CN207007372U - 一种全分布式光纤温度及应力传感*** - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种全分布式光纤温度及应力传感***，包括相互融合的相干光时域光反射光路和拉曼时域光反射光路，所述相干光时域光反射光路通过平衡光电检测器与数据采集器连接，所述拉曼时域光反射光路通过雪崩二极管与所述数据采集器连接，所述数据采集器与计算机连接；利用所述相干光时域光反射光路扫频检测两次，根据采集的数据通过相干光时域光反射方法对应力进行全分布式的监测；利用所述相干光时域光反射光路，对单根光纤上的温度进行全分布式测量。有益效果：结合了ROTDR技术和COTDR技术，大大提高了全分布式光纤传感器的测量功能和应用范围，整体成本比两个***的单独叠加小很多。

Description

一种全分布式光纤温度及应力传感***

技术领域

本实用新型涉及分布式光纤传感领域，尤其涉及一种全分布式光纤温度及应力的传感***。

背景技术

当光在光纤中传播时，如果外界环境发生变化，光在光纤中的一些参量会因此而改变，比如光速、相位，甚至光的偏振态也会因此而变化。通过测量传输光纤中的这些光参量便可以获得相应的物理量，我们将这种利用光纤来做传感器的技术，称之为光纤传感技术。

分布式光纤传感技术以光纤作为传感原件，光纤本身就是传递信息的媒介，而且又同时具有传感的功能，因此具有传统电量型传感器所无法比拟的优势。光纤的覆盖面广，可以用于测量整个传感光纤覆盖范围内的温度和应力。

传统的传感器大多是电量型的，测量范围小，应用狭窄。相比之下，光纤传感器的传感器是光纤，光纤本身结构稳定、抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、价格低廉，此外光纤的覆盖面广，可以进行大范围，空间分布广的***做测量。基于以上优点，分布式光纤传感自20世纪70年代末以来，得到了广泛的发展，出现了基于时域光反射的瑞利时域光反射(OTDR)、拉曼时域光反射(ROTDR)、布里渊时域光反射(BOTDR)等，目前基于拉曼时域光反射(ROTDR)的技术已经十分成熟，基于瑞利散射的时域光反射(OTDR)的技术是十分常见的分布式光纤传感技术。

但是无论是瑞利时域光反射(OTDR)、拉曼时域光反射(ROTDR)还是布里渊时域光反射(BOTDR)技术，都不能在单根光纤上同时对应力和温度进行全分布式测量。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的实施例提供了一种结合了ROTDR技术和COTDR技术，在单根光纤上同时对应力和温度进行全分布式测量的全分布式光纤温度及应力的传感***。

本实用新型的实施例提供一种全分布式光纤温度及应力传感***，包括第一耦合器和与所述第一耦合器的输入端连接的激光发射装置，所述第一耦合器的两个输出端分别与第一光路和第二偏振控制器的输入端连接，还包括第一输入端与所述第一光路的输出端连接的第二耦合器，所述第二耦合器的输出端与拉曼波分复用器连接，且所述第二耦合器的第二输入端和所述第二偏振控制器的输出端分别与第三耦合器的二输入端连接，所述第三耦合器的二输出端均与平衡光电检测器的输入端连接，所述拉曼波分复用器与传感光纤连接的同时，其反斯托克斯光端口和斯托克斯光端口分别与雪崩二极管的二输入端连接，所述雪崩二极管和所述平衡光电检测器均用于将光信号转换成电信号，且其输出端均与数据采集器的输入端连接以将电信号传至所述数据采集器，所述数据采集器与计算机连接；所述第一光路包括输入端与所述第一耦合器连接的光电调制器、输入端与所述光电调制器的输出端连接的第一偏振控制器、输入端与所述第一偏振控制器的输出端连接的掺饵光纤放大器和输入端与所述掺饵光纤放大器的输出端连接的自发辐射滤波器，所述自发辐射滤波器的输出端即为所述第一光路的输出端。

进一步地，所述激光发射装置包括用于产生激光脉冲的激光器、与所述激光器的输出端连接的单边带调制器和与所述单边带调制器和所述计算机连接的微波综合器，所述计算机用于控制所述微波综合器来驱动所述单边带调制器，进而调制所述单边带调制器中激光脉冲。所述激光器为线宽小于或者等于10MHz 的窄线宽激光器。

