用於檢測全分布式光纖的溫度及振動位置的傳感器的製作方法

2023-10-06 08:29:49 4

本發明涉及傳感器領域，尤其涉及全分布式光纖的傳感器方面，更具體地說，涉及一種用於檢測全分布式光纖的溫度及振動位置的傳感器。

背景技術：

當光在光纖中傳播時，如果外界環境發生變化，光在光纖中的一些參量會因此而改變，比如光速，相位，甚至光的偏振態也會因此而變化。通過測量傳輸光纖中的這些光參量便可以獲得相應的物理量，我們將這種利用光纖來做傳感器的技術，稱之為光纖傳感技術。

全分布式光纖傳感技術，是以光纖作為傳感原件的，光纖本身就是傳遞信息的媒介，而且又同時具有傳感的功能，因此具有傳統電量型傳感器所無法比擬的優勢。光纖的覆蓋面廣，可以用於測量整個傳感光纖覆蓋範圍內的溫度和振動等變化。

傳統的傳感器大多是電量型的，測量範圍小，併網困難，而且點式傳感器在測量大範圍，長距離的時候，需要很高的維護成本。相比之下，光纖傳感器的傳感器是光纖，光纖本身結構穩定、抗電磁幹擾、耐腐蝕、體積小、價格低廉，此外光纖的覆蓋面廣，可以對大範圍，空間分布廣的系統做測量。基於以上優點，全分布式光纖傳感與20世紀70年代末以來，得到了廣泛的發展，出現了基於時域光反射的，瑞利時域光反射(otdr)、拉曼時域光反射(rotdr)、相位敏感時域光反射(φ-otdr)等，目前基於拉曼時域光反射(rotdr)已經十分成熟。其中對于振動的測量也有很多方法，近年將幹涉技術和相位敏感時域光反射技術(φ-otdr)相結合的振動傳感技術是一種研究熱點。

1)光在光纖中傳播會受到外界的因素的影響，此時光的相關物理量會發生變化，利用這一變化可以測出相應的參量。當相干光光源經調製後，射出的脈衝光射入傳感光纖時，如果光纖上有振動產生，那麼傳感光纖上相應位置會發生一些物理變化，如光纖折射率，長度等，利用自幹涉技術，當傳感光纖受到振動的影響時，在幹涉儀輸出的幹涉信號會發生變化，通過相位載波技術可以將其完全解調出來，利用相位敏感時域光反射技術，可以實時定位振動發生的位置。因此自幹涉技術可以對振動進行全分布實時監測。

2)拉曼時域光反射(rotdr)技術是向光纖中注入脈衝光，光在光纖中傳播過程中，產生後向拉曼散射光譜的溫度效應。當入射的光量子與光纖物質分子產生碰撞時，產生彈性碰撞和非彈性碰撞。彈性碰撞時，光量子和物質分子之間沒有能量交換，光量子的頻率不發生任何改變，表現為瑞利散射光保持與入射光相同的波長；在非彈性碰撞時，發生能量交換，光量子可以釋放或吸收聲子，表現為產生一個波長較長的斯託克斯光和一個波長較短的反斯託克斯光。由於反斯託克斯光受溫度影響比較敏感，系統採用以斯託克斯光通道作為參考通道，反斯託克斯光通道作為信號通道，有兩者的比值可以消除光源信號波動、光纖彎曲等非溫度因素，實現對溫度信息的採集。

然而目前的傳感器一般是單獨測量振動位置或者單獨測量溫度，當想要測量者兩個物理量時，採用兩套獨立的系統分別進行測量，如此需要的儀器的成本高昂。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題在於，針對上述的現有基於光纖的傳感器在測量振動位置以及溫度時分別採用兩套獨立的系統分別進行測量造成的成本高昂的技術缺陷，提供了用於檢測全分布式光纖的溫度及振動位置的傳感器。

根據本發明的其中一方面，本發明為解決其技術問題，提供了一種用於檢測全分布式光纖的溫度及振動位置的傳感器，包含：

用於產生連續光的雷射器；

用於產生脈衝的脈衝發生器；

用於利用所述脈衝對所述連續光進行調製，形成脈衝信號的聲光調製器，聲光調製器的輸入端分別連接雷射器以及脈衝發生器的輸出端，其中脈衝信號在一個周期內具有電平大小不一的第一電平脈衝信號及第二電平脈衝信號；

用於允許聲光調製器產生的信號通過而隔離返回至聲光調製器的信號的隔離器，隔離器的輸入端連接聲光調製器的輸出端；

用於對隔離器輸入的信號進行放大的摻餌光纖放大器，摻餌光纖放大器的輸入端連接隔離器的輸出端；

環形器，包括輸入端、第一埠及第二埠，環形器的輸入端連接摻餌光纖放大器的輸出端，第一埠連接拉曼波分復用器的第三埠以輸出摻餌光纖放大器輸入的信號至拉曼波分復用器，並接收拉曼波分復用器發送來的瑞利散射光，第二埠連接瑞利散射光處理單元以將所述瑞利散射光傳送至瑞利散射光處理單元；

