[實用新型]一種全分布式光纖溫度或應變的傳感器

有效

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• 申請日: 2017-05-17
• 公開（公告）號: CN207007371U
• 公開（公告）日: 2018-02-13
• 發(fā)明（設計）人: 余志華;張明宇;戴昊龍;張齊
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32;G01B11/16
• 代理公司: 武漢知產(chǎn)時代知識產(chǎn)權代理有限公司42238
• 代理人: 曹雄

技術領域

本實用新型涉及光纖傳感領域，尤其涉及一種全分布式光纖溫度或應變的傳感器。

背景技術

在受到應力、溫度、電場、磁場等外界環(huán)境因素的影響時，光纖中傳輸?shù)墓獠ㄈ菀资艿竭@些外場或量的調制，因而光波的表征參量如強度、相位、頻率、偏振態(tài)等會發(fā)生相應變化，通過檢測這些參量的變化，就可以獲得外界被測參量的信息，實現(xiàn)對外界被測參量的傳感功能，這種技術被稱為光纖傳感技術。

有些被測對象往往不是一個點或者幾個點，二是呈一定空間分布的場，如溫度場、應力等，這一類被測對象不僅涉及距離長、范圍廣，而且呈現(xiàn)三維空間連續(xù)性分布，此時單點甚至多點準分布式傳感已經(jīng)難以勝任多參量檢測，全分布式光纖傳感系統(tǒng)應運而生。在分布式光纖傳感系統(tǒng)中光纖既作為信號傳輸介質，又是傳感單元；即它將整根光纖作為傳感單元，因而可以測量光纖沿線任意位置的應力或溫度變化，進行全分布式測量。

與傳統(tǒng)的電類或者機械類傳感器相比，光纖傳感器具有靈敏度高，抗電磁干擾，體積小，損耗低以及可進行遠距離分布式測量的優(yōu)點。當光纖受到溫度或者應變影響時，光波在其中產(chǎn)生的布里淵散射光的頻率會發(fā)生偏移，被稱為布里淵頻移；同時布里淵散射光的功率會發(fā)生變化。頻移和功率變化的大小與光纖所示溫度變化、應變的大小成正比。布里淵光時域反射(BOTDR)技術通過向光纖中注入脈沖光，并測量脈沖光在光纖中傳播過程中連續(xù)產(chǎn)生的布里淵散射光的頻移和功率變化，然后通過自發(fā)布里淵散射光功率或者頻移的變化量與溫度和應變變化的線性關系來進行全分布式傳感。

傳統(tǒng)的基于布里淵光時域反射(BOTDR)系統(tǒng)的空間分辨率受限于探測脈沖線寬，等于探測脈沖線寬的一半；當脈沖線寬比聲子壽命(10ns)還短時，布里淵增益的減少會使布里淵頻移測量的準確性降低，進而影響傳感精度，這使得空間分辨率限制在1m以內。

發(fā)明內容

有鑒于此，本實用新型的實施例提供了一種擁有高分辨率和傳感速度的可以測量溫度或應變全分布式光纖溫度或應變的傳感器。

本實用新型的實施例提供一種全分布式光纖溫度或應變的傳感器，包括激光器、第一耦合器、電光調制器、摻鉺放大器、聲光調制器、帶通濾波器、環(huán)形器、傳感光纖、移頻模塊、第二耦合器、平衡探測器、數(shù)據(jù)采集模塊和信號處理模塊，所述激光器連接第一耦合器，所述第一耦合器連接電光調制器和移頻模塊，所述電光調制器連接摻鉺放大器，所述摻鉺放大器連接聲光調制器，所述聲光調制器連接帶通濾波器，所述帶通濾波器連接環(huán)形器，所述環(huán)形器連接傳感光纖和第二耦合器，所述第二耦合器連接移頻模塊和平衡探測器，所述平衡探測器連接數(shù)據(jù)采集模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊連接信號處理模塊，所述激光器輸出脈沖光，所述脈沖光經(jīng)第一耦合器分成兩路，一路為探測脈沖光和一路為參考脈沖光，所述探測脈沖光依次經(jīng)電光調制器、摻鉺放大器、聲光調制器、帶通濾波器和環(huán)形器處理后輸入傳感光纖，所述探測脈沖光在傳感光纖中產(chǎn)生自發(fā)布里淵散射光，所述布里淵散射光返回環(huán)形器，并輸入第二耦合器的一端，所述參考脈沖光經(jīng)移頻模塊輸入第二耦合器的另一端，所述第二耦合器將兩路光信號輸入平衡探測器，兩路光信號在所述平衡探測器中進行相干探測后被轉化為電信號，所述數(shù)據(jù)采集模塊收集所述電信號，并傳輸給信號處理模塊，所述信號處理模塊進行處理，得到布里淵散射光的頻移大小，進而得到光纖溫度或應變。

進一步，所述電光調制器受波形發(fā)生器的控制。

進一步，所述激光器的工作波段為1330nm或者1550nm。

進一步，三束脈沖光被調制成相互之間有線寬差的探測脈沖光。

進一步，所述三束脈沖光相互之間的線寬差為0-10ns。

進一步，傳感光纖的折射率為n＝1.46，傳感光纖中的聲速為V_a＝5945m/s。

進一步，參考脈沖光經(jīng)頻移模塊處理后頻率下移11.2GHz。

進一步，所述信號處理模塊對三束脈沖光所對應的布里淵散射光信號在時域直接相互相減兩次得到差分信號，所述差分信號經(jīng)快速傅里葉算法處理提取得到布里淵散射光頻譜，利用布里淵光時域反射方法對溫度或應變進行全分布式的檢測，根據(jù)布里淵散射光頻譜的頻譜中心頻率得到布里淵散射光的頻移變化量，進而解調得出光纖溫度或應變。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有以下有益效果：利用布里淵光時域反射(BOTDR)技術，在單根光纖上實現(xiàn)了溫度或應變的全分布式測量，利用三束脈沖差分和快速傅里葉算法(FFT)處理克服了傳統(tǒng)BOTDR系統(tǒng)低空間分辨率、信噪比和低效傳感速度的缺點。

附圖說明