进一步地，所述光电调制器与所述计算机之间通过脉冲调制器连接，所述计算机用于控制所述脉冲调制器来驱动所述光电调制器，使所述光电调制器输出高功率脉冲或者低功率脉冲。

进一步地，所述拉曼波分复用器内设有能够增反增透且用于将散射光中的各波长成分提取出来的介质膜滤波片，所述反斯托克斯光端口具有两个，用于采集和传输中心波长为1450nm的反斯托克斯光；所述斯托克斯光端口具有三个，用于采集和传输中心波长为1663nm的斯托克斯光。

本实用新型的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本实用新型在同一跟光纤上同时利用相干光时域光反射(COTDR)和拉曼时域光反射(ROTDR) 的技术，在单根光纤上分别对应力和温度进行全分布式测量，仅利用一根传感光纤可以同时测量温度事件和应力事件，克服了单一的ROTDR***和COTDR***所存在的功能单一的缺点。大大提高了全分布式光纤传感器的测量功能和应用范围，整体成本比两个***的单独叠加小很多。

附图说明

图1是本实用新型一种全分布式光纤温度及应力传感***的结构图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本实用新型的实施例提供了一种全分布式光纤温度及应力传感***，包括第一耦合器12、第二耦合器6和第三耦合器5，所述第一耦合器12、所述第二耦合器6和所述第三耦合器5均为四端口耦合器，第一耦合器12包括与其他元件连接的输入端C1、第一输出端c1和第二输出端c2，以及空置的输入端C2。

所述第一耦合器12的其中一输入端C1与激光发射装置连接，另一输入端 C2空置。所述激光发射装置包括用于产生激光脉冲的激光器1、与所述激光器1 的输出端连接的单边带调制器14和与所述单边带调制器14和计算机15均连接的微波综合器13，所述计算机15用于控制所述微波综合器13来驱动所述单边带调制器14，进而调制所述单边带调制器14中激光脉冲：需要扫频时，通过所述计算机15设置所述微波综合器13的扫频参数(扫频参数包括扫频宽度和步进频率)，再通过所述微波综合器13驱动所述单边带调制器14使所述单边带调制器14中的激光脉冲受到调制，实施扫频；不需要扫频时，由所述计算机15 控制所述微波综合器13，使所述单边带调制器14停止扫频、停止频率的步进。所述激光器1为线宽小于或者等于10MHz的窄线宽激光器，且所述激光器1的工作波长约为1550nm，但是不以此为限。

所述第一耦合器12的第一输出端c1和所述第二耦合器6的第一输入端A1 通过第一光路连接，所述第一耦合器12的第二输出端c2和所述第三耦合器5 的第二输入端B2通过第二偏振控制器16连接，所述第二耦合器6的第二输出端A2和所述第三耦合器5的第一输入端B1通过光纤连接。所述第二耦合器6 的第一输出端a1与拉曼波分复用器8连接，所述第二耦合器6还具有一个空置的端口a2。所述拉曼波分复用器8与传感光纤18连接，所述拉曼波分复用器8 内设有能够增反增透且用于将散射光中的各波长成分提取出来的介质膜滤波片，所述拉曼波分复用器8的反斯托克斯光端口具有两个，所述反斯托克斯光端口与所述介质膜滤波片连接，用于采集和传输中心波长为1450nm的反斯托克斯光；所述拉曼波分复用器8的斯托克斯光端口具有三个，所述斯托克斯光端口与所述介质膜滤波片连接，用于采集和传输中心波长为1663nm的斯托克斯光。所述第三耦合器5的两个输出端b1、b2均与平衡光电检测器3连接，用于将通过其第一输入端B1和第二输入端B2的脉冲光混合后传输至所述平衡光电检测器3，所述平衡光电检测器3用于将接受的光信号转换成电信号，与所述平衡光电检测器3相连的数据采集器2摄取该电信号，并将该电信号传至所述计算机15进行解调等方法处理。

所述反斯托克斯光端口和所述斯托克斯光端口通过光纤分别与一雪崩二极管4连接，所述雪崩二极管4用于将光信号转换成电信号，与所述雪崩二极管4 相连的所述数据采集器2摄取该电信号，并将该电信号传至所述计算机15进行处理。

所述第一光路包括输入端与所述第一耦合器12连接的光电调制器11、输入端与所述光电调制器11的输出端连接的第一偏振控制器9、输入端与所述第一偏振控制器9的输出端连接的掺饵光纤放大器7和输入端与所述掺饵光纤7放大器的输出端连接的自发辐射滤波器17，所述自发辐射滤波器17的输出端即为所述第一光路的输出端。

