CN102221421A - 一种分布式光纤温度与应变测量传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光纤温度与应变传感器，包括布里渊光时域分析器模块、探测光纤模块、拉曼光纤温度传感器模块和三个光开关模块，布里渊光时域分析器模块的两个输出端口分别与第一和第三光开关模块的一个光信号输入端口连接，拉曼光纤温度传感器模块与第二光开关模块的光信号输入端口连接，第二光开关模块的两个光信号输出端口分别与第一和第三光开关模块上的空置的光信号输入端口连接，第一光开关模块的光信号输出端口与探测光纤模块的输入端连接，第三光开关模块的光信号输出端口与探测光纤模块的输出端连接，该传感器利用了光开关模块切换，得到光纤全程分布的温度、应变信息。

Description

一种分布式光纤温度与应变测量传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器技术，尤其是涉及一种分布式光纤温度与应变传感器及其测量方法。

背景技术

目前的分布式光纤传感器主要有两类：一类是拉曼光纤传感器，另一类是布里渊光纤传感器。拉曼光纤传感器由于只具备温度测量功能，应用受到一定的限制；而布里渊光纤传感器因为能够对温度和应变参量进行同时测量而得到广泛的研究，取得了快速的发展。布里渊光纤传感器通过检测光纤各位置背向自发或受激布里渊散射光相对入射光的频移量来实现分布式传感器对温度和应变的测量，其优点是传感距离长，空间分辨率高。但是由于布里渊频移量对温度和应变两物理量同时敏感，且与二者线性相关，因此在实际应用中存在温度应变交叉敏感问题，即很难从最终得到的布里渊频移量中分离出温度和应变各自引起的变化量，严重阻碍了此类传感器的工程推广。目前解决温度应变交叉敏感问题通常采用的技术有以下几种：

1、散射光强度和频移的双参量法(J.Smith et al.，“Simultaneous distributed strain andtemperature measurement，”Appl.Opt，38：5372-5377，1999)，这类方法通过同时测量背向散射光强度和频移量，联立方程解出温度和应变变化量，但是布里渊光强度的测量限制了传感器的探测距离，而且光强度易受到外界扰动，光源输出功率抖动以及偏振态漂移等问题的影响。

2、Landau-Placzek比率法(P.C.Wait and T.P.Newson，“Landau-Placzek ratioapplied todistributed fibre sensing，”Optics Communications，122(4-6)：141-146，1996)，这类方法同时测量布里渊散射光强度和对应变不敏感的瑞利散射光强度，通过计算二者比值(Landau-Placzek比率)提取温度变化量，但瑞利散射光的测量限制了传感器的探测长度以及空间分辨率，同时***复杂度显著提高。

3、特殊光纤法(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)，这类方法采用保偏光纤、光子晶体光纤、大有效面积光纤等特殊光纤区分温度应变两物理量，但由于特殊光纤大都价格昂贵，因此用于长距离应用成本过高。

为了从本质上解决温度与应变交叉敏感问题，国内外提出了联合其它物理效应法，如联合拉曼散射和布里渊散射的效应。国外论文Proc.SPIE，2004《 Simultaneousdistributed measurements of temperature and strain using spontaneous raman andBrillouin

2009年5月27日授权公告的CN200710156868.0的中国发明专利说明书公开了一种《超远程分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器》，提出了将分布式光纤拉曼光子温度传感器、分布式光纤布里渊光子应变传感器及分布式光纤拉曼光纤放大器融合在一起的方式，实现温度与应变同时测量，但其布里渊传感器的光源与拉曼传感器的光源采用了共用光纤耦合器的方式，增加了光功率的损耗，且其布里渊传感器的光源采用了外腔窄带脉冲光纤激光器，脉冲光在相干检测时存在困难。

2009年5月20日授权公告的CN200710175868.5的中国发明专利说明书公开了一种《光纤分布式温度和应力传感装置》，提出了光纤拉曼散射作为温度信息、布里渊散射作为应变信息同时分布式传感温度和应变，给出了温度与应变的标定公式，但其测量光纤为保偏光纤，限制了传感器的应用范围。

