專利名稱：光纖分布式溫度和應(yīng)力傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感技術(shù)，更特別地說，是指一種采用全光纖連接的溫度和應(yīng)力 的傳感裝置。
背景技術(shù)：
分布式光纖傳感器可以埋入材料結(jié)構(gòu)中，組成智能材料結(jié)構(gòu)(Smart Structure) 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)本身的實(shí)時(shí)自檢測(cè)和自診斷，可應(yīng)用于(1)高層建筑、智能大廈、橋梁、 高速公路等災(zāi)害性在線、動(dòng)態(tài)檢測(cè)、防護(hù)及報(bào)警；(2)航空、航天飛行器的在線、 動(dòng)態(tài)檢測(cè)和機(jī)器人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；(3)各種大、中型變壓器、發(fā)電機(jī)組的溫度分 布測(cè)量、熱保護(hù)和故障診斷，地下和架空高壓電力電纜、火力發(fā)電所的配管溫度的檢 測(cè)，供熱系統(tǒng)(暖水、暖氣)的管道；(4)在煤礦石油工業(yè)中用于煤礦、隧道的災(zāi) 害防治及其報(bào)警；油庫、油罐、危險(xiǎn)品倉庫、大型倉庫和大型輪船的貨倉火災(zāi)監(jiān)測(cè)和 預(yù)報(bào)；輸油管道的異常檢測(cè)和故障診斷等；此外還可用于化工原料生產(chǎn)過程的在線、 動(dòng)態(tài)檢測(cè)，醫(yī)院的ICU， CCU監(jiān)護(hù)病房的溫度監(jiān)測(cè)和火災(zāi)監(jiān)測(cè)等。
目前分布式光纖傳感器普遍釆用相干探測(cè)方式，主要包括有光源、探測(cè)光纖、耦 合器、放大器、脈沖調(diào)制器、微波聲光調(diào)制器、相干探測(cè)器、電學(xué)濾波器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光纖分布式溫度和應(yīng)力傳感裝置，主要包括有光源1、 鑒頻器2、恒溫溫箱3這三個(gè)模塊。該裝置(A)利用光纖后向散射中拉曼散射作為 溫度信息載波；(B)利用布里淵散射作為應(yīng)力信息載波；(C)利用瑞利散射測(cè)定出 激光器出射光相對(duì)鑒頻器的頻率偏置；然后利用Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行鑒頻。本 發(fā)明的光纖分布式溫度和應(yīng)力傳感裝置相比現(xiàn)有相干檢測(cè)手段,有效地解決了多個(gè)被 測(cè)參數(shù)之間的交叉敏感問題；通過雙通道Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行差分測(cè)量和頻率 偏置，解決了大溫度0 40(TC測(cè)量范圍問題。由于不用頻率掃描，時(shí)間分辨率可由 原來的數(shù)十分鐘提高到十分之一秒。


圖1是本發(fā)明傳感器裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是探測(cè)對(duì)象布里淵散射譜隨溫度和應(yīng)力的變化曲線。
圖3是雙通道Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的透過率曲線圖。
圖4是雙通道Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具在布里淵散頻移附近的透過率曲線。
圖5是布里淵通道對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)曲線。
圖6是大溫度動(dòng)態(tài)范圍測(cè)定的原理圖。
