CN105571750A - 一种分布式压力传感*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分布式压力传感***，包括有可调谐激光器、波分/时分信号解调仪、计算机、保偏传输光纤、45°起偏器、检偏器和保偏光纤耦合器，保偏光纤耦合器与高双折射光纤光栅阵列相连接，所述的高双折射光纤光栅阵列由高双折射光纤上刻入布喇格光栅构成，其特征在于所述的高双折射光纤包括纤芯和包层，纤芯位于光纤的中心，在纤芯两侧的包层中设置有对称的应力区，在纤芯与应力区相错90°的另外两侧包层中设置有对称的气孔。本发明通过双布喇格反射峰偏振分离测量，实现对外界压力、弯曲和扭转的测量，波长扫描精度高于4pm，测量的空间分辨率达到1m，信号采集空间范围达10km。
Description
技术领域
本发明涉及一种分布式压力传感***，属于光电传感技术领域。
技术背景
分布式压力传感***通常由可调谐激光器、波分/时分信号解调仪、计算机、保偏传输光纤、45°起偏器、检偏器、保偏光纤耦合器和高双折射光纤光栅阵列组成。高双折射光纤是一种单模保偏光纤，其主要性能是产生较高的双折射效应来消除外界干扰对入射光偏振态的影响。这种光纤广泛应用于光纤器件、光纤传感等领域。根据高双折射光纤的双折射特性，在光纤中写入布喇格光栅后，光栅反射峰能反应外界多个参量(如温度、应力/应变、扭转)的变化，说明高双折射光纤适合于多参量的测量。但是普通高双折射光纤对外界压力(环境静压)不具备敏感特性。因此，现有的分布式压力传感***对外界压力的敏感性有待进一步的提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种对外界压力、弯曲和扭转具有较高敏感特性的分布式压力传感***。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
包括有可调谐激光器、波分/时分信号解调仪、计算机、保偏传输光纤、45°起偏器、检偏器和保偏光纤耦合器，保偏光纤耦合器与高双折射光纤光栅阵列相连接，所述的高双折射光纤光栅阵列由高双折射光纤上刻入布喇格光栅构成，其特征在于所述的高双折射光纤包括纤芯和包层，纤芯位于光纤的中心，在纤芯两侧的包层中设置有对称的应力区，在纤芯与应力区相错90°的另外两侧包层中设置有对称的气孔。
按上述方案，所述的纤芯直径2r为3.5μm～9μm，纤芯相对折射率差(相对于包层的折射率)Δr为0.3％～0.7％；所述的包层直径D为80μm～400μm，包层为纯二氧化硅玻璃层。
按上述方案，所述光纤的数值孔径NA为0.12～0.18，模场直径为4.6μm～10μm。
按上述方案，所述的气孔径向截面为圆形或椭圆形，圆形气孔的直径为0.15D～0.4D，椭圆气孔短轴与长轴之比a1/b1为0.4～1.0，所述气孔内边距光纤中心距d1为3μm～0.25D。
按上述方案，所述的纤芯径向截面为圆形或椭圆形，椭圆形纤芯的短轴与长轴之比a/b为0.5～1.0。
按上述方案，所述的应力区直径0.05D～0.32D，应力区内边距光纤中心距d2等于3μm～0.2D，应力区相对折射率差Δs为-0.1％～-0.7％。
按上述方案，所述光纤双折射系数B值等于或大于1×10-4，较佳的等于或大于5×10-4。
按上述方案，所述的光纤上刻有间距相等或不等的布喇格光栅，形成光栅阵列。
按上述方案，所述的波分/时分信号解调仪控制可调谐激光器对光发射波长进行扫描；输出光经过45°起偏器，通过第一保偏光纤耦合器将光信号传输至高双折射光纤光栅阵列；阵列反射信号通过第一保偏光纤耦合器、第二保偏光纤耦合器，经过检偏器，将两路偏振信号输入波分/时分信号解调仪；解调仪通过时域读取信号，整合每个光栅的双反射峰信号输出到计算机。