综上所述，结合拉曼散射与布里渊散射效应可以有效的解决温度与应变交叉敏感问题，但现有的结合方式主要是共用光源、采用特殊光纤或者使用光纤耦合器，这样或者测得的温度和应变参量精度不够，或者成本高、应用范围比较窄，并且现有的结合方法都是针对单端测量的布里渊光时域反射传感器(BOTDR)，并不能用于双端测量方式的布里渊光时域分析传感器(BOTDA)中，由于布里渊光时域反射传感器(BOTDR)测量的是非常微弱的自发布里渊散射光，而布里渊光时域分析传感器(BOTDA)测量的是较强的受激布里渊散射光，故BOTDA对温度和应变的测量精度远高于BOTDR，且测量范围更大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适用布里渊光时域分析传感器(BOTDA)的分布式光纤传感器，利用此传感器可以解决温度与应变交叉敏感问题，实现温度和应变参量同时测量。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种分布式光纤温度与应变传感器，包括布里渊光时域分析器模块、探测光纤模块、拉曼光纤温度传感器模块、第一光开关模块、第二光开关模块和第三光开关模块，所述的第一光开关模块和所述的第三光开关模块分别设置有两个光信号输入端口和一个光信号输出端口，所述的第二光开关模块设置有一个光信号输入端口和两个光信号输出端口，所述的布里渊光时域分析器模块设置有两个输出端口，所述的布里渊光时域分析器模块的一个输出端口与所述的第一光开关模块的一个光信号输入端口连接，所述的布里渊光时域分析器模块的另一个输出端口与所述的第三光开关模块的一个光信号输入端口连接，所述的拉曼光纤温度传感器模块与所述的第二光开关模块的光信号输入端口连接，所述的第二光开关模块的两个光信号输出端口分别与所述的第一光开关模块和所述的第三光开关模块上的空置的光信号输入端口连接，所述的第一光开关模块的光信号输出端口与所述的探测光纤模块的输入端连接，所述的第三光开关模块的光信号输出端口与所述的探测光纤模块的输出端连接。

所述的布里渊光时域分析器模块为利用受激布里渊散射效应而制成的布里渊光纤传感器。

所述的拉曼光纤温度传感器模块为测量单模光纤的拉曼型光纤测温传感器。

所述的第一光开关模块、第二光开关模块和第三光开关模块为1×2光开关。

所述的探测光纤模块为单模光纤。

所述的探测光纤模块由多芯光缆和光纤熔接模块组成。

一种分布式光纤温度与应变传感器测量温度和应变的方法，其特征在于它包括以下步骤：

a、测量温度的步骤：

a-1、控制第一光开关模块和第三光开关模块，使布里渊光时域分析器模块的两个输出端和探测光纤模块断开，第二光开关模块的两个输出端与探测光纤模块连通；

a-2、控制第二光开关模块，使拉曼光纤温度测量信号经第一光开关模块正向输入到探测光纤模块中，得到沿探测光纤正向分布的温度信息；

a-3、控制第二光开关模块，使拉曼光纤温度测量信号经第三光开关模块反向输入到探测光纤模块中，得到沿探测光纤反向分布的温度信息；

a-4将步骤a-2中得到的温度、或将步骤a-3中得到的温度随距离反向、或将步骤a-2的温度与步骤a-3随距离反向后的温度取平均作为在沿探测光纤正向分布的温度测量结果T_R(L)，L为探测光纤模块的光纤探测距离；

b、测量应变的步骤：

b-1、控制第一光开关模块和第三光开关模块，使拉曼光纤温度传感器模块与探测光纤模块断开，布里渊光时域分析器模块的两端和探测光纤模块两端连通，检测得到沿探测光纤正向分布的频移量Δv_B(L)，L为探测光纤模块的光纤探测距离；

b-2、根据步骤a中利用拉曼光纤温度传感器得到的温度测量结果T_R(L)以及步骤(1)中得到的频移量Δv_B(L)，计算得到沿探测光纤正向分布的应变结果ε(L)：