圖中 l.光源 U.光纖激光器 12.第一摻鉺光纖放大器
13.脈沖調(diào)制器 14.第二摻鉺光纖放大器 2.鑒頻器 21.法-皮標(biāo)準(zhǔn)具
22.第一準(zhǔn)直器23.第二準(zhǔn)直器 24.第四耦合器 25.第五耦合器 3.恒溫溫箱31.偏振控制器 32.參考光纖33.探測(cè)光纖 34.隔離器 311.第一環(huán)形器312.第二環(huán)形器 313.第三環(huán)形器
321.第一光纖光柵 322.第二光纖光柵 323.第三光纖光柵 324.第四光纖光柵 331.第一耦合器332.第二耦合器333.第三耦合器 4.保偏光纖 51.第一探測(cè)器52.第二探測(cè)器 53.第三探測(cè)器 54.第四探測(cè)器 55.第五探測(cè)器
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
請(qǐng)參見圖1所示，本發(fā)明是一種光纖分布式溫度和應(yīng)力傳感裝置，是基于光纖 拉曼散射作為溫度信息載波、布里淵散射作為應(yīng)力信息載波、利用瑞利散射測(cè)定出射 激光相對(duì)鑒頻器頻率并進(jìn)行頻率偏置的、利用Fabiy-Perot標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行鑒頻的、同 時(shí)分布式傳感溫度和應(yīng)力的直接探測(cè)方法。主要包括有光源l、鑒頻器2、恒溫溫箱 3這三個(gè)模塊，各模塊中的器件連接關(guān)系為光纖激光器ll輸出尾纖與第一摻鉺光 纖放大器12的入纖熔接，第一摻鉺光纖放大器12的尾纖與脈沖調(diào)制器13的入纖 熔接，脈沖調(diào)制器13的尾纖與第二摻鉺光纖放大器14的入纖熔接；第二摻鉺光纖 放大器14的尾纖與第一環(huán)形器311的A端熔接，第一環(huán)形器311的C端與第一光 纖光柵321熔接，第一環(huán)形器311的B端與第一耦合器331的A端熔接；第一耦 合器331的B端與第二環(huán)形器312的A端熔接，第二環(huán)形器312的B端與偏振控 制器31的入纖熔接，偏振控制器31的尾纖熔接有一段作為探測(cè)器用的保偏光纖4，
所述保偏光纖4的前20米稱作參考光纖32，后10000米稱作探測(cè)光纖33;第一 耦合器331的C端與第二耦合器332的C端熔接，第二耦合器332的D端與第二 探測(cè)器52的光纖FC卡頭連接；第二環(huán)形器312的C端與波分復(fù)用器38的A端 熔接，波分復(fù)用器38的C端與第四光纖光柵324的入纖熔接，第四光纖光柵324 的出射尾纖與第一探測(cè)器51的光纖FC卡頭連接，波分復(fù)用器38的B端與第三環(huán) 形器313的B端熔接；第三環(huán)形器313的C端與第二耦合器332的B端熔接；第 二耦合器332的A端與第一準(zhǔn)直器22的尾纖熔接，第一準(zhǔn)直器22的出射光入射至 法-皮(Fabry-Perot)標(biāo)準(zhǔn)具21的A端，從法-皮(Fabry-Perot)標(biāo)準(zhǔn)具21的B 端的出射光入射至第四耦合器24中，第四耦合器24的尾纖與第三探測(cè)器53的光 纖FC卡頭連接；第三環(huán)形器313的A端與第三光柵323的入纖熔接，第三光柵 323的尾纖與隔離器34的入纖熔接,隔離器34的尾纖與第二光柵322的入纖熔接， 第二光柵322的尾纖與第三耦合器333的B端熔接，第三耦合器333的C端與第 四探測(cè)器54的光纖FC卡頭連接，第三耦合器333的A端與第二準(zhǔn)直器23的尾纖 熔接，第二準(zhǔn)直器23的出射光入射至法-皮(Fabry-Perot)標(biāo)準(zhǔn)具21的C端，從 法-皮(Fabry-Perot)標(biāo)準(zhǔn)具21的D端出射光入射至第五耦合器25中，第五耦合 器25的尾纖與第五探測(cè)器55的光纖FC卡頭連接。
