CN207248203U - 混合光纤传感*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种混合光纤传感***，涉及光纤传感技术领域。所述传感***包括激光器、光纤耦合器、连续探测光路、泵浦脉冲光路、传感光纤、第二光纤环形器和控制***。所述激光器的输出端经光纤耦合器后分为两路，第一路与所述连续探测光路的输入端连接，第二路与所述泵浦脉冲光路的输入端连接，所述连续探测光路的输出端经所述传感光纤与第二光纤环形器的一个输入端连接，所述泵浦脉冲光路的输出端与所述第二光纤环形器的另一个输入端连接，所述第二光纤环形器的输出端与所述控制***的输入端连接。所述***成本低，可实现更大范围、更高空间精度的结构整体和局部关键应变/温度信息的静态和动态同时提取。

Description

混合光纤传感***

技术领域

本实用新型涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种利用光纤光栅反射/透射以及光纤受激布里渊散射同步测试的混合光纤传感***。

背景技术

结构健康监测可以为结构服役期间的性能评价、损伤诊断和寿命预测提供可靠数据，也可为结构的设计、防护以及理论研究提供重要参数。基于光纤传感的技术优势，目前光纤布拉格光栅传感技术和基于光纤布里渊散射的传感技术已经在结构健康监测领域发挥了重要作用。尤其近些年基于受激布里渊散射的传感技术(BOTDA)在感测范围和空间精度方面获得了很大提升，相较于基于光纤自发布里渊散射的传感技术优势明显。光纤光栅传感技术具有高精度、复用以及动态测量的独特优势，但是只可以提供离散的空间信息。相反，基于光纤布里渊散射的传感技术则可以提供上百公里范围内光纤沿线的连续信息，但是精度要差一些。如何将两者融合，充分发挥双技术优势，同步实现对结构的整体信息把握和局部关键信息监控，对于结构健康监测具有重要意义。

目前，研究人员已经针对该问题开展了积极研究，取得了一些研究成果。如专利“全尺度分布式与局部高精度共线的光纤传感方法”(申请号：ZL200810064168.3)，提出采用光开关或耦合器将BOTDA(R)与FBG解调仪集成构成一个新的监测***。专利“基于布里渊光时域反射式光纤传感和光纤光栅传感的底板应力监测装置和方法”(申请号：ZL201220426263.X)和“管桩击入土层的FBG-BOTDA联合传感器检测方法”(公开201310397789.4)采取了类似方案。文献(Journal of Lightwave Technology,2013,31:1559- 1565；Structural Health Monitoring,2010,9:341-346；International Journalof Distributed Sensor Networks,2012；Structural Control and Health Monitoring,2014,21:317-330。)也分别报道了同时将两种光纤传感技术应用于输电线、隧道、FRP以及混凝土梁预应力损失监测。以上这些方案和应用，其实质是采用BOTDA(R)与FBG解调仪双***，实现单纤共用。其中，光开关方案不能实现两者的同时测试。耦合器方案中，通过简单设计BOTDR与FBG解调仪可同时测试，两者不会产生光信号间的相互干扰；但是BOTDA和FBG同时测试过程中，由于BOTDA是双端测试***，其探测光会进入FBG解调仪，造成解调***信噪比下降，寻峰不精确甚至寻不到峰。采用双***，会造成监测成本上升，没有实现真正意义上的技术融合。专利“用于工程结构整体和局部应变同时监测的分布式光纤传感器”(申请号：201110069430.5)采用单***单纤的技术方案，使***兼容光纤光栅和布里渊时域反射技术，降低了***成本。该方案可作为基于单端测量的BOTDR技术和FBG传感技术的融合，与基于光纤受激布里渊散射的传感技术相比，其传感距离和空间测试精度受到较大限制。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是如何提供一种可同时获取更大范围更高空间精度整体结构信息以及局部关键位置静、动态信息的混合光纤传感***。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种混合光纤传感***，其特征在于：包括激光器、光纤耦合器、连续探测光路、泵浦脉冲光路、传感光纤、第二光纤环形器和控制***，所述激光器的输出端经光纤耦合器后分为两路，第一路与所述连续探测光路的输入端连接，第二路与所述泵浦脉冲光路的输入端连接，所述连续探测光路的输出端经所述传感光纤与第二光纤环形器的一个输入端连接，所述泵浦脉冲光路的输出端与所述第二光纤环形器的另一个输入端连接，所述第二光纤环形器的输出端与所述控制***的输入端连接。

