[發明專利]一種光纖溫度振動傳感器及綜合監控系統和方法

有效

• 申請號: 201310641014.7
• 申請日: 2013-12-04
• 公開（公告）號: CN103616089B
• 公開（公告）日: 2017-10-13
• 發明（設計）人: 李德和;王建強;夏俊玲;史振國
• 申請（專利權）人: 威海北洋電氣集團股份有限公司
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32;G01H9/00
• 代理公司: 威海科星專利事務所37202
• 代理人: 初姣姣

1.一種光纖溫度振動傳感器，設有測溫環路、振動相干環路以及位置判定環路，其特征在于包括脈沖激光器、與脈沖激光器輸出端相連接的2*2光耦合器、與2*2光耦合器的一路輸出端經光纖延遲線相連接的第一傳感光纖、輸入端與2*2光耦合器的第二個輸出端相連接的波分復用器、與波分復用器的COM端相連接的第二傳感光纖、分別與波分復用器的輸出端相連接的依次用于接收第二傳感光纖輸出的背向拉曼反斯托克斯光信號、背向拉曼斯托克斯光信號以及瑞利散射信號的背向反斯托克斯信號光電接收模塊、背向斯托克斯信號光電接收模塊、瑞利散射信號光電接收模塊，與2*2光耦合器的輸出端相連接的用于接收由第一傳感光纖以及第二傳感光纖輸出的兩路背向瑞利散射信號相干后信號的相干光信號光電接收模塊，分別與背向反斯托克斯信號光電接收模塊、背向斯托克斯信號光電接收模塊、瑞利散射信號光電接收模塊以及相干光信號光電接收模塊的輸出端相連接的數據采集單元。

2.根據權利要求1所述的一種光纖溫度振動傳感器，其特征在于所述數據采集單元中設有用于接收背向反斯托克斯信號光電接收模塊、背向斯托克斯信號光電接收模塊、瑞利散射信號光電接收模塊輸出的電信號的背向光接收電路、輸出端分別與脈沖激光器、背向光接收電路、以及間隔采集電路相連接的脈沖觸發電路，輸入端與相干光信號光電接收模塊相連接的間隔采集電路，與背向光接收電路輸出端相連接的累加處理電路，以及分別與累加處理電路、間隔采集電路相連接的上傳電路。

3.根據權利要求1所述的一種光纖溫度振動傳感器，其特征在于脈沖激光器的中心波長為1550nm，脈沖寬度10ns，重復頻率10KHz，峰值功率20W，譜寬0.1nm；2*2光纖耦合器，對應的中心波長為1550nm，分光比為50：50，插入損耗<0.7dB；對應的波分復用器由中心波長1450nm的背向拉曼反斯托克斯散射光寬帶濾波片、中心波長1660nm的背向拉曼斯托克斯散射光寬帶濾波片和Rayleigh散射光濾波片，以及與Rayleigh散射光濾波片相連的1*2耦合器構成；數據采集單元，采樣率分為100MSPS和10KSPS，100MSPS采樣率對應的模擬輸入通道數為3，10KMSPS采樣率對應的模擬輸入通道數為1，ADC精度為12bits。

4.根據權利要求1所述的一種光纖溫度振動傳感器，其特征在于所述數據采集單元在接收背向拉曼斯托克斯光、背向拉曼反斯托克斯光和瑞利散射信號信號接收電路的采樣頻率與脈沖寬度有如下關系：S_sf=100/X，中：S_sf為采樣頻率，單位：MSPS，X為脈沖寬度，單位為ns。

5.根據權利要求1所述的一種光纖溫度振動傳感器，其特征在于所述數據采集單元在接收瑞利相干光信號接收電路的采樣頻率與脈沖寬度有如下關系：S_rf=100/X，其中：S_rf為采樣頻率，單位：KSPS，X為脈沖寬度，單位為ns。

6.根據權利要求1所述的一種光纖溫度振動傳感器，其特征在于脈沖寬度與傳感器重復頻率和測量距離有如下關系：fs=100/X，Ls=100/X，其中：f_s為重復頻率，單位：KHz，L_s為測量距離，單位為Km，X為脈沖寬度，單位為ns。

7.一種光纖溫度振動綜合監控系統，設有工控機以及與工控機相連接的光纖溫度振動傳感器，其特征在于光纖溫度振動傳感器為如權利要求1-6中任意一項所述，數據采集單元經上傳電路將接收到的拉曼散射信號、瑞利信號和瑞利相干信號經USB總線上傳至工控機。

8.一種如權利要求7所述的光纖溫度振動綜合監控系統的使用方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1：數據采集單元向脈沖激光器發送脈沖觸發信號，觸發脈沖激光器輸出脈沖光；

步驟2：脈沖激光器輸出的光信號經2*2耦合器后，50%光經光纖延遲線進入第一傳感光纖，另50%光經波分復用器的com端進入第二傳感光纖；

步驟3：光信號進入傳感光纖后，第二傳感光纖中產生的背向散射拉曼光信號及瑞利散射信號經波分復用器分成斯托克斯光、反斯托克斯光和瑞利散射信號，分別由與波分復用器相連接的相應的光電接收模塊接收，同時第二傳感光纖中的瑞利散射信號信號進入2*2耦合器的一路輸入端，第一傳感光纖中產生的瑞利散射信號經光纖延遲線進入2*2耦合器的另一路輸入端，兩路光纖產生的瑞利散射信號在2*2耦合器發生干涉，產生的相干光信號由與其相連的相干光信號光電接收模塊接收；

步驟4：數據采集單元中的背向光接收電路接收背向散射斯托克斯光、背向散射反斯托克斯光以及瑞利散射信號產生的電信號，并由累加處理電路進行累加處理，光纖中經2*2耦合器輸出的瑞利干涉的輸出電信號由間隔采集電路進行采集，經累加處理電路及間隔采集電路采集的數據由與數據采集單元相連的上傳電路上傳至工控機；

步驟5：工控機接收由數據采集單元上傳的數據后，根據反斯托克斯與斯托克斯電信號強度比與溫度成正比的關系，上位機將傳感光纖上的信號強度計算出光纖所處位置處的溫度信息，根據入侵產生的相位差，通過檢測干涉信號的信號判定是否發生入侵，根據瑞利散射信號對應力敏感的特性，監測光纖應力變化，確定應力位置，輸出入侵地點。