在本發(fā)明中，所述光纖激光器釆用分布式半導(dǎo)體激光器(型號(hào)DFB — LD JDSU CQF938)，工作波長1550nm、線寬小于lMHz，具有光纖耦合輸出方式。
在本發(fā)明中，激光器U、第一摻鉺光纖放大器12、脈沖調(diào)制器13和第二摻鉺 光纖放大器14構(gòu)成光源1。光源1輸出光是經(jīng)兩級(jí)放大、并脈沖調(diào)制后的脈沖光， 其功率為0.8 1.2釅。
在本發(fā)明中，保偏光纖4釆用PMF-1550-8/125-0.4-L熊貓型保偏單模光纖，數(shù) 值孔徑NA二O.ll,芯徑8.7〃附。
在本發(fā)明中，第一光纖光柵321、第二光纖光柵322和第三光纖光柵323中心 波長1550.92腦，濾波帶寬0.12鵬，反射率98%;第四光纖光柵324的中心工 作波長1550"m，濾波帶寬0.12"m,反射率99.4%。
在本發(fā)明中，隔離器34的隔離度為>60必@1550.92±80"附。
在本發(fā)明中，第一耦合器331、第二耦合器332和第三耦合器333為1X2型 的光纖熔融耦合器，其分束比例為30/70;第四耦合器24采用自帶尾纖型光纖耦合 鏡，焦距為21.7m附、出射光束直徑為4.8m附、發(fā)散角為0.42mraJ;第五耦合器 25采用自帶尾纖型光纖耦合鏡，焦距為16.8wm、出射光束直徑為3.38m附、發(fā)散 角為0.34 mrad 。
在本發(fā)明中，第一準(zhǔn)直器22采用自帶尾纖型光纖準(zhǔn)直鏡，焦距為12.4mm、出 射光束直徑為2.75mm、發(fā)散角為0.31mmd;第二準(zhǔn)直器23采用自帶尾纖型光纖 準(zhǔn)直鏡，焦距為15.3mm、出射光束直徑為3.8m附、發(fā)散角為0.24mrad。
在本發(fā)明中，第一探測(cè)器51、第二探測(cè)器52、第三探測(cè)器53、第四探測(cè)器54 和第五探測(cè)器55采用髙頻率響應(yīng)的InGaAs探測(cè)器組件。
在本發(fā)明中，恒溫溫箱3可以提供溫度為55"C的工作溫度，溫度精度為0.01 "的恒溫工作環(huán)境。
在本發(fā)明中，鑒頻器2由法-皮標(biāo)準(zhǔn)具21、第一準(zhǔn)直器22、第二準(zhǔn)直器23、第 一耦合器24和第二耦合器25構(gòu)成;第一準(zhǔn)直器22的出射光入射到法-皮標(biāo)準(zhǔn)具21 的A端(即瑞利通道入口端)，并從法-皮標(biāo)準(zhǔn)具21的B端(即瑞利通道出口端)出 射到第一耦合器24中，經(jīng)第一耦合器24耦合后進(jìn)入第三探測(cè)器53中；第二準(zhǔn)直 器23的出射光入射到法-皮標(biāo)準(zhǔn)具21的C端(即布里淵通道入口端)，并從法-皮標(biāo) 準(zhǔn)具21的D端(即布里淵通道出口端)出射到第二耦合器25中，經(jīng)第二耦合器 25耦合后進(jìn)入第五探測(cè)器55中。
法-皮標(biāo)準(zhǔn)具21的A端與B端形成瑞利通道，C端與D端形成布里淵通道；在 同一基板上制作具有雙通道標(biāo)準(zhǔn)具，使得雙通道的腔長和反射率不等，可形成具有固 定頻率間隔的鑒頻器。其中，布里淵通道用作高分辨率鑒頻通道，將待測(cè)量的應(yīng)力信 息轉(zhuǎn)變成布里淵信號(hào)在法-皮標(biāo)準(zhǔn)具21上的透過率變化，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的快速、直 接檢測(cè)。瑞利通道用來測(cè)量激光器11的出射激光相對(duì)于鑒頻器2的頻率；本發(fā)明光 纖分布式直接同時(shí)傳感溫度和應(yīng)力的裝置在實(shí)現(xiàn)大溫度0 40CTC范圍檢測(cè)時(shí)，瑞利 通道還用于預(yù)設(shè)激光器11的出射激光相對(duì)于鑒頻器2的頻率偏置Au。^(r)。
