一種分布式光纖溫度與應變測量傳感器的製作方法

2023-05-06 11:26:31

專利名稱：一種分布式光纖溫度與應變測量傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光纖傳感器技術，尤其是涉及一種分布式光纖溫度與應變傳感器。
背景技術：
目前的分布式光纖傳感器主要有兩類一類是拉曼光纖傳感器，另一類是布裡淵光纖傳感器。拉曼光纖傳感器由於只具備溫度測量功能，應用受到一定的限制；而布裡淵光纖傳感器因為能夠對溫度和應變參量進行同時測量而得到廣泛的研究，取得了快速的發展。布裡淵光纖傳感器通過檢測光纖各位置背向自發或受激布裡淵散射光相對入射光的頻移量來實現分布式傳感器對溫度和應變的測量，其優點是傳感距離長，空間解析度高。但是由於布裡淵頻移量對溫度和應變兩物理量同時敏感，且與二者線性相關，因此在實際應用中存在溫度應變交叉敏感問題，即很難從最終得到的布裡淵頻移量中分離出溫度和應變各自引起的變化量，嚴重阻礙了此類傳感器的工程推廣。目前解決溫度應變交叉敏感問題通常採用的技術有以下幾種1、散射光強度和頻移的雙參量法(J.Smith et al. ,"Simultaneous distributed strain andtemperature measurement,，，Appl· Opt, 38 :5372_5377,1999),這類方法通過同時測量背向散射光強度和頻移量，聯立方程解出溫度和應變變化量，但是布裡淵光強度的測量限制了傳感器的探測距離，而且光強度易受到外界擾動，光源輸出功率抖動以及偏振態漂移等問題的影響。2> Landau-Placzek 比率法(P. C. Wait and Τ. P. Newson, "Landau-Placzek ratioapplied todistributed fibre sensing," Optics Communications,122(4-6) 141-146，1996)，這類方法同時測量布裡淵散射光強度和對應變不敏感的瑞利散射光強度， 通過計算二者比值(Landau-Placzek比率)提取溫度變化量，但瑞利散射光的測量限制了傳感器的探測長度以及空間解析度，同時系統複雜度顯著提高。3、特殊光纖法(X. Bao, Q. Yu and L. Chen, "Simultaneous strain and temperaturemeasurements with polarization-maintaining fibers and their error analysis by use ofadistributed Brillouin loss system" Optics letters 29 (12) 1342-1344，2004)，這類方法採用保偏光纖、光子晶體光纖、大有效面積光纖等特殊光纖區分溫度應變兩物理量，但由於特殊光纖大都價格昂貴，因此用於長距離應用成本過高。為了從本質上解決溫度與應變交叉敏感問題，國內外提出了聯合其它物理效應法， 如聯合拉曼散射和布裡淵散射的效應。國外論文Proc. SPIE，2004 《Simultaneousdistributed measurements of temperature and strain using spontaneous raman andBrillouin scattering》提出一種拉曼散射與布裡淵散射相結合的方式實現溫度與應變同時測量，但其系統結構中拉曼散射傳感器與布裡淵散射傳感器使用同一個光源，無法同時滿足拉曼傳感器與布裡淵傳感器的要求，測得的數據精度低。