CN112033574A - 一种分布式光纤激光器监测***及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光纤激光器监测***及方法，该监测***包括光纤激光器和传感器，所述传感器为传感光纤或传感光缆，所述传感器利用拉曼散射技术对所述光纤激光器内的温度参数进行连续分布式实时监测。本发明通过利用拉曼散射技术的传感光纤/光缆作为传感器，从而只需要一根光纤，就能够实现对整个光纤激光器的实时温度监测，并且可以准确的获知传感光纤上任一点的信息，解决了点式传感器漏检漏测的问题。此外，采用通信光纤作为传感器还大大降低了传感器的成本。

Description

一种分布式光纤激光器监测***及监测方法

技术领域

本发明涉及光纤激光器***的安全监测与保护技术，尤其涉及一种分布式光纤激光器监测***及监测方法。

背景技术

大功率光纤激光器是钣金切割、金属焊接和增材制造等应用的主流工具，是现代工业4.0及智能制造的重要支撑单元。但是高功率光纤激光光源本身是双刃剑，可实现高能量密度金属块材加工，但是其本身一旦出现故障如光纤漏光温度上升、非线性效应导致热积累、熔点损耗导致发热、挤压增益和传能光纤等情况下可能会严重自我毁伤，甚至会烧毁整个激光器***。大功率光纤激光器技术的发展也一直是在与废热做斗争(强激光与粒子束.32(1)2020)，监测大功率光纤激光器的安全运行状态对激光应用至关重要。目前大功率光纤激光器内安全参数大多数与热/温度有关。

目前在大功率光纤激光***中自我安全保护采用的是点式的探测器和传感器，用于自我检查和实时探测***内部各位置运行状态。应用最多的是光电探测器(PD：Photodetector)和温度传感器(Temperature transducer)，其中光电探测器主要作用是探测器采集所测点的光纤泄露的微光信号，用以表征该处的激光功率。温度传感器主要作用是探测所测点的温度情况，用以判断该关键位置的器件/光纤/泵浦激光器/电路板是否正常运行。如专利CN107219063A、CN105562952A、CN105914568A、CN103904532B。实用新型CN205070149U、CN204142995U、CN205961125U、CN206378272U等均采用点式光电探测器和传感器作为检测单元，一个探测器只能探测某一点的信号，实际高功率光纤激光器***应用需要多个组合逐一位置进行信号探测。

这种点式传感器需要每个传感器都接电线、每一路传感器都需要接上电路板，并需要在电路板上做信号采集、信号解调、信号上传、信号处理反馈等工作。有的区域信号微弱还需要给传感器制作专门的放大电路，不仅工作量大，而且增加成本。目前1kW光纤激光器模块的传感器数量在5-10个，而万瓦量级高功率多模光纤激光器***的传感器多达数百个，实际应用时后台故障定位很难实现，而在没有传感器点位发生的故障难以被发现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现连续分布式温度监测的分布式光纤激光器监测***。

本发明的另一目的在于提供一种分布式光纤激光器监测方法。

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

根据本发明的一方面，提供了一种分布式光纤激光器监测***，包括光纤激光器和传感器，所述传感器为传感光纤或传感光缆，所述传感器利用拉曼散射技术对所述光纤激光器内的温度参数进行连续分布式实时监测。