在本發(fā)明中，法-皮Fabiy-Perot標(biāo)準(zhǔn)具21的口徑為50mm,而單路入射到標(biāo) 準(zhǔn)具的光束直徑小于5mm，從而可以在同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具上安裝約20路的光纖傳感光 路。便于實(shí)現(xiàn)多路光纖網(wǎng)絡(luò)(二維或三位空間的)的溫度和應(yīng)力的同時(shí)傳感。
本發(fā)明通過先使用拉曼散射譜檢測(cè)溫度，然后，在已知溫度條件下，應(yīng)用布里淵 散射譜探測(cè)應(yīng)力信息。
在本發(fā)明中，瑞利通道順次由第二耦合器332、第一準(zhǔn)直器22、法-皮 (Fabry-Perot)標(biāo)準(zhǔn)具21和第四耦合器24構(gòu)成；該通道用于測(cè)量第二摻鉺光纖 放大器14輸出的激光脈沖相對(duì)于鑒頻器2的頻率；以及在實(shí)現(xiàn)溫度0 40(TC范圍 內(nèi)測(cè)量時(shí)通過調(diào)節(jié)鑒頻器2中法-皮(Fabry-Perot)標(biāo)準(zhǔn)具21的腔長，可以預(yù)設(shè)激 光器11出射光相對(duì)于鑒頻器2的頻率偏置。
在本發(fā)明中，布里淵通道順次由第三環(huán)形器313、第三光纖光柵323、隔離器 34、第二光纖光柵322、第三耦合器333、第二準(zhǔn)直器23、法-皮(Fabiy-Perot) 標(biāo)準(zhǔn)具21、第五耦合器25、第四探測(cè)器54和第五探測(cè)器55構(gòu)成；該通道將待測(cè) 量的應(yīng)力信息轉(zhuǎn)變成布里淵信號(hào)在法-皮(Fabry-Perot)標(biāo)準(zhǔn)具21上的透過率變化，
從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的快速、直接檢測(cè)。
在本發(fā)明中，拉曼通道順次由波分復(fù)用器38、第四光纖光柵324和第一探測(cè)器 51構(gòu)成；通過測(cè)量脈沖信號(hào)在光纖4中的拉曼散射，根據(jù)該拉曼散射的強(qiáng)度隨溫度 的變化可測(cè)量溫度隨光纖4的軸向分布。
第一探測(cè)器5i用于檢測(cè)拉曼通道的拉曼信號(hào)光強(qiáng)y;。
第二探測(cè)器52用于檢測(cè)瑞利信號(hào)^在入射至鑒頻器2前的光強(qiáng)/2,在本發(fā)明 中，簡寫為瑞利光強(qiáng)/2。
第三探測(cè)器53用于檢測(cè)瑞利信號(hào)透過鑒頻器2中的瑞利通道后的光強(qiáng)/3 ,在 本發(fā)明中，簡寫為瑞利信號(hào)透過光強(qiáng)/3。
第四探測(cè)器54用于檢測(cè)布里淵信號(hào)A在入射至鑒頻器2前的光強(qiáng)/4,在本發(fā) 明中，簡寫為布里淵光強(qiáng)/4。
第五探測(cè)器55用于檢測(cè)布里淵信號(hào)/5透過鑒頻器2中的布里淵通道后的光強(qiáng) /5，在本發(fā)明中，簡寫為布里淵信號(hào)透過光強(qiáng)/5。
參見圖2所示，在本發(fā)明中，應(yīng)力探測(cè)以布里淵散射譜為應(yīng)力探測(cè)對(duì)象，圖中， A號(hào)線是指參考溫度25"C,應(yīng)力0/^時(shí)的布里淵散射譜、B號(hào)線是指參考溫度25
°c，應(yīng)力2000〃f時(shí)的布里淵散射譜、c號(hào)線是指參考溫度Aocrc,應(yīng)力0/^時(shí)的
布里淵散射譜、D號(hào)線是指參考溫度40(TC，應(yīng)力2000/^時(shí)的布里淵散射譜，如