$\mathrm{\ϵ}\left(L\right)=\frac{{\mathrm{\Δv}}_B\left(L\right)-C_T{T}_R\left(L\right)}{C_{\mathrm{\ϵ}}}$

式中C_T、C_ε分别是布里渊频移的温度和应变系数。

与现有技术相比，本发明优点在于通过三个光开关模块的切换控制，使设置的拉曼光纤温度传感器模块和布里渊光时域分析器模块对温度与应变的测量保持相对独立，利用拉曼光纤温度传感器模块的温度测量结果作为基准，从本质上解决了布里渊光时域分析模块温度与应变交叉敏感问题；另外拉曼光纤温度传感器模块输出信号通过三个光开关模块的切换可以分别进入探测光纤的两端，既可以实现光纤温度单端测量，也可实现光纤温度双端测量。双端测量方式具有对光纤损耗不敏感的优点，特别是在远距离光纤测温时，双端测量克服了传统拉曼光纤温度传感器单端测量时尾端精度差的弱点，有效的保证了在远距离光纤探测时温度精度，增加了光纤测量的长度，拓展了测量范围；另外由于光开关模块的应用，减少了拉曼光纤温度传感器模块和布里渊光时域分析器模块中激光器的开关次数，延长了光纤传感器的使用寿命。

附图说明

图1为探测光纤模块为单模光纤的分布式光纤温度与应变传感器；

图2为探测光纤模块由双芯光缆和尾端熔接构成的分布式光纤温度与应变传感；

图3为光纤温度双端测量方式温度叠加示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种分布式光纤温度与应变传感器，包括布里渊光时域分析器模块1、拉曼光纤温度传感器模块2、第一光开关模块3、第二光开关模块4、第三光开关模块5和探测光纤模块6，布里渊光时域分析器模块1设置有输出端口11和输出端口12，第一光开关模块3设置有光信号输入端口31、光信号输入端口32和光信号输出端口33，第二光开关模块4设置有光信号输入端口41、光信号输出端口42和光信号输出端口43，第三光开关模块5设有光信号输入端口51、光信号输入端口52和光信号输出端口53，布里渊光时域分析器模块1的一个输出端口11与第一光开关模块3的光信号输入端口31连接，布里渊光时域分析器模块1的另一个输出端口12与第三光开关模块5的光信号输入端口52连接，拉曼光纤温度传感器模块2与第二光开关模块4的光信号输入端口41连接，第二光开关模块4的光信号输出端口42与第一光开关模块3上的空置的光信号输入端口32连接，第二光开关模块4的光信号输出端口43与第三光开关模块5上的空置的光信号输入端口51连接，第一光开关模块3的光信号输出端口33与探测光纤模块6的输入端连接，第三光开关模块5的光信号输出端口53与探测光纤模块6的输出端连接。

实施例一：如图1所示，布里渊光时域分析器模块1为利用受激布里渊散射效应而制成的布里渊光纤传感器，拉曼光纤温度传感器模块2为可以测量单模光纤的拉曼型光纤测温传感器，第一光开关模块3、第二光开关模块4和第三光开关模块5为1×2光开关，探测光纤模块6为单模光纤，单模光纤的两端直接作为探测光纤模块的输入输出端。

首先采用拉曼光纤温度传感器测量光纤温度，此时第一光开关模块3设置为光信号输入端口32到光信号输出端口33通路，光信号输入端口31到光信号输出端口33禁止；第三光开关模块5设置为光信号输入端口51到光信号输出端口53通路，光信号输入端口52到光信号输出端口53禁止。此时，第一光开关模块3与第三光开关模块5将布里渊光时域分析器模块1与探测光纤模块6断开，而拉曼光纤温度传感器模块2则通过三个光开关模块与探测光纤模块6相连。将第二光开关模块4设置为光信号输入端口41到光信号输出端口42通路，光信号输入端口41到光信号输出端口43禁止；此时，拉曼光纤温度测量传感器模块2输出的探测光信号从第二光开关模块4输入，经第一光开关模块3正向输入探测光纤模块6来检测正向光纤的温度，此时利用拉曼光纤温度传感器2测量所测量光纤正向温度为T_R(L)。