在一实施例中，该分布式光纤激光器监测***的所述光纤激光器为千瓦级及以上大功率单模光纤激光器或由多个千瓦级单模光纤激光器模块组成的大功率多模光纤激光器。

在一实施例中，该分布式光纤激光器监测***的所述传感器的响应时间在1s以内，温度分辨率在0.1℃以内，测温精度在1℃以内。

在一实施例中，该分布式光纤激光器监测***的所述传感器的监测区域包括所述光纤激光器的半导体激光器、增益光纤、光纤器件、监测电路板、激光电源和输出头。

在一实施例中，该分布式光纤激光器监测***的所述传感器采用本质安全的无源光纤。

在一实施例中，该分布式光纤激光器监测***的所述传感器包括定位功能，所述定位功能采用的是光时域反射技术，定位精度在0.1m以内。

在一实施例中，该分布式光纤激光器监测***的所述光时域反射技术的测试光束与温度监测传感光束为同一束脉冲激光。

在一实施例中，该分布式光纤激光器监测***的当所述光纤激光器为大功率多模光纤激光器时，各个模块之间暴露在外传感器敷设有护套。

在一实施例中，该分布式光纤激光器监测***的各个模块之间外部的传感器采用AC/PC接头并通过法兰盘实现冷连接。

根据本发明的另一方面，还提供了一种分布式光纤激光器监测方法，该方法采用传感光纤或传感光缆作为传感器，利用拉曼散射技术对光纤激光器内的温度进行连续分布式实时监测。

本发明***及方法实施例的有益效果是：通过利用拉曼散射技术的传感光纤/光缆作为传感器，从而只需要一根光纤，就能够实现分布式的实时温度监测，并且可以准确的获知传感光纤上任一点的信息，解决了点式传感器漏检漏测的问题。此外，采用通信光纤作为传感单元还大大降低了传感器的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1是现有单模块光纤激光器内部结构示意图；

图2是本发明的传感光纤在单模块光纤激光器内部布置示意图；

图3是本发明大功率多模光纤激光器共用传感光纤示意图；

其中：1-半导体激光器；2-光纤器件；3-增益光纤；4-监测电路板；5-传感光纤；6-单模块光纤激光器；7-激光电源；8-监测与控制主机。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

本发明实施例公开了一种光纤激光器监测***，包括光纤激光器和传感器。其中，传感器为传感光纤或传感光缆，该传感器利用Raman(拉曼)散射技术对光纤激光器内的温度参数进行连续分布式实时监测。

其中，利用Raman(拉曼)散射效应进行测温的原理为：大功率窄脉宽激光脉冲半导体激光器输出激光入射到传感光纤后，激光与光纤纤芯中分子相互作用，产生极其微弱的背向散射光，散射光有三个波长，分别是Rayleigh(瑞利)、anti-stokes(反斯托克斯)和stokes(斯托克斯)光；其中anti-stokes温度敏感，为光纤传感的信号光；stokes温度不敏感，为参考光。从传感光纤背向散射的信号光经再次经过分光模块，隔离Rayleigh散射光，透过温度敏感的anti-stokes信号光和温度不敏感的stokes参考光，并且由同一探测器(APD)接收，根据两者的光强比值可计算出温度。

本发明通过采用全尺度连续分布式光纤传感方式，可以准确的获知传感光纤上任一点的信息，解决了点式传感器漏检漏测的问题。此外，采用普通的通信光纤作为传感单元，大大降低了传感器的成本。

优选地，传感器可采用本质安全的无源光纤，具备绝缘性、质量轻、抗电磁干扰、体积小的优点，且易于与光纤激光器***集成。

在可能的实施例中，本传感器还包括定位功能，即基于光时域反射技术(OTDR：optical time-domain reflectometer)，利用高速数据采集测量散射信号的回波时间确定散射信号所对应的光纤位置。利用该技术可以使定位精度在0.1m以内，从而能够准确定位故障的位置和区域。进一步地，光时域反射技术的测试光束与温度监测传感光束为同一束脉冲激光，从而可以同步的测试出温度和位置信息。

传感光纤的长度可以延伸数公里长度，因此可探测整个万瓦光纤激光器。如果多个万瓦光纤激光器相距较近，也可以监测多个万瓦光纤激光器***的运行情况。因此，光纤激光器可以为千瓦级及以上单模光纤激光器或由多个千瓦级光纤激光器模块组成的大功率多模光纤激光器。单模块光纤激光器的输出功率在千瓦级，多个单模块组成的多模光纤激光器在千瓦级以上，高的在几十万瓦量级。常见的单模块光纤激光器输出功率有800W、1000W、1200W、1500W、2000W、2500W、3000W、4000W等。

现有单模块光纤激光器如图1所示，由光学部分，结构部分、电控部分组成。其中光学部分是核心，是激光的产生和输出单元，其内部光学模块的半导体激光器1，增益光纤3，光纤器件2如合束器、光纤光栅、包层光滤除器等，以及输出头等都需要进行温度监测。电控部分例如监控电路板4既是报警的输出单元，本身也是易于产生高温隐患的地方，其本身也需要监测。