圖可知，溫度和應(yīng)力都將引起布里淵散射譜的展寬和向高頻方向的移動(dòng)。溫度引起布 里淵散射譜的頻移速率為1.37M/fe/°C，溫度引起布里淵散射譜的展寬速率為 0.15M/fe/°C。；應(yīng)力引起的展寬速率為0.058M/fe///s ，應(yīng)力引起的頻移速率為 0.077 M/fe///"
參見圖3所示，在本發(fā)明中，采用實(shí)測(cè)瑞利信號(hào)透過率7^ = /3//2和已標(biāo)定的 瑞利通道透過率曲線，可以獲得激光器11的出射光相對(duì)于鑒頻器2的頻率u。。采用 布里淵信號(hào)透過率7i = /5//4和已標(biāo)定的布里淵通道透過率曲線，可以獲得光纖中待 測(cè)量的應(yīng)力信息f。圖中，A號(hào)線是指標(biāo)定的瑞利通道透過率曲線，B號(hào)線是指布里 淵通道透過率曲線。A號(hào)線比B號(hào)線的中心頻率高出200M/fe，故設(shè)定出射激光相 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)具的頻率偏置時(shí)，出射激光始終處于A號(hào)線的陡峭邊緣上。
參見圖4所示，圖中，A號(hào)線是指標(biāo)定的瑞利通道透過率曲線、B號(hào)線是指布里 淵通道透過率曲線、C號(hào)線是指參考溫度25X:，應(yīng)力0/^時(shí)的布里淵散射譜、D號(hào) 線是指參考溫度25。C,應(yīng)力2000/is時(shí)的布里淵散射譜，由圖可以看出，當(dāng)已知溫 度條件下，應(yīng)力將使布里淵散射譜向高頻方向移動(dòng)，且不斷展寬。但在已使用拉曼信 號(hào)測(cè)得溫度時(shí)，布里淵散射信號(hào)在布里淵通道上的透過率函數(shù)i^(s)單調(diào)變化，如圖
5所示。測(cè)得布里淵散射信號(hào)在布里淵通道上的透過率2; = /5//4，則可以反演應(yīng)力信息。
參見圖5所示，在布里淵光時(shí)域反射技術(shù)(BOTDR)中，認(rèn)為釆用"熊貓型" 保偏光纖作為傳感元件，可以達(dá)到較高測(cè)量靈敏度。本發(fā)明提出的應(yīng)力檢測(cè)方法中的 響應(yīng)函數(shù)i^(f)與選用光纖的布里淵后項(xiàng)散射譜特性有關(guān)，本發(fā)明提出采用"熊貓型" 保偏光纖作為傳感元件。由于"熊貓型"保偏光纖的布里淵后項(xiàng)散射譜隨應(yīng)力的增大 而變寬，使得響應(yīng)函數(shù)i^(s)的斜率變大，系統(tǒng)探測(cè)靈敏度增大。圖中，當(dāng)光纖軸向 應(yīng)力在2000/^內(nèi)變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的"領(lǐng)結(jié)型"保偏光纖的響應(yīng)函數(shù)變化范圍為26 45%;而對(duì)應(yīng)的"熊貓型"保偏光纖的響應(yīng)函數(shù)變化范圍為12~48%。從而"熊貓 型"保偏光纖的探測(cè)靈敏度更高。
參見圖6所示，相對(duì)于相干檢測(cè)方法中要求頻率逐步掃描的特性，為了保持傳 感器測(cè)量精度，掃描步長必須很小5M/fe;為了保持測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，掃描范圍必須 很大lG/fe。因此，該相干檢測(cè)單次測(cè)量耗時(shí)約為8 20min。在實(shí)際工作中，較多