在得到光纤温度检测结果后，第一光开关模块3设置为光信号输入端口31到光信号输出端口33通路，光信号输入端口32到光信号输出端口33禁止；第三光开关模块5设置为光信号输入端口52到光信号输出端口53通路，光信号输入端口51到光信号输出端口53禁止。此时，第一光开关模块3与第三光开关模块5将拉曼光纤温度传感器模块2与探测光纤模块6断开，而布里渊光时域分析器模块1则通过三个光开关模块与探测光纤模块6相连，***启用光纤布里渊频移测量功能，光纤的温度与应变同时影响着布里渊频移，布里渊光时域分析器模块1测得的探测光纤模块6各段的频移量记为Δv_B(L)，通过布里渊频移与温度应变的关系可以得出光纤沿线应变的分布记为ε(L)，如下式(1)公式。

$\mathrm{\ϵ}\left(L\right)=\frac{{\mathrm{\Δv}}_B\left(L\right)-C_T{T}_R\left(L\right)}{C_{\mathrm{\ϵ}}}---\left(1\right)$

式中，C_T、C_ε分别是布里渊频移的温度、应变系数，对于普通的单模光纤，温度系数C_T取1.07MHz/℃，应变系数C_ε取0.05MHz/με。

综上所述，结合从拉曼光纤传感器模块2中得到的光纤正向温度T_R(L)与布里渊光时域分析器模块1中得到的布里渊频移Δv_B(L)即可得出光纤全程的应变信息，实现温度与应变同时测量。

实施例二：如图2所示，布里渊光时域分析器模块1为利用受激布里渊散射效应而制成的布里渊光纤传感器，拉曼光纤温度传感器模块2为可以测量单模光纤的拉曼型光纤测温传感器，第一光开关模块3、第二光开关模块4和第三光开关模块5为1×2光开关；探测光纤模块6由光纤熔接模块7和双芯光缆8组成，其中双芯光缆8包括两根单模光纤，两根单模光纤的其中一端通过光纤熔接模块7连接在一起，两根单模光纤的另一端61和62作为探测光纤模块6的两个输入端。

首先采用拉曼光纤温度传感器测量光纤温度，此时第一光开关模块3设置为光信号输入端口32到光信号输出端口33通路，光信号输入端口31到光信号输出端口33禁止；第三光开关模块5设置为光信号输入端口51到光信号输出端口53通路，光信号输入端口52到光信号输出端口53禁止。此时，第一光开关模块3与第三光开关模块5将布里渊光时域分析器模块1与探测光纤模块6断开，而拉曼光纤温度传感器模块2则通过三个光开关模块与探测光纤模块6相连。将第二光开关模块4设置为光信号输入端口41到光信号输出端口42通路，光信号输入端口41到光信号输出端口43禁止；此时，拉曼光纤温度测量传感器模块2输出的探测光信号从第二光开关模块4输入，经第一光开关模块3输入探测光纤模块6来检测探测光纤的温度，此时利用拉曼光纤温度传感器2所测量光纤正向温度为T_R(L)。

在得到光纤温度检测结果后，第一光开关模块3设置为光信号输入端口31到光信号输出端口33通路，光信号输入端口32到光信号输出端口33禁止；第三光开关模块5设置为光信号输入端口52到光信号输出端口53通路，光信号输入端口51到光信号输出端口53禁止。此时，第一光开关模块3与第三光开关模块5将拉曼光纤温度传感器模块2与探测光纤模块6断开，而布里渊光时域分析器模块1则通过三个光开关模块与探测光纤模块6相连，***启用光纤布里渊频移测量功能，光纤的温度与应变同时影响着布里渊频移，布里渊光时域分析器模块1测得的探测光纤模块6各段的频移量记为Δv_B(L)，通过布里渊频移与温度应变的关系可以得出光纤沿线应变的分布记为ε(L)，如下式(1)公式。

$\mathrm{\ϵ}\left(L\right)=\frac{{\mathrm{\Δv}}_B\left(L\right)-C_T{T}_R\left(L\right)}{C_{\mathrm{\ϵ}}}---\left(1\right)$