进一步的技术方案在于：所述连续探测光路包括第二光纤偏振控制器、第二光电调制器、第一光纤环形器、光纤光栅、第二光纤放大器和扰偏器，所述光纤耦合器的一个输出端与所述第二光纤偏振控制器的输入端连接，所述第二光纤偏振控制器的输出端与所述第二光电调制器的输入端连接，所述第二光电调制器的输出端与所述第一光纤环形器的一个输入端连接，所述光纤光栅与所述第一光纤环形器的另一个输入端连接，所述第一光纤环形器的输出端与所述第二光纤放大器的输入端连接，所述第二光纤放大器的输出端与所述扰偏器的输入端连接，所述扰偏器的输出端与所述传感光纤的一端连接。

进一步的技术方案在于：所述泵浦脉冲光路包括第一光纤偏振控制器、第一电光调制器、第三光纤偏振控制器、第三电光调制器、脉冲发生器、第一光纤放大器。所述光纤耦合器的一个输出端与所述第一光纤偏振控制器的输入端连接，所述第一光纤偏振控制器的输出端与所述第一电光调制器的一个输入端连接，所述第一电光调制器的输出端与所述第三光纤偏振控制器的输入端连接，所述第三光纤偏振控制器的输出端与所述第三电光调制器的一个输入端连接，所述脉冲发生器的输出端与所述第三电光调制器的另一个输入端连接，所述第三电光调制器的输出端与所述第一光纤放大器的输入端连接，所述第一光纤放大器的输出端与所述第二光纤环形器的一个输入端连接。

进一步的技术方案在于：所述控制***包括第三光纤环形器、光纤F-P滤波器、锯齿波发生器、第一光电探测器、带通滤波器、第二光电探测器和信号采集与控制器，所述第二光纤环形器的输出端与所述第三光纤环形器的输入端连接，所述第三光纤环形器的一个输出端与所述光纤F-P滤波器的一个输入端连接，所述锯齿波发生器的输出端与所述光纤F-P滤波器的另一个输入端连接，所述光纤F-P滤波器的输出端经所述第一光电探测器与所述信号采集与控制器的一个输入端连接，所述第三光纤环形器的另一个输出端与所述带通滤波器的输入端连接，所述带通滤波器的输出端经所述第二光电探测器与所述信号采集与控制器的另一个输入端连接，所述信号采集与控制器的一个控制输出端与所述锯齿波发生器的控制端连接。

进一步的技术方案在于：所述传感光纤上设有光纤光栅阵列。

进一步的技术方案在于：所述光纤光栅阵列包括两个以上的光纤光栅。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述的连续探测光路、泵浦脉冲光路和传感光纤构成基于双端测量的受激布里渊散射光路；同时，所述的泵浦脉冲光路为脉冲宽带光，可作为光纤光栅阵列的主光源，当所述的泵浦脉冲光路在某些波段的光功率低于连续探测光路的光功率时，由连续探测光为光纤光栅阵列提供光源；双光源增加了***稳定性，扩展了传感光纤中光纤光栅的使用带宽，从而提高了可复用数量。

所述的光纤光栅阵列由后置光纤F-P滤波器进行波长选择，避免了双端测量过程中连续探测光路或泵浦脉冲光路的光直接进入第一光电探测器造成信噪比下降或信号被湮没。

基于连续探测光路的光纤光栅阵列的透射光和基于泵浦脉冲光路的光纤光栅阵列的反射光，耦合后同时进入第一光电探测器，此时信号采集与控制器兼具最大光强探测和最小光强探测两种控制模式。

综上，所述传感***通过对光纤光栅反射/透射和光纤受激布里渊散射信号的单***单纤同步测量，可有效降低***成本。通过光学***设计，可实现更大范围、更高空间精度的结构整体和局部关键应变/温度信息的静态和动态同时提取。

附图说明

图1是本实用新型实施例所述混合光纤传感***的原理框图；

其中：1、激光器2、光纤耦合器3、连续探测光路31、第二光纤偏振控制器32、第二光电调制器33、第一光纤环形器34、光纤光栅35、第二光纤放大器36、扰偏器4、传感光纤 41、光纤光栅5、泵浦脉冲光路51、第一光纤偏振控制器52、第一电光调制器53、第三光纤偏振控制器54、第三电光调制器55、脉冲发生器56、第一光纤放大器6、第二光纤环形器7、控制***71、第三光纤环形器72、光纤F-P滤波器73、锯齿波发生器74、第一光电探测器75、带通滤波器76、第二光电探测器77、信号采集与控制器。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本实用新型实施例公开了一种混合光纤传感***，包括激光器1、光纤耦合器2、连续探测光路3、传感光纤4、泵浦脉冲光路5、第二光纤环形器6和控制*** 7。所述激光器1的输出端经光纤耦合器2后分为两路，第一路与所述连续探测光路3的输入端连接，第二路与所述泵浦脉冲光路5的输入端连接，所述连续探测光路3的输出端经所述传感光纤4与第二光纤环形器6的一个输入端连接，所述泵浦脉冲光路5的输出端与所述第二光纤环形器6的另一个输入端连接，所述第二光纤环形器6的输出端与所述控制***7 的输入端连接。