所述光电调制器11与所述计算机15之间通过脉冲调制器10连接，所述计算机15用于控制所述脉冲调制器10来驱动所述光电调制器11，使所述光电调制器11输出高功率脉冲或者低功率脉冲。

本实用新型的实施例提供一种全分布式光纤温度及应力传感***的传感方法，包括以下步骤：

步骤1，利用相干光时域光反射，对单根光纤上的应力进行全分布式测量： (1)通过所述计算机15设置所述微波综合器13的扫频参数(扫频参数包括扫频宽度和步进频率)，再通过所述微波综合器13驱动所述单边带调制器14使所述单边带调制器14中的激光脉冲受到调制，实施扫频；(2)从所述第一耦合器 12的输入端C1进入的激光脉冲被所述第一耦合器12分成两路，一路进入所述第一光路，所述计算机15通过控制所述脉冲调制器10来驱动所述光电调制器 11，使所述光电调制器11输出低功率脉冲；(3)该低功率脉冲依次经过所述第一偏振控制器9、所述掺饵光纤放大器7、所述自发辐射滤波器17、所述第二耦合器6和所述拉曼波分复用器8，进入所述传感光纤18并在所述传感光纤中产生瑞利散射光，所述瑞利散射光经所述拉曼波分复用器8传至所述第二耦合器6，再经所述第二耦合器6的第二输出端A2和所述第三耦合器5的第一输入端B1 进入所述第三耦合器5；(4)被所述第一耦合器12分成的另一路为参考光，通过所述第二偏振控制器16和所述第三耦合器5的第二输入端B2进入所述第三耦合器5，所述参考光和所述瑞利散射光在所述第三耦合器5中混合后被所述第三耦合器5的二输出端b1、b2传至所述平衡光电检测器3并被所述平衡光电检测器3转换成电信号；(5)所述平衡光电检测器5将该电信号传入所述数据采集器2，由所述数据采集器2传入所述计算机15。

步骤2，重复步骤1的动作一次。

步骤3，步骤2过程中，所述传感光纤18有应力变化时，步骤2中的所述瑞利散射光的功率谱会和步骤1中的所述瑞利散射光的功率谱不同，所述计算机15通过解调二所述功率谱，获得瑞丽散射光的频移量信息，该频移量不为0，然后利用相干光时域光反射方法对应力进行全分布式的监测；所述传感光纤18 没有应力变化时，步骤2中的所述瑞利散射光的功率谱会和步骤1中的所述瑞利散射光的功率谱相同，所述计算机通过解调二所述功率谱，获得瑞丽散射光的频移量信息，该频移量为0。

光在光纤中传播会受到外界的因素的影响，此时光的相关物理量会发生变化，利用这一变化可以测出相应的参量。相干光时域光反射(COTDR)技术是通过将强相干光的入射光脉冲从光纤的一端注入，所述传感光纤18某区域内有应变发生时，由于热膨胀或弹光效应，该区域内光纤的折射率、密度及散射点之间的距离将发生变化，从而导致该区域内的瑞利散射光的相位发生改变，因此，所述瑞利散射光的强度和功率分布将会随之发生变化。通过检测步骤2中的瑞利散射光强度的变化和参考光脉冲与步骤1中的瑞利散射信号之间的时延差，就可以确定光纤上应力变化的具***置以及变化量的分布情况。通过互相关峰值算法，可以得出具体的频移量，对应力变化可以进行定量的计算。

步骤4，利用拉曼时域光反射，对单根光纤上的温度进行全分布式测量：(1) 由所述计算机15控制所述微波综合器13，使所述单边带调制器14停止扫频、停止频率的步进；(2)从所述第一耦合器12的输入端C1进入的激光脉冲被所述第一耦合器12分成两路，一路进入所述第一光路，所述计算机15通过控制所述脉冲调制器10来驱动所述光电调制器11，使所述光电调制器11输出高功率脉冲；(3)该高功率脉冲依次经过所述第一偏振控制器9、所述掺饵光纤放大器7、所述自发辐射滤波器17、所述第二耦合器6和所述拉曼波分复用器8进入所述传感光纤18并在所述传感光纤18中产生拉曼散射光，所述拉曼散射光经所述拉曼波分复用器8，所述拉曼波分复用器8的介质膜滤波片将所述拉曼散射光中的反斯托克斯光和斯托克斯光分离和提取出来，然后所述反斯托克斯光和所述斯托克斯光分别通过反斯托克斯光端口和斯托克斯光端口传至所述雪崩二极管4，所述雪崩二极管4将接收拉曼散射光的光转换成电信号，然后所述雪崩二极管4将电信号传入所述数据采集器2，由所述数据采集器2传入所述计算机15，另一路因所述平衡光电检测器3被关闭而被阻断，即此时所述数据采集器2没有采集所述平衡光电检测器3中的数据信息；