式中，C_T、C_ε分别是布里渊频移的温度、应变系数，对于普通的单模光纤，温度系数C_T取1.07MHz/℃，应变系数C_ε取0.05MHz/με。

综上所述，结合从拉曼光纤传感器模块2中得到的光纤正向温度T_R(L)与布里渊光时域分析器模块1中得到的布里渊频移Δv_B(L)即可得出光纤全程的应变信息，实现温度与应变的测量。

实施例三：本实施例结构同实施例二，与实施例二不同的是，本实施在拉曼光纤测温中采用了双端测量方式、双端测量方式温度叠加示意图如图(3)所示。

首先采用拉曼光纤温度传感器测量光纤温度，此时第一光开关模块3设置为光信号输入端口32到光信号输出端口33通路，光信号输入端口31到光信号输出端口33禁止；第三光开关模块5设置为光信号输入端口51到光信号输出端口53通路，光信号输入端口52到光信号输出端口53禁止。此时，第一光开关模块3与第三光开关模块5将布里渊光时域分析器模块1与探测光纤模块6断开，而拉曼光纤温度传感器模块2则通过三个光开关模块与探测光纤模块6相连，通过第二光开关模块4的切换可分别将拉曼光纤温度测量信号从探测光纤模块6的输入端61和输入端62输入。将第二光开关模块4设置为光信号输入端口41到光信号输出端口42通路，光信号输入端口41到光信号输出端口43禁止；此时，拉曼光纤温度测量传感器模块2输出的探测光信号从第二光开关模块4输入，经第一光开关模块3输入探测光纤模块6来检测探测光纤正向温度，此时测量光纤温度记为T₁(L₁)。将第二光开关模块4设置为光信号输入端口41到光信号输出端口43通路，光信号输入端口41到光信号输出端口42禁止；此时，拉曼光纤温度测量传感器模块2输出的探测光信号从第二光开关模块4输入，经第三光开关模块5输入探测光纤模块6来检测探测光纤反向温度，此时测量光纤温度记为T₂(L₂)。此时光纤距离L2为光纤距离第二光开关模块处的距离，而L1为光纤距离第一光开关模块处的距离，因此，两光纤位置关系为L1＝L-L2，其中L为光纤长度，将正向测量温度T₁(L₁)与反向测量温度T₂(L₂)距离取反后的取平均即为在整条探测光纤模块6的温度检测结果，此时利用拉曼光纤温度传感器2双端测量方式所测光纤距离为L处的温度变化记为

如图(3)所示，在单端测量时，在测量端温度噪声小、尾端温度噪声较大，采用双端测量后，测量端与尾端噪声均较小，整条光纤上的温度均匀。

在得到光纤温度检测结果后，第一光开关模块3设置为光信号输入端口31到光信号输出端口33通路，光信号输入端口32到光信号输出端口33禁止；第三光开关模块5设置为光信号输入端口52到光信号输出端口53通路，光信号输入端口51到光信号输出端口53禁止。此时，第一光开关模块3与第三光开关模块5将拉曼光纤温度传感器模块2与探测光纤模块6断开，而布里渊光时域分析器模块1则通过三个光开关模块与探测光纤模块6相连，***启用光纤布里渊频移测量功能，光纤的温度与应变同时影响着布里渊频移，布里渊光时域分析器模块1测得的探测光纤模块6各段的频移量记为Δv_B(L)，通过布里渊频移与温度应变的关系可以得出光纤沿线应变的分布记为ε(L)，如下式(1)公式。

$\mathrm{\ϵ}\left(L\right)=\frac{{\mathrm{\Δv}}_B\left(L\right)-C_T{T}_R\left(L\right)}{C_{\mathrm{\ϵ}}}---\left(1\right)$

式中，C_T、C_ε分别是布里渊频移的温度、应变系数，对于普通的单模光纤，温度系数C_T取1.07MHz/℃，应变系数C_ε取0.05MHz/με。

综上所述，结合从拉曼光纤传感器模块2中双端测量得到的光纤温度T_R(L)与布里渊光时域分析器模块1中得到的布里渊频移Δv_B(L)即可得出光纤全程的应变信息，实现温度与应变的测量。