應(yīng)用場(chǎng)合要求測(cè)量瞬變溫度和應(yīng)力信息，為了解決以上耗時(shí)時(shí)間長的矛盾，本發(fā)明提出將應(yīng)力信息e轉(zhuǎn)變成布里淵信號(hào)在鑒頻器2上的透過率值Rw(e)，從而實(shí)現(xiàn)了直 接探測(cè)，無需頻率掃描，耗時(shí)短，單次測(cè)量只需0.1 10s (具體單次測(cè)量時(shí)間取決 于測(cè)量精度的要求)。本發(fā)明與相干檢測(cè)方法相比，可避免相干檢測(cè)時(shí)諸多潛在噪聲 源(相干檢測(cè)時(shí)，光源出射功率起伏，光源出射頻率漂移，聲光調(diào)制器和電光調(diào)制器 的頻率不穩(wěn)定性都將直接引入測(cè)量誤差)；本發(fā)明提供的溫度和應(yīng)力檢測(cè)方法，避免使用聲光調(diào)制器和電光調(diào)制器，而且對(duì)光源的頻率漂移和光源自身的強(qiáng)度起伏不敏感。圖中，A號(hào)線是指標(biāo)定的瑞利通道透過率曲線、B號(hào)線是指布里淵通道透過率曲 線、E號(hào)線是指光纖在參考溫度25"C，無應(yīng)力時(shí)的布里淵散射譜、F號(hào)線是指光纖 在參考溫度250°C ，無應(yīng)力時(shí)的布里淵散射譜、G號(hào)線是指光纖在參考溫度40CTC ， 無應(yīng)力時(shí)的布里淵散射譜。由此可見，要實(shí)現(xiàn)、2000/^的測(cè)量范圍，只要設(shè)置出射 激光相對(duì)于鑒頻器2的頻率偏置，即可保證髙溫(小于等于400°C)探測(cè)時(shí)，布里 淵散射譜始終處于A號(hào)曲線的陡峭邊緣上，以達(dá)到高分辯率(1M/fe)的目的。實(shí)際探測(cè)時(shí)，鑒頻器的透過率曲線越窄，則測(cè)量靈敏度越高，伹是測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍 就越小。為了解決該矛盾，本發(fā)明提出頻率預(yù)偏置方法，解決了大溫度(0 40CTC) 范圍內(nèi)的高精度應(yīng)力測(cè)量問題，應(yīng)力測(cè)量范圍為0 2000g。本發(fā)明中設(shè)置了低精 度的瑞利通道和髙精度的布里淵通道。其中，高精度布里淵通道用于測(cè)量應(yīng)力信息e并保持高測(cè)量靈敏度；低精度的瑞利通道用于預(yù)設(shè)出射激光相對(duì)鑒頻器的頻率偏置Au。#ef。不同溫度下的頻率偏置Au。^通過改變法-皮標(biāo)準(zhǔn)具21的腔長來實(shí)現(xiàn)。頻率 預(yù)偏置方法可保證探測(cè)光纖4的布里淵后向散射譜始終處于法-皮標(biāo)準(zhǔn)具21的布里 淵通道的透過率曲線的陡峭邊緣上(如圖3所示中的A號(hào)線)，達(dá)到高精度探測(cè)目的。根據(jù)本發(fā)明具體的探測(cè)目標(biāo)譜的特性(布里淵散射譜對(duì)溫度和應(yīng)力同時(shí)敏感)， 設(shè)計(jì)了鑒頻器2結(jié)構(gòu)。本發(fā)明特征之一在于設(shè)置了鑒頻器中的瑞利通道，通過標(biāo)定 的出射激光在鑒頻器中的瑞利通道上的透過率函數(shù)Wu)和實(shí)際測(cè)得的出射激光在鑒 頻器中的瑞利通道上的透過率值^ =/3//2可以測(cè)量出射激光相對(duì)于鑒頻器2瑞利通 道的頻率偏置u。(參考值為234MHz)。普通設(shè)計(jì)時(shí)，釆用獨(dú)立的圓形通道結(jié)構(gòu)；實(shí)際使用時(shí)各個(gè)單通道標(biāo)準(zhǔn)具的腔長的 變化會(huì)引起標(biāo)準(zhǔn)具中心頻率的漂移，所以多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具之間的頻率間隔會(huì)隨機(jī)漂移，將導(dǎo)致嚴(yán)重的測(cè)量誤差。本發(fā)明公開了一種多種用途的標(biāo)準(zhǔn)具同一基板的技術(shù)。本發(fā)明 中的鑒頻器特征之一在于采用雙通道Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具為核心器件，其由兩塊平 行設(shè)置的圓形反射板組成。鏡片鍍膜時(shí)，左右兩個(gè)半圓通道的反射率不等，形成布里 淵通道和瑞利通道。