本发明实施例中，传感光纤5在单模块光纤激光器内走线示意图如图2所示，连续敷设在半导体激光器1、增益光纤3、光纤器件2、监控电路板4等元器件上，整个模块内只需设置一根传感光纤5。对于需要重点监测的区域，如半导体激光器1、多个光纤器件2等区域，可以将传感光纤5缠绕成多个光纤环敷设在被测区域上方或周围，以提高监测的准确性。

进一步地，传感光纤5的监测区域还可以包括光纤激光器的合束部分、光闸部分和输出头部分，甚至能与激光加工设备连接，监测激光加工设备的运行温度状态。

传感光纤5可以是通信应用的单模光纤，也可以是多模光纤，在此不做限制。

在本发明另一实施例中，传感光纤5在多模块光纤激光器中的连接示意图如图3所示，传感光纤5依序经过各个单模块光纤激光器6，再经过激光电源7后连接到监测与控制主机8。暴露在模块与模块外部的传感光纤5需要敷设塑料护套或其他护套保护，暴露在外的传感光纤5也可以做成AC/PC的接头，通过法兰盘实现冷连接，便于大功率光纤激光器***的组装与调试。

传感光纤5的响应时间在1s以内，温度分辨率在0.1℃以内，测温精度在1℃以内。在1s以内只要发现某一个点的温度高于或达到预设的温度值，即刻给出报警的警示声音或者关闭光纤激光***的电控***，关闭光源，防止整个***损毁。

与上述分布式光纤激光器监测***对应地，本发明还公开了一种光纤激光器监测方法，其采用传感光纤作为传感器，利用拉曼散射技术对光纤激光器内的温度进行连续分布式实时监测。

现有技术中，本领域技术人员通常难以想到利用传感光纤作为传感器来监测光纤激光器的内部温度。专利CN103904532B虽然将易于受热熔断的塑料光纤、石英光纤作为传感光纤来监测大功率的光纤激光器，但该传感光纤内部通光是作为″光开关″的传输链路，只有在传感光纤受热熔断后***才会断电保护。该方案只是将传感光纤作为简易的光开关保护，没有使用分布式光纤传感技术，不具备测温和定位功能。本发明则是利用拉曼散射技术，实现了分布式的连续监测。

此外，本发明的监测方法不仅适用于激光器本身，在激光加工设备、高能激光武器装备中的整体安全监测也同样适用，只需将传感用的光纤延长到设备上其他位置即可，不用做过多的更改。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

以上所述仅为本申请的较佳实例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种分布式光纤激光器监测***，其特征在于：包括光纤激光器和传感器，所述传感器为传感光纤或传感光缆，所述传感器利用拉曼散射技术对所述光纤激光器内的温度参数进行连续分布式实时监测。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤激光器监测***，其特征在于：所述光纤激光器为千瓦级及以上大功率单模光纤激光器或由多个千瓦级单模光纤激光器模块组成的大功率多模光纤激光器。

3.根据权利要求1所述的分布式光纤激光器监测***，其特征在于：所述传感器的响应时间在1s以内，温度分辨率在0.1℃以内，测温精度在1℃以内。

4.根据权利要求1所述的分布式光纤激光器监测***，其特征在于：所述传感器的监测区域包括所述光纤激光器的半导体激光器、增益光纤、光纤器件、监测电路板、激光电源和输出头。

5.根据权利要求1所述的分布式光纤激光器监测***，其特征在于：所述传感器采用本质安全的无源光纤。

6.根据权利要求1所述的分布式光纤激光器监测***，其特征在于：所述传感器包括定位功能，所述定位功能采用的是光时域反射技术，定位精度在0.1m以内。

7.根据权利要求6所述的分布式光纤激光器监测***，其特征在于：所述光时域反射技术的测试光束与温度监测传感光束为同一束脉冲激光。

8.根据权利要求2所述的分布式光纤激光器监测***，其特征在于：当所述光纤激光器为大功率多模光纤激光器时，各个模块之间暴露在外的传感器敷设有护套。

9.根据权利要求8所述的分布式光纤激光器监测***，其特征在于：各个模块之间外部的传感器采用AC/PC接头并通过法兰盘实现冷连接。

10.一种分布式光纤激光器监测方法，其特征在于：采用传感光纤或传感光缆作为传感器，利用拉曼散射技术对光纤激光器内的温度进行连续分布式实时监测。

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