优选的，所述激光器1为窄线宽激光器。所述传感光纤4上设有光纤光栅阵列，所述光纤光栅阵列包括两个以上的光纤光栅41。

进一步的，如图1所示，所述连续探测光路包括第二光纤偏振控制器31、第二光电调制器32、第一光纤环形器33、光纤光栅34、第二光纤放大器35和扰偏器36。所述光纤耦合器2的一个输出端与所述第一光纤偏振控制器31的输入端连接，所述第二光纤偏振控制器31的输出端与所述第二光电调制器32的输入端连接，所述第二光电调制器32的输出端与所述第一光纤环形器33的一个输入端连接，所述光纤光栅34与所述第一光纤环形器 33的另一个输入端连接，所述第一光纤环形器33的输出端与所述第二光纤放大器35的输入端连接，所述第二光纤放大器35的输出端与所述扰偏器36的输入端连接，所述扰偏器 36的输出端与所述传感光纤4的一端连接。

进一步的，如图1所示，所述泵浦脉冲光路5包括第一光纤偏振控制器51、第一电光调制器52、第三光纤偏振控制器53、第三电光调制器54、脉冲发生器55、第一光纤放大器56。所述光纤耦合器2的一个输出端与所述第一光纤偏振控制器51的输入端连接，所述第一光纤偏振控制器51的输出端与所述第一电光调制器52的一个输入端连接，所述第一电光调制器52的输出端与所述第三光纤偏振控制器53的输入端连接，所述第三光纤偏振控制器53的输出端与所述第三电光调制器54的一个输入端连接，所述脉冲发生器55的输出端与所述第三电光调制器54的另一个输入端连接，所述第三电光调制器54的输出端与所述第一光纤放大器56的输入端连接，所述第一光纤放大器56的输出端与所述第二光纤环形器6 的一个输入端连接。

进一步的，如图1所示，所述控制***7包括第三光纤环形器71、光纤F-P滤波器72、锯齿波发生器73、第一光电探测器74、带通滤波器75、第二光电探测器76和信号采集与控制器77。所述第二光纤环形器6的输出端与所述第三光纤环形器71的输入端连接，所述第三光纤环形器71的一个输出端与所述光纤F-P滤波器72的一个输入端连接，所述锯齿波发生器73的输出端与所述光纤F-P滤波器72的另一个输入端连接，所述光纤F-P滤波器72的输出端经所述第一光电探测器74与所述信号采集与控制器77的一个输入端连接，所述第三光纤环形器71的另一个输出端与所述带通滤波器75的输入端连接，所述带通滤波器75的输出端经所述第二光电探测器76与所述信号采集与控制器77的另一个输入端连接，所述信号采集与控制器77的一个控制输出端与所述锯齿波发生器73的控制端连接。

所述的泵浦脉冲光路5提供脉冲宽带光，主要覆盖1510nm-1600nm波段，可作为光纤光栅阵列41的主光源；而在1460nm-1510nm波段，所述的泵浦脉冲光路5的光功率低于连续探测光路3的光功率，此时由连续探测光路为光纤光栅阵列41提供光源；双光源增加了***稳定性，扩展了传感光纤4中光纤光栅的使用带宽，从而提高了可复用数量。同时，为了不干扰光纤受激布里渊散射信号的探测，所述光纤光栅波长应避开1550nm附近；进一步地，为获取较好的信噪比，光纤光栅波长应避开泵浦脉冲光路5和连续探测光路3的光功率交叉点附近，综合考虑可优选1460nm-1515nm波段、1525nm-1545nm、1555nm- 1575nm和1585nm-1600nm。

带通滤波器75，带宽优选为1545nm-1555nm，用于将光纤光栅阵列41的反射光和透射光通过第三光纤环形器71的一个输出端引入光纤F-P滤波器72进行波长选择；通过带通滤波器75的光进入第二光电探测器76作为受激布里渊散射的探测端。

光纤光栅阵列41由后置光纤F-P滤波器72进行波长选择，避免了双端测量过程中连续探测光路3或泵浦脉冲光路5发出的光直接进入第一光电探测器74造成信噪比下降或信号被湮没。