在布里淵通道的前反射鏡的內(nèi)側(cè)半圓上鍍膜形成高度為27.9nm 臺(tái)階，使布里淵通道的腔長比瑞利通道的腔長略小，使布里淵通道透過率峰值對(duì)應(yīng)的 頻率比瑞利通道透過率峰值對(duì)應(yīng)的頻率高200M/fe (如圖3所示)。使用中，釆用本 發(fā)明公開的雙通道結(jié)構(gòu)，腔長漂移對(duì)200M/fe的頻率間隔將不會(huì)產(chǎn)生影響。所以測(cè) 得出射激光相對(duì)于鑒頻器2中瑞利通道的頻率偏置u。就可以計(jì)算出射激光相對(duì)于鑒 頻器2布里淵通道的頻率偏置^ (參考值為34M/fe)。在布里淵光時(shí)域反射技術(shù)(BOTDR)中，目前無法解決布里淵后向散射譜對(duì)溫 度和應(yīng)力交叉敏感的問題。本發(fā)明提出一種拉曼譜和布里淵譜同時(shí)檢測(cè)組合方式，解 決了溫度和應(yīng)力交叉敏感的問題。本發(fā)明中測(cè)得的對(duì)應(yīng)光纖長度丄處的拉曼后向散射 強(qiáng)度相對(duì)瑞利后向散射強(qiáng)度的變化值A(chǔ)^(丄)(即第一探測(cè)器51輸出功率/與第二探 測(cè)器52輸出功率/2比值的變化值)。根據(jù)光纖4的溫度響應(yīng)系數(shù)C;和溫度響應(yīng)特性 (A7;(丄)=A^(丄)C;)可以測(cè)量出在光纖4上長度丄處的相對(duì)參考值的溫度變化值。 本發(fā)明中將光纖4所受的軸向應(yīng)力轉(zhuǎn)化為已探測(cè)溫度下的布里淵后向散射在鑒頻器2中布里淵通道上的透過率信息，通過測(cè)量布里淵信號(hào)的透過率 ；=/5//4和已標(biāo)定布里淵通道對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)曲線(參見圖5)，可測(cè)量應(yīng)力信息e。本發(fā)明中設(shè)計(jì)了自校準(zhǔn)組件，即光纖4的前20m作為參考光纖32,且參考光 纖32置于恒溫溫箱3內(nèi)；光纖4的后10^作為探測(cè)光纖33，且探測(cè)光纖33置 于恒溫溫箱3外。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，恒溫溫箱3的預(yù)設(shè)溫度為25土0.rC，通過比較 預(yù)設(shè)溫度與參考光纖32測(cè)得的光纖溫度(在正常工作條件下，光纖溫度應(yīng)等于預(yù)設(shè) 溫度)，因此可以采用光纖溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)本發(fā)明裝置的測(cè)量結(jié)果。本發(fā)明將四個(gè)光纖光柵(第一光纖光柵321、第二光纖光柵322、第三光纖光 柵323和第四光纖光柵324)、三個(gè)環(huán)形器(第一環(huán)形器311、第二環(huán)形器312和 第三環(huán)形器313)、三個(gè)光纖耦合器(第一光纖耦合器331、第二光纖耦合器332 和第三光纖耦合器333)、波分復(fù)用器38和隔離器34置于恒溫溫箱3中，有效地 消除了環(huán)境溫度對(duì)本發(fā)明裝置穩(wěn)定性的影響。本發(fā)明光纖分布式溫度和應(yīng)力傳感裝置應(yīng)用的原理詳細(xì)說明如下一、 拉曼散射譜測(cè)定溫度拉曼散射功率只對(duì)溫度敏感，對(duì)應(yīng)力沒有響應(yīng)，且靈敏度近3倍大于布里淵散射 譜，因而，直接探測(cè)時(shí)，首先利用拉曼后向散射相對(duì)瑞利后向散射的功率比隨溫度的 變化來檢測(cè)溫度。