2009年5月27日授權公告的CN200710156868. O的中國實用新型專利說明書公開了一種《超遠程分布式光纖拉曼與布裡淵光子傳感器》，提出了將分布式光纖拉曼光子溫度傳感器、分布式光纖布裡淵光子應變傳感器及分布式光纖拉曼光纖放大器融合在一起的方式，實現溫度與應變同時測量，但其布裡淵傳感器的光源與拉曼傳感器的光源採用了共用光纖耦合器的方式，增加了光功率的損耗，且其布裡淵傳感器的光源採用了外腔窄帶脈衝光纖雷射器，脈衝光在相干檢測時存在困難。2009年5月20日授權公告的CN200710175868. 5的中國實用新型專利說明書公開
了一種《光纖分布式溫度和應力傳感裝置》，提出了光纖拉曼散射作為溫度信息、布裡淵散射作為應變信息同時分布式傳感溫度和應變，給出了溫度與應變的標定公式，但其測量光纖為保偏光纖，限制了傳感器的應用範圍。綜上所述，結合拉曼散射與布裡淵散射效應可以有效的解決溫度與應變交叉敏感問題，但現有的結合方式主要是共用光源、採用特殊光纖或者使用光纖耦合器，這樣或者測得的溫度和應變參量精度不夠，或者成本高、應用範圍比較窄，並且現有的結合方法都是針對單端測量的布裡淵光時域反射傳感器(BOTDR)，並不能用於雙端測量方式的布裡淵光時域分析傳感器(BOTDA)中，由於布裡淵光時域反射傳感器(BOTDR)測量的是非常微弱的自發布裡淵散射光，而布裡淵光時域分析傳感器(BOTDA)測量的是較強的受激布裡淵散射光，故BOTDA對溫度和應變的測量精度遠高於B0TDR，且測量範圍更大。
發明內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種適用布裡淵光時域分析傳感器 (BOTDA)的分布式光纖傳感器，利用此傳感器可以解決溫度與應變交叉敏感問題，實現溫度和應變參量同時測量。本實用新型解決上述技術問題所採用的技術方案為一種分布式光纖溫度與應變傳感器，包括布裡淵光時域分析器模塊、探測光纖模塊、拉曼光纖溫度傳感器模塊、第一光開關模塊、第二光開關模塊和第三光開關模塊，所述的第一光開關模塊和所述的第三光開關模塊分別設置有兩個光信號輸入埠和一個光信號輸出埠，所述的第二光開關模塊設置有一個光信號輸入埠和兩個光信號輸出埠，所述的布裡淵光時域分析器模塊設置有兩個輸出埠，所述的布裡淵光時域分析器模塊的一個輸出埠與所述的第一光開關模塊的一個光信號輸入埠連接，所述的布裡淵光時域分析器模塊的另一個輸出埠與所述的第三光開關模塊的一個光信號輸入埠連接，所述的拉曼光纖溫度傳感器模塊與所述的第二光開關模塊的光信號輸入埠連接，所述的第二光開關模塊的兩個光信號輸出埠分別與所述的第一光開關模塊和所述的第三光開關模塊上的空置的光信號輸入埠連接，所述的第一光開關模塊的光信號輸出埠與所述的探測光纖模塊的輸入端連接，所述的第三光開關模塊的光信號輸出埠與所述的探測光纖模塊的輸出端連接。所述的布裡淵光時域分析器模塊為利用受激布裡淵散 射效應而製成的布裡淵光纖傳感器。所述的拉曼光纖溫度傳感器模塊為測量單模光纖的拉曼型光纖測溫傳感器。所述的第一光開關模塊、第二光開關模塊和第三光開關模塊為1X2光開關。所述的探測光纖模塊為單模光纖。所述的探測光纖模塊由多芯光纜和光纖熔接模塊組成。