拉曼波分復用器，包括所述第三埠、第四埠、第五埠以及第六埠，第四埠用於連接全分布式光纖以輸出環形器輸入的信號至全分布式光纖，並採集全分布式光纖返回的拉曼散射光及所述瑞利散射光，第五埠以及第六埠分別用於提取從所述拉曼散射光中提取出反斯託克斯光以及斯託克斯光；

雪崩二極體，分別連接所述第五埠以及第六埠以反將斯託克斯光以及斯託克斯光轉換為電信號；

用於將所述瑞利散射光轉換為延時光和調製光，將二者進行幹涉，並將幹涉後信號轉換為電信號的瑞利散射光處理單元；

數據採集器，分別連接雪崩二極體的輸出端以及瑞利散射光處理單元的輸出端以分別獲取雪崩二極體的所述電信號和瑞利散射光處理單元的所述電信號並傳輸至中央處理單元，其中，中央處理單元控制數據採集器在第一電平脈衝信號時採集的雪崩二極體的電信號和在第二電平脈衝信號時採集瑞利散射光處理單元的電信號，以進行處理後分別獲取全分布式光纖的溫度及振動位置。

進一步的，在本發明的用於檢測全分布式光纖的溫度及振動位置的傳感器，中央處理單元連接脈衝發生器獲取所述脈衝以同步所述第一電平脈衝信號及第二電平脈衝信號。

進一步的，在本發明的用於檢測全分布式光纖的溫度及振動位置的傳感器，瑞利散射光處理單元包括：

用於將所述瑞利散射光一分為二，形成第一瑞利散射光和第二瑞利散射光的耦合器，耦合器連接所述環形器的第二接口以獲取所述瑞利散射光；

用於產生相位載波信號的相位載波信號調製器；

壓電陶瓷片，連接所述相位載波信號調製器，以利用相位載波信號將所述第二瑞利散射光調製成具有一定頻率的信號；

兩個法拉第反射鏡，分別反射第一瑞利散射光以及調製後的第二瑞利散射光至所述耦合器，以在所述耦合器中發生幹涉；

將幹涉後的信號轉換為電信號的光電檢測器，光電檢測器的輸入連接所述耦合器，光電檢測器的輸入連接所述數據採集器。

進一步的，在本發明的用於檢測全分布式光纖的溫度及振動位置的傳感器，雷射器的工作波長為1550.12nm，線寬為10khz。

進一步的，在本發明的用於檢測全分布式光纖的溫度及振動位置的傳感器，環形器還連接有一用於消除由摻餌光纖放大器帶入環形器中自發輻射噪聲的布拉格光纖光柵。

進一步的，在本發明的用於檢測全分布式光纖的溫度及振動位置的傳感器，布拉格光纖光柵的帶寬為3db，反射率為99％。

進一步的，在本發明的用於檢測全分布式光纖的溫度及振動位置的傳感器，第五埠和第六埠分別為中心波長為1450nm及1663nm的兩個具有一定波長帶寬的濾波埠。

進一步的，在本發明的用於檢測全分布式光纖的溫度及振動位置的傳感器，第一電平脈衝信號的寬度為50ns，脈衝間隔20μs，大小為800mv；所述第二電平脈衝信號的寬度為50ns，脈衝間隔20μs，大小為800mv，大小為420mv。

進一步的，在本發明的用於檢測全分布式光纖的溫度及振動位置的傳感器，中央處理單元為電腦。

本發明的用於檢測全分布式光纖的溫度及振動位置的傳感器，結合了幹涉技術、相位敏感時域光反射和拉曼時域光反射技術，同時利用結合幹涉和φ-otdr技術的振動傳感技術以及rotdr溫度傳感技術，可以在同一根光纖上實現同時對溫度和振動的監測，整體成本比兩個系統的單獨疊加小很多，且測量精度高，測量方便快捷。

附圖說明

下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：

圖1是本發明的用於檢測全分布式光纖的溫度及振動位置的傳感器在使用時的原理圖。

具體實施方式

為了對本發明的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明本發明的具體實施方式。

如圖1所示，其為本發明的用於檢測全分布式光纖的溫度及振動位置的傳感器在使用時的原理圖。在本實施例的所述的傳感器包括：雷射器1、聲光調製器2、隔離器3、摻餌光纖放大器4、布拉格光纖光柵5、環形器6、拉曼波分復用器7、雪崩二極體8、數據採集器10、脈衝發生器17以及瑞利散射光處理單元19，瑞利散射光處理單元19包括：相位載波信號調製器11、光電探測器12、壓電陶瓷片13、耦合器14、法拉第反射鏡15、法拉第反射鏡16。

