和低反射率光纖光柵的超多點傳感系統,其特徵在於,包括至少一個光信號產生裝置，所述光信號產生裝置與光耦合器相連接，所述光耦合器的兩個輸出端分別連接光環行器和觸發光檢測器，所述光環行器的一個輸出端連接有光纖，該光纖上串聯有多個低反射率光纖光柵，所述光環行器的另一個輸出端依次連接有信號光檢測器和電信號放大電路，所述觸發光檢測器和電信號放大電路的輸出端均連接在數字示波器上， 所述數字示波器的輸出端通過信號處理電路連接有顯示器。
2.按照權利要求I所述的基於OTDR方式和低反射率光纖光柵的超多點傳感系統，其特徵在於，所述光信號產生裝置的數量為一個或兩個。
3.按照權利要求2所述的基於OTDR方式和低反射率光纖光柵的超多點傳感系統，其特徵在於，所述光信號產生裝置為分布反饋雷射器。
4.按照權利要求I所述的基於OTDR方式和低反射率光纖光柵的超多點傳感系統，其特徵在於，所述多個低反射率光纖光柵的反射率均為1% O. I %。
5.按照權利要求I所述的基於OTDR方式和低反射率光纖光柵的超多點傳感系統,其特徵在於，所述信號光檢測器為PIN光電二極體或雪崩二極體。
全文摘要
本發明公開了一種基於OTDR方式和低反射率光纖光柵的超多點傳感系統，包括至少一個光信號產生裝置，光信號產生裝置與光耦合器相連接，光耦合器的兩個輸出端分別連接光環行器和觸發光檢測器，光環行器的一個輸出端連接有光纖，該光纖上串聯有多個低反射率光纖光柵，光環行器的另一個輸出端依次連接有信號光檢測器和電信號放大電路，觸發光檢測器和電信號放大電路的輸出端均連接在數字示波器上，數字示波器的輸出端通過信號處理電路連接有顯示器。本發明能實現對大型機構的快速、超多點以及低成本檢測。
文檔編號G01D5/26GK102607606SQ20111040717
公開日2012年7月25日 申請日期2011年12月8日 優先權日2011年12月8日
發明者華燈鑫, 鞏鑫, 汪麗, 章鵬博, 胡遼林 申請人:西安理工大學