步骤5，当所述传感光纤18有温度变化时，所述拉曼波分复用器8中的反斯托克斯光的光强会随温度的变化而发生变化，从而导致斯托克斯光和反斯托克斯光的光强比发生变化，所述雪崩二极管4转换出来的电信号会相应的发生变化，通过所述计算机15解调出光强比信息便可获得当前温度的值。

拉曼时域光反射(ROTDR)技术是向光纤中注入脉冲光，光在光纤中传播过程中，产生拉曼散射光谱的温度效应。当入射的光量子与光纤物质分子产生碰撞时，产生弹性碰撞和非弹性碰撞。弹性碰撞时，光量子和物质分子之间没有能量交换，光量子的频率不发生任何改变，表现为瑞利散射光保持与入射光相同的波长；在非弹性碰撞时，发生能量交换，光量子可以释放或吸收声子，表现为产生一个波长较长的斯托克斯光和一个波长较短的反斯托克斯光。由于反斯托克斯光受温度影响比较敏感，***采用以斯托克斯光通道作为参考通道，反斯托克斯光通道作为信号通道，这两者的比值可以消除光源信号波动、光纤弯曲等非温度因素，实现对温度信息的采集。

本实用新型的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本实用新型在同一跟光纤上同时利用相干光时域光反射(COTDR)和拉曼时域光反射(ROTDR) 的技术，在单根光纤上分别对应力和温度进行全分布式测量，仅利用一根传感光纤可以同时测量温度事件和应力事件，克服了单一的ROTDR***和COTDR***所存在的功能单一的缺点。大大提高了全分布式光纤传感器的测量功能和应用范围，整体成本比两个***的单独叠加小很多。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种全分布式光纤温度及应力传感***，包括第一耦合器和与所述第一耦合器的输入端连接的激光发射装置，所述第一耦合器的两个输出端分别与第一光路和第二偏振控制器的输入端连接，其特征在于：还包括第一输入端与所述第一光路的输出端连接的第二耦合器，所述第二耦合器的输出端与拉曼波分复用器连接，且所述第二耦合器的第二输入端和所述第二偏振控制器的输出端分别与第三耦合器的二输入端连接，所述第三耦合器的二输出端均与平衡光电检测器的输入端连接，所述拉曼波分复用器与传感光纤连接的同时，其反斯托克斯光端口和斯托克斯光端口分别与雪崩二极管的二输入端连接，所述雪崩二极管和所述平衡光电检测器均用于将光信号转换成电信号，且其输出端均与数据采集器的输入端连接以将电信号传至所述数据采集器，所述数据采集器与计算机连接；所述第一光路包括输入端与所述第一耦合器连接的光电调制器、输入端与所述光电调制器的输出端连接的第一偏振控制器、输入端与所述第一偏振控制器的输出端连接的掺饵光纤放大器和输入端与所述掺饵光纤放大器的输出端连接的自发辐射滤波器，所述自发辐射滤波器的输出端即为所述第一光路的输出端。

2.如权利要求1所述的全分布式光纤温度及应力传感***，其特征在于：所述激光发射装置包括用于产生激光脉冲的激光器、与所述激光器的输出端连接的单边带调制器和与所述单边带调制器和所述计算机连接的微波综合器，所述计算机用于控制所述微波综合器来驱动所述单边带调制器，进而调制所述单边带调制器中激光脉冲。

3.如权利要求2所述的全分布式光纤温度及应力传感***，其特征在于：所述激光器为线宽小于或者等于10MHz的窄线宽激光器。

4.如权利要求1所述的全分布式光纤温度及应力传感***，其特征在于：所述光电调制器与所述计算机之间通过脉冲调制器连接，所述计算机用于控制所述脉冲调制器来驱动所述光电调制器，使所述光电调制器输出高功率脉冲或者低功率脉冲。

5.如权利要求1所述的全分布式光纤温度及应力传感***，其特征在于：所述拉曼波分复用器内设有能够增反增透且用于将散射光中的各波长成分提取出来的介质膜滤波片，所述反斯托克斯光端口具有两个，用于采集和传输中心波长为1450nm的反斯托克斯光；所述斯托克斯光端口具有三个，用于采集和传输中心波长为1663nm的斯托克斯光。