Claims (7)

1.一种分布式光纤温度与应变传感器，包括布里渊光时域分析器模块和探测光纤模块，其特征在于还包括拉曼光纤温度传感器模块、第一光开关模块、第二光开关模块和第三光开关模块，所述的第一光开关模块和所述的第三光开关模块分别设置有两个光信号输入端口和一个光信号输出端口，所述的第二光开关模块设置有一个光信号输入端口和两个光信号输出端口，所述的布里渊光时域分析器模块设置有两个输出端口，所述的布里渊光时域分析器模块的一个输出端口与所述的第一光开关模块的一个光信号输入端口连接，所述的布里渊光时域分析器模块的另一个输出端口与所述的第三光开关模块的一个光信号输入端口连接，所述的拉曼光纤温度传感器模块与所述的第二光开关模块的光信号输入端口连接，所述的第二光开关模块的两个光信号输出端口分别与所述的第一光开关模块和所述的第三光开关模块上的空置的光信号输入端口连接，所述的第一光开关模块的光信号输出端口与所述的探测光纤模块的输入端连接，所述的第三光开关模块的光信号输出端口与所述的探测光纤模块的输出端连接。

2.如权利要求1所述的一种分布式光纤温度与应变传感器，其特征在于所述的布里渊光时域分析器模块为利用受激布里渊散射效应而制成的布里渊光纤传感器。

3.如权利要求1所述的一种分布式光纤温度与应变传感器，其特征在于所述的拉曼光纤温度传感器模块为测量单模光纤的拉曼型光纤测温传感器。

4.如权利要求1所述的一种分布式光纤温度与应变传感器，其特征在于所述的第一光开关模块、第二光开关模块和第三光开关模块为1×2光开关。

5.如权利要求1所述的一种分布式光纤温度与应变传感器，其特征在于所述的探测光纤模块为单模光纤。

6.如权利要求1所述的一种分布式光纤温度与应变传感器，其特征在于所述的探测光纤模块由多芯光缆和光纤熔接模块组成。

7.一种使用权利要求1所述的分布式光纤温度与应变传感器测量温度和应变的方法，其特征在于它包括以下步骤：

a、测量温度的步骤：

a-1、控制第一光开关模块和第三光开关模块，使布里渊光时域分析器模块的两个输出端和探测光纤模块断开，第二光开关模块的两个输出端与探测光纤模块连通；

a-2、控制第二光开关模块，使拉曼光纤温度测量信号经第一光开关模块正向输入到探测光纤模块中，得到沿探测光纤正向分布的温度信息；

a-3、控制第二光开关模块，使拉曼光纤温度测量信号经第三光开关模块反向输入到探测光纤模块中，得到沿探测光纤反向分布的温度信息；

a-4将步骤a-2中得到的温度、或将步骤a-3中得到的温度随距离反向、或将步骤a-2的温度与步骤a-3随距离反向后的温度取平均作为在沿探测光纤正向分布的温度测量结果T_R(L)，L为探测光纤模块的光纤探测距离；

b、测量应变的步骤：

b-1、控制第一光开关模块和第三光开关模块，使拉曼光纤温度传感器模块与探测光纤模块断开，布里渊光时域分析器模块的两端和探测光纤模块两端连通，检测得到沿探测光纤正向分布的频移量Δv_B(L)，L为探测光纤模块的光纤探测距离；

b-2、根据步骤a中利用拉曼光纤温度传感器得到的温度测量结果T_R(L)以及步骤(1)中得到的频移量Δv_B(L)，计算得到沿探测光纤正向分布的应变结果ε(L)：

$\mathrm{\ϵ}\left(L\right)=\frac{{\mathrm{\Δv}}_B\left(L\right)-C_T{T}_R\left(L\right)}{C_{\mathrm{\ϵ}}}$

式中C_T、C_ε分别是布里渊频移的温度和应变系数。

Images