基于连续探测光路3的光纤光栅阵列41的透射光和基于泵浦脉冲光路5的光纤光栅阵列41的反射光耦合后同时进入第一光电探测器74，此时信号采集与控制器77兼具最大光强探测和最小光强探测两种控制模式，且均保证较好的信噪比。

Claims (8)

1.一种混合光纤传感***，其特征在于：包括激光器(1)、光纤耦合器(2)、连续探测光路(3)、传感光纤(4)、泵浦脉冲光路(5)、第二光纤环形器(6)和控制***(7)，所述激光器(1)的输出端经光纤耦合器(2)后分为两路，第一路与所述连续探测光路(3)的输入端连接，第二路与所述泵浦脉冲光路(5)的输入端连接，所述连续探测光路(3)的输出端经所述传感光纤(4)与第二光纤环形器(6)的一个输入端连接，所述泵浦脉冲光路(5)的输出端与所述第二光纤环形器(6)的另一个输入端连接，所述第二光纤环形器(6)的输出端与所述控制***(7)的输入端连接。

2.如权利要求1所述的混合光纤传感***，其特征在于：所述连续探测光路包括第二光纤偏振控制器(31)、第二光电调制器(32)、第一光纤环形器(33)、光纤光栅(34)、第二光纤放大器(35)和扰偏器(36)，所述光纤耦合器(2)的一个输出端与所述第二光纤偏振控制器(31)的输入端连接，所述第二光纤偏振控制器(31)的输出端与所述第二光电调制器(32)的输入端连接，所述第二光电调制器(32)的输出端与所述第一光纤环形器(33)的一个输入端连接，所述光纤光栅(34)与所述第一光纤环形器(33)的另一个输入端连接，所述第一光纤环形器(33)的输出端与所述第二光纤放大器(35)的输入端连接，所述第二光纤放大器(35)的输出端与所述扰偏器(36)的输入端连接，所述扰偏器(36)的输出端与所述传感光纤(4)的一端连接。

3.如权利要求1所述的混合光纤传感***，其特征在于：所述泵浦脉冲光路(5)包括第一光纤偏振控制器(51)、第一电光调制器(52)、第三光纤偏振控制器(53)、第三电光调制器(54)、脉冲发生器(55)、第一光纤放大器(56)，所述光纤耦合器(2)的一个输出端与所述第一光纤偏振控制器(51)的输入端连接，所述第一光纤偏振控制器(51)的输出端与所述第一电光调制器(52)的一个输入端连接，所述第一电光调制器(52)的输出端与所述第三光纤偏振控制器(53)的输入端连接，所述第三光纤偏振控制器(53)的输出端与所述第三电光调制器(54)的一个输入端连接，所述脉冲发生器(55)的输出端与所述第三电光调制器(54)的另一个输入端连接，所述第三电光调制器(54)的输出端与所述第一光纤放大器(56)的输入端连接，所述第一光纤放大器(56)的输出端与所述第二光纤环形器6的一个输入端连接。

4.如权利要求1所述的混合光纤传感***，其特征在于：所述控制***(7)包括第三光纤环形器(71)、光纤F-P滤波器(72)、锯齿波发生器(73)、第一光电探测器(74)、带通滤波器(75)、第二光电探测器(76)和信号采集与控制器(77)，所述第二光纤环形器(6)的输出端与所述第三光纤环形器(71)的输入端连接，所述第三光纤环形器(71)的一个输出端与所述光纤F-P滤波器(72)的一个输入端连接，所述锯齿波发生器(73)的输出端与所述光纤F-P滤波器(72)的另一个输入端连接，所述光纤F-P滤波器(72)的输出端经所述第一光电探测器(74)与所述信号采集与控制器(77)的一个输入端连接，所述第三光纤环形器(71)的另一个输出端与所述带通滤波器(75)的输入端连接，所述滤波器(75)的输出端经所述第二光电探测器(76)与所述信号采集与控制器(77)的另一个输入端连接，所述信号采集与控制器(77)的一个控制输出端与所述锯齿波发生器(73)的控制端连接。

5.如权利要求1所述的混合光纤传感***，其特征在于：所述激光器(1)为窄线宽激光器。

6.如权利要求1所述的混合光纤传感***，其特征在于：所述传感光纤(4)上设有光纤光栅阵列。

7.如权利要求6所述的混合光纤传感***，其特征在于：所述光纤光栅阵列包括两个以上的光纤光栅(41)。

8.如权利要求4所述的混合光纤传感***，其特征在于：所述带通滤波器(75)带宽为1545nm-1555nm。