[0017]與現有技術相比，本實用新型優點在於通過三個光開關模塊的切換控制，使設置的拉曼光纖溫度傳感器模塊和布裡淵光時域分析器模塊對溫度與應變的測量保持相對獨立，利用拉曼光纖溫度傳感器模塊的溫度測量結果作為基準，從本質上解決了布裡淵光時域分析模塊溫度與應變交叉敏感問題；另外拉曼光纖溫度傳感器模塊輸出信號通過三個光開關模塊的切換可以分別進入探測光纖的兩端，既可以實現光纖溫度單端測量，也可實現光纖溫度雙端測量。雙端測量方式具有對光纖損耗不敏感的優點，特別是在遠距離光纖測溫時，雙端測量克服了傳統拉曼光纖溫度傳感器單端測量時尾端精度差的弱點，有效的保證了在遠距離光纖探測時溫度精度，增加了光纖測量的長度，拓展了測量範圍；另外由於光開關模塊的應用，減少了拉曼光纖溫度傳感器模塊和布裡淵光時域分析器模塊中雷射器的開關次數，延長了光纖傳感器的使用壽命。

圖1為探測光纖模塊為單模光纖的分布式光纖溫度與應變傳感器；圖2為探測光纖模塊由雙芯光纜和尾端熔接構成的分布式光纖溫度與應變傳感；圖3為光纖溫度雙端測量方式溫度疊加示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖實施例對本實用新型作進一步詳細描述。如圖1和圖2所示，一種分布式光纖溫度與應變傳感器，包括布裡淵光時域分析器模塊1、拉曼光纖溫度傳感器模塊2、第一光開關模塊3、第二光開關模塊4、第三光開關模塊 5和探測光纖模塊6，布裡淵光時域分析器模塊1設置有輸出埠 11和輸出埠 12，第一光開關模塊3設置有光信號輸入埠 31、光信號輸入埠 32和光信號輸出埠 33，第二光開關模塊4設置有光信號輸入埠 41、光信號輸出埠 42和光信號輸出埠 43，第三光開關模塊5設有光信號輸入埠 51、光信號輸入埠 52和光信號輸出埠 53，布裡淵光時域分析器模塊1的一個輸出埠 11與第一光開關模塊3的光信號輸入埠 31連接，布裡淵光時域分析器模塊1的另一個輸出埠 12與第三光開關模塊5的光信號輸入埠 52連接， 拉曼光纖溫度傳感器模塊2與第二光開關模塊4的光信號輸入埠 41連接，第二光開關模塊4的光信號輸出埠 42與第一光開關模塊3上的空置的光信號輸入埠 32連接，第二光開關模塊4的光信號輸出埠 43與第三光開關模塊5上的空置的光信號輸入埠 51連接，第一光開關模塊3的光信號輸出埠 33與探測光纖模塊6的輸入端連接，第三光開關模塊5的光信號輸出埠 53與探測光纖模塊6的輸出端連接。實施例一如圖1所示，布裡淵光時域分析器模塊1為利用受激布裡淵散射效應而製成的布裡淵光纖傳感器，拉曼光纖溫度傳感器模塊2為可以測量單模光纖的拉曼型光纖測溫傳感器，第一光開關模塊3、第二光開關模塊4和第三光開關模塊5為1X2光開關，探測光纖模塊6為單模光纖，單模光纖的兩端直接作為探測光纖模塊的輸入輸出端。首先採用拉曼光纖溫度傳感器測量光纖溫度，此時第一光開關模塊3設置為光信號輸入埠 32到光信號輸出埠 33通路，光信號輸入埠 31到光信號輸出埠 33禁止； 第三光開關模塊5設置為光信號輸入埠 51到光信號輸出埠 53通路，光信號輸入埠 52到光信號輸出埠 53禁止。此時，第一光開關模塊3與第三光開關模塊5將布裡淵光時域分析器模塊1與探測光纖模塊6斷開，而拉曼光纖溫度傳感器模塊2則通過三個光開關模塊與探測光纖模塊6相連。將第二光開關模塊4設置為光信號輸入埠 41到光信號輸出埠 42通路，光信號輸入埠 41到光信號輸出埠 43禁止；此時，拉曼光纖溫度測量傳感器模塊2輸出的探測光信號從第二光開關模塊4輸入，經第一光開關模塊3正向輸入探測光纖模塊6來檢測正向光纖的溫度，此時利用拉曼光纖溫度傳感器2測量所測量光纖正向溫度為Te(L)0在得到光纖溫度檢測結果後，第一光開關模塊3設置為光信號輸入埠 31到光信號輸出埠 33通路，光信號輸入埠 32到光信號輸出埠 33禁止；第三光開關模塊5設置為光信號輸入埠 52到光信號輸出埠 53通路，光信號輸入埠 51到光信號輸出埠 53禁止。