記探測(cè)光纖33在光纖長度Z處相對(duì)參考溫度25'C的溫度變化為 A2;(Z) = A^(Z)CArfl(￡)，式中，A^(Z)是光纖長度丄處的拉曼后向散射相對(duì)瑞利后向散射的功率比變化(第一探測(cè)器51輸出功率與第二探測(cè)器52輸出功率比值的 變化)，C;是溫度響應(yīng)系數(shù)，由探測(cè)光纖33決定，在儀器校準(zhǔn)時(shí)可以測(cè)定。二、 應(yīng)力的測(cè)量相干檢測(cè)中，必須通過頻率掃描，同時(shí)檢測(cè)布里淵散射的功率、譜寬、頻移三個(gè) 物理量中的任意兩個(gè)，然后可以分別反演溫度和應(yīng)力信息。因?yàn)椴祭餃Y后向散射功率 受多種因素干擾，研究認(rèn)為使用"熊貓型"保偏光纖，同時(shí)檢測(cè)布里淵散射譜的頻移 和譜寬變化可以達(dá)到BOTDR技術(shù)的最高精度。本發(fā)明將溫度和應(yīng)力引起的布里淵散射譜特性(頻移、譜寬、功率)的變化轉(zhuǎn)換 為布里淵信號(hào)在高分辨率鑒頻器上的透過率的單調(diào)變化，從而實(shí)現(xiàn)溫度和壓力的同時(shí) 傳感。因?yàn)樽罱K檢測(cè)布里淵信號(hào)的透過率，信號(hào)的絕對(duì)強(qiáng)度只是影響測(cè)量的信噪比。布 里淵散射譜的頻移是探測(cè)光纖33所承受溫度r和軸向應(yīng)力e的函數(shù)，記為A(r，e)，且w(r,^^^(r。,f。)+c;、(r-:r。)+cjxs，式中，^(r。，f。卜ii.2G論為參考溫度 rQ =25^和無應(yīng)力狀態(tài)^ =0測(cè)得布里淵散射譜的頻移量，c:是探測(cè)光纖33的布里淵頻移的溫度響應(yīng)系數(shù)，且C:-1.37M7/zrC， C纟是探測(cè)光纖33的布里淵頻移的應(yīng) 力響應(yīng)系數(shù)，且CJ =0.077M/fe///￡ 。布里淵散射譜寬是探測(cè)光纖33所承受溫度r和軸向應(yīng)力e的函數(shù)，記為 A^(r,e)， 且 A^(r,s)-A^(r。，s。)+cfx(r—ro)+c-xs ， 式中， Aufl (r。,s。) = 71M他為參考溫度7; = 25°C和無應(yīng)力狀態(tài)f。 = o測(cè)得布里淵散射譜的 譜寬，Cf是探測(cè)光纖33的布里淵散射譜譜寬的溫度響應(yīng)系數(shù)，且《=0,15M/fe/°C ， 《是探測(cè)光纖33的布里淵散射譜譜寬的應(yīng)力響應(yīng)系數(shù)，且C- =0.058M/fe//^。在本發(fā)明中，由于采用差分測(cè)量技術(shù)，將溫度的應(yīng)力引起的布里淵散射譜的頻移
和譜展寬轉(zhuǎn)變?yōu)椴祭餃Y散射信號(hào)在鑒頻器2上的，通過測(cè)量該透過率達(dá)到反演應(yīng)力 信息。該反演過程與布里淵散射信號(hào)的強(qiáng)度無關(guān)，故將布里淵散射譜的峰值歸一化。歸一化后的布里淵后向散射譜函數(shù)記為sB(u，r,f)，且 ^(t;,:r,e)-Aw(r，f)2/J4[u—^(r，f)]2+A^(r^)2J，式中，u為入射光頻率。不同溫度和應(yīng)力條件下的歸一化布里淵散射譜曲線參見圖2所示。
在本發(fā)明中，鑒頻器2中Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具為核心器件，其布里淵通道用于檢 測(cè)應(yīng)力信息；其瑞利通道用于檢測(cè)出射激光相對(duì)鑒頻器2的頻率，在實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范 圍測(cè)量(寬溫度范圍0 40CrC、應(yīng)力范圍0 2000/^)時(shí)，通過測(cè)定出射激光頻 率在瑞利通道上的透過率，并調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)具21的腔長，從而可以預(yù)設(shè)出射激光相對(