按上述方案，所述光纤的工作波长为850nm或1310nm或1550nm。
本发明的特点在于：所述光纤具有较高双折射，在写入光栅之后，将在双偏振轴发生光栅内的模式耦合，产生双峰反射(如图3所示)。
该反射谱线是由偏振态相互正交的两个子偏振态各自耦合，得到的反射谱线λxx和λyy组成。由于双折射的存在，使得两个光栅的峰值反射波长不再相同，其差值可表示为：
λxx-λyy＝2Λ(nx-ny)＝2BΛ
由此可见，两峰值反射波长的间距直接取决于光纤双折射的大小，因而通过检测双折射光纤光栅的双峰间距就可直接测量光纤的双折射。
由于本发明光纤结构中有双气孔的存在，使其具有一定的环境均匀压力敏感特性，光栅受到外界环境均匀压力后，会发生双偏振模式的布拉格反射峰峰距增大的现象。以下是某个此类结构光纤压力敏感测试，P为外界均匀压力，Δλ为双峰间距，B为双折射系数：
上表数据线性拟合，如图4所示：线性度为0.9984，压力灵敏度系数7.86pm/MPa。显示出光纤的压力敏感特性。
本发明的有益效果在于：1、通过在保偏光纤中设置对应的气孔构成气孔与应力区相结合的保偏光纤结构，使得光纤既具备单模传输和一般高双折射光纤特性，又具备较高的双折射特性和较强的外界压力敏感特性；2、将保偏光纤设置在分布式压力传感***，采用时分/波分复用技术进行信号解调。双折射光纤光栅阵列的光栅反射峰具有双布喇格反射峰，双布喇格反射峰间距对外界压力、弯曲和扭转具有敏感特性。受外界压力、弯曲和扭转影响，双布喇格反射峰间距会发生改变。通过双布喇格反射峰偏振分离测量，实现对外界压力、弯曲和扭转的测量；3、分布式压力传感***可在850nm、1310nm或1550nm三个波段中选择其一，波长扫描精度高于4pm，测量的空间分辨率达到1m，信号采集空间范围达10km。
附图说明
图1是本发明一个光纤实施例的剖面结构示意图。光纤直径即石英玻璃包层2直径为D，空气孔4内边距光纤纤芯1中心距离为d1，应力区3内边距光纤中心距离为d2。
图2为本发明分布式压力传感***示意图。
图3为写入光栅之后，在双偏振轴都发生光栅内的模式耦合产生的双峰反射。
图4为双空气孔双应力光纤在写入光栅后，光栅双偏振轴反射峰间距，受到外界压力影响的线性响应。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明的实施例。
分布式压力传感***如图2所示，该***包括可调谐激光器、波分/时分信号解调仪、输出计算机、保偏传输光纤、45°起偏器、检偏器、保偏光纤耦合器和高双折射光纤光栅阵列。波分/时分信号解调仪控制可调谐激光器对光发射波长进行扫描；输出光经过45°起偏器，通过第一保偏光纤耦合器C1将光信号传输至高双折射光纤光栅阵列；阵列反射信号通过第一保偏光纤耦合器C1、第二保偏光纤耦合器C2，经过检偏器Px、Py，将两路偏振信号输入波分/时分信号解调仪；解调仪通过时域读取信号，整合每个光栅的双反射峰输出到计算机。双折射光纤某个光栅的反射谱如图3所示，可见两个反射峰。解调仪通过时域读取信号，可确定光栅位置。测定某个光栅的两个反射峰的间距，可测定环境静压。图4为光栅双峰间距随环境静压变化的曲线。双布喇格反射峰偏振分离测量，并用时分/波分复用技术采集和分析反射峰信号实现分布式测量；改变入射光偏振态，可检测双布喇格反射峰中的两个或一个峰。可检测所有光栅的反射峰；当改变入射光偏振态时，可检测到光栅阵列中所有光栅反射峰受到的影响。分布式压力传感***可在850nm、1310nm或1550nm三个波段中选择其一，波长扫描精度高于4pm，测量的空间分辨率达到1m，信号采集空间范围达10km。