此時，第一光開關模塊3與第三光開關模塊5將拉曼光纖溫度傳感器模塊2與探測光纖模塊6斷開，而布裡淵光時域分析器模塊1則通過三個光開關模塊與探測光纖模塊6 相連，系統啟用光纖布裡淵頻移測量功能，光纖的溫度與應變同時影響著布裡淵頻移，布裡淵光時域分析器模塊1測得的探測光纖模塊6各段的頻移量記為Δ vB (L)，通過布裡淵頻移與溫度應變的關係可以得出光纖沿線應變的分布記為ε (L)，如下式(1)公式。
權利要求1.一種分布式光纖溫度與應變傳感器，包括布裡淵光時域分析器模塊和探測光纖模塊，其特徵在於還包括拉曼光纖溫度傳感器模塊、第一光開關模塊、第二光開關模塊和第三光開關模塊，所述的第一光開關模塊和所述的第三光開關模塊分別設置有兩個光信號輸入埠和一個光信號輸出埠，所述的第二光開關模塊設置有一個光信號輸入埠和兩個光信號輸出埠，所述的布裡淵光時域分析器模塊設置有兩個輸出埠，所述的布裡淵光時域分析器模塊的一個輸出埠與所述的第一光開關模塊的一個光信號輸入埠連接，所述的布裡淵光時域分析器模塊的另一個輸出埠與所述的第三光開關模塊的一個光信號輸入埠連接，所述的拉曼光纖溫度傳感器模塊與所述的第二光開關模塊的光信號輸入埠連接，所述的第二光開關模塊的兩個光信號輸出埠分別與所述的第一光開關模塊和所述的第三光開關模塊上的空置的光信號輸入埠連接，所述的第一光開關模塊的光信號輸出埠與所述的探測光纖模塊的輸入端連接，所述的第三光開關模塊的光信號輸出埠與所述的探測光纖模塊的輸出端連接。
2.如權利要求1所述的一種分布式光纖溫度與應變傳感器，其特徵在於所述的布裡淵光時域分析器模塊為利用受激布裡淵散射效應而製成的布裡淵光纖傳感器。
3.如權利要求1所述的一種分布式光纖溫度與應變傳感器，其特徵在於所述的拉曼光纖溫度傳感器模塊為測量單模光纖的拉曼型光纖測溫傳感器。
4.如權利要求1所述的一種分布式光纖溫度與應變傳感器，其特徵在於所述的第一光開關模塊、第二光開關模塊和第三光開關模塊為1X2光開關。
5.如權利要求1所述的一種分布式光纖溫度與應變傳感器，其特徵在於所述的探測光纖模塊為單模光纖。
6.如權利要求1所述的一種分布式光纖溫度與應變傳感器，其特徵在於所述的探測光纖模塊由多芯光纜和光纖熔接模塊組成。
專利摘要本實用新型公開了一種分布式光纖溫度與應變傳感器，包括布裡淵光時域分析器模塊、探測光纖模塊、拉曼光纖溫度傳感器模塊和三個光開關模塊，布裡淵光時域分析器模塊的兩個輸出埠分別與第一和第三光開關模塊的一個光信號輸入埠連接，拉曼光纖溫度傳感器模塊與第二光開關模塊的光信號輸入埠連接，第二光開關模塊的兩個光信號輸出埠分別與第一和第三光開關模塊上的空置的光信號輸入埠連接，第一光開關模塊的光信號輸出埠與探測光纖模塊的輸入端連接，第三光開關模塊的光信號輸出埠與探測光纖模塊的輸出端連接，該傳感器利用了光開關模塊切換，得到光纖全程分布的溫度、應變信息。
文檔編號G01K11/32GK201955173SQ20112008690
公開日2011年8月31日 申請日期2011年3月29日 優先權日2011年3月29日
發明者任尚今, 侯光恩, 劉航傑, 張真毅, 張秀峰, 李林克, 李浩泉 申請人:寧波諾馳光電科技發展有限公司