聲光調製器2的輸入端分別連接雷射器1的輸出端以及脈衝發生器2的輸出端，隔離器3的輸入端連接聲光調製器2的輸出端，摻餌光纖放大器4的輸入端連接隔離器3的輸出端，環形器6包括輸入端(圖中環形器6的左邊連線處)、第一埠(圖中環形器6的右邊連線處)及第二埠(圖中環形器6的下方連線處)，環形器6的輸入端連接摻餌光纖放大器4的輸出端，第一埠連接拉曼波分復用器7的第三埠，第二埠連接瑞利散射光處理單元19連接耦合器14的輸入端，拉曼波分復用器7包括上述的第三埠(圖中拉曼波分復用器7的左邊連線處)、第四埠(圖中拉曼波分復用器7的右邊連線處)、第五埠以及第六埠(圖中拉曼波分復用器7的下邊的左、右兩條連線處)，第四埠連接全分布式光纖18，第五埠以及第六埠分別連接至雪崩二極體8的輸入端，雪崩二極體8的輸出端連接至數據採集器10，耦合器14的兩個輸出端分別連接至法拉第反射鏡15及法拉第反射鏡16，其中耦合器14的其中一個輸出端與法拉第反射鏡16連接的裝置上設置有壓電陶瓷片13，耦合器14還連接光電探測器12，壓電陶瓷片13連接相位載波信號調製器11，光電探測器12以及相位載波信號調製器11均與數據採集器10連接，電腦19分別連接數據採集器以及脈衝發生器17。

工作時，雷射器1產生連續光，脈衝發生器17產生脈衝，脈衝在一個周期內具有電平大小不一的第一電平脈衝及第二電平脈衝，雷射器1產生的連續光以及脈衝發生器17產生的脈衝輸入至聲光調製器2，聲光調製器2利用上述脈衝對上述連續光進行調製，形成脈衝信號。脈衝信號在一個周期內具有電平大小不一的第一電平脈衝信號及第二電平脈衝信號。雷射器的工作波長λ為1550.12nm，線寬為10khz。發出的雷射通過聲光調製器2調製成高低脈衝雷射，高、低電平脈衝信號寬度為50ns，脈衝間隔20μs，高電平為800mv，低電平為420mv。調製成的脈衝信號傳送至隔離器3的輸入端，並經過隔離器3的輸出端到達摻餌光纖放大器4，其中隔離器3允許聲光調製器2產生的脈衝信號到達摻餌光纖放大器4，而隔離摻餌光纖放大器4返回至聲光調製器2的信號。摻餌光纖放大器4將脈衝信號放大後，傳輸至環形器6的輸入端。

環形器6將放大後的脈衝信號傳輸至拉曼波分復用器7的第三埠，拉曼波分復用器7的第四埠將放大後的脈衝信號發送至全分布式光纖18，全分布式光纖18散射回來的拉曼散射信號，由拉曼波分復用器7的第五埠以及第六埠分別分離出反斯託克斯光和斯託克斯光後，通過雪崩二極體8將反斯託克斯光和斯託克斯光後的模擬信號分別轉換為電信號，然後傳入數據採集器10採集，再經過計算機9處理可獲得相應的溫度信息；全分布式光纖18散射回來的瑞利散射光，經環形器6傳入耦合器14的輸入端，然後耦合器14將其一分為二，由法拉第反射鏡15、法拉第反射鏡1516反射回來，並在耦合器14中發生幹涉，最後由耦合器14傳入光電探測器12，光電探測器12將其轉換為電信號，由數據採集器10採集數據，交由計算機處理，獲得相應的振動位置。其中，光由耦合器14→法拉第反射鏡15→耦合器14與光由耦合器14→法拉第反射鏡16→耦合器14存在一定的長度差，這個差值的大小取決於，w*c/(2*n)，其中w為兩個低脈衝信號的時間間隔，c為真空中的光速，n為光纖折射，由於長度差的存在導致二者的傳輸時間不一致，故耦合器14最終接收到的一個反射光為延時光；光由耦合器14→法拉第反射鏡16的裝置上設置有壓電陶瓷片13，相位載波信號調製器11產生具有一定頻率的相位載波信號，通過壓電陶瓷片13來調製由耦合器14→法拉第反射鏡16的光，故耦合器14最終接收到的法拉第反射鏡16反射的光為調製光。耦合器14與連接的法拉第反射鏡15和法拉第反射鏡16是存在一長度差，這個差值的大小取決於，w*c/(2*n)，其中w為兩個低脈衝信號的時間間隔，c為真空中的光速，n為光纖折射。

相位載波信號調製器11的相位載波信號接受電腦9的控制，控制指令經過數據採集器10轉發至相位載波信號調製器11。在本實施例中，拉曼波分復用器7的第五埠以及第六埠分別為中心波長為1450nm及1663nm的兩個具有一定波長帶寬的濾波埠，以分別提取出反斯託克斯光和斯託克斯光。

在本實施例中，電腦9在高電平脈衝時間段內只採集和處理雪崩二極體8轉換而來的電信號，在低電平脈衝時間段內只採集和處理光電探測器12轉換而來的電信號。電腦9連接脈衝發生器17獲取脈衝，通過上述的脈衝，電腦9可以得知本傳感器是在高電平脈衝時間段內還是在低電平脈衝時間段內。由於在高電平脈衝信號時，高電平可以獲得高信噪比的自發拉曼散射信號，但同時會產生非線性效應導致振動位置測量難以實現，因此在不同的電平脈衝信號時間段內處理不同的信號，避免相互幹擾。

上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬於本發明的保護之內。