所述的光纤剖面结构如图1所示：包括纤芯1和包层2，纤芯位于光纤的中心，纤芯由轻微正掺杂的石英玻璃组成，即在石英玻璃中掺入锗、磷、铝等组分使得折射率高于纯二氧化硅玻璃的折射率，纤芯直径2r为9μm，纤芯相对折射率差(相对于包层的折射率)Δr为0.3％～0.7％；所述的包层直径D为125μm，包层为纯二氧化硅玻璃层。在纤芯两侧的包层中设置有对称的应力区3，应力区为圆形，直径为40μm，应力区内边距光纤中心距d2为6μm，应力区掺杂B2O3玻璃区，使得应力区相对折射率差Δs为-0.2％～-0.7％。；在纤芯与应力区相错90°的另外两侧包层中设置有对称的气孔4，气孔为圆形气孔，直径为40μm；气孔内边距光纤中心距d1为6μm。光纤数值孔径NA为0.13；模场直径范围是10μm±0.5μm。该光纤双折射系数B值为1×10-4～5×10-4；压力灵敏度系数0.5～6pm/MPa。所述的光纤上刻有间距相等或不等的布喇格光栅FBG1、FBG2…FBGn，形成光栅阵列。光栅阵列制备方法：采用193nm激光结合相位掩模法，使用直线光路，在低损耗光纤拉丝过程中，对裸光纤单脉冲曝光制备光栅，连续曝光，在拉丝塔上在线制备高品质的光纤光栅并形成阵列。单根光纤在光纤拉丝成纤时连续写入光栅，光纤上相邻光栅之间无焊接点。刻写光栅的光栅常数完全相同。光栅阵列光纤使用松套铠装和尼龙丝束进行包覆和加强。
Claims (10)
1.一种分布式压力传感***，包括有可调谐激光器、波分/时分信号解调仪、计算机、保偏传输光纤、45°起偏器、检偏器和保偏光纤耦合器，保偏光纤耦合器与高双折射光纤光栅阵列相连接，所述的高双折射光纤光栅阵列由高双折射光纤上刻入布喇格光栅构成，其特征在于所述的高双折射光纤包括纤芯和包层，纤芯位于光纤的中心，在纤芯两侧的包层中设置有对称的应力区，在纤芯与应力区相错90°的另外两侧包层中设置有对称的气孔。
2.如权利要求1所述的分布式压力传感***，其特征在于所述的纤芯直径2r为3.5μm～9μm，纤芯相对折射率差Δr为0.3％～0.7％；所述的包层直径D为80μm～400μm，包层为纯二氧化硅玻璃层。
3.如权利要求1或2所述的分布式压力传感***，其特征在于所述光纤的数值孔径NA为0.12～0.18，模场直径为4.6μm～10μm。
4.如权利要求1或2所述的分布式压力传感***，其特征在于所述的气孔径向截面为圆形或椭圆形，圆形气孔的直径为0.15D～0.4D，椭圆气孔短轴与长轴之比a1/b1为0.4～1.0，所述气孔内边距光纤中心距d1为3μm～0.25D。
5.如权利要求1或2所述的分布式压力传感***，其特征在于所述的纤芯径向截面为圆形或椭圆形，椭圆形纤芯的短轴与长轴之比a/b为0.5～1.0。
6.如权利要求1或2所述的分布式压力传感***，其特征在于所述的应力区直径0.05D～0.32D，应力区内边距光纤中心距d2等于3μm～0.2D，应力区相对折射率差Δs为-0.1％～-0.7％。
7.如权利要求1或2所述的分布式压力传感***，其特征在于所述光纤双折射系数B值等于或大于5×10-4。
8.如权利要求1或2所述的分布式压力传感***，其特征在于所述的光纤上刻有间距相等或不等的布喇格光栅，形成光栅阵列。
9.如权利要求1或2所述的分布式压力传感***，其特征在于所述的波分/时分信号解调仪控制可调谐激光器对光发射波长进行扫描；输出光经过45°起偏器，通过第一保偏光纤耦合器将光信号传输至高双折射光纤光栅阵列；阵列反射信号通过第一保偏光纤耦合器、第二保偏光纤耦合器，经过检偏器，将两路偏振信号输入波分/时分信号解调仪；解调仪通过时域读取信号，整合每个光栅的双反射峰信号输出到计算机。
10.如权利要求9所述的分布式压力传感***，其特征在于波长扫描精度高于4pm，测量的空间分辨率达到1m，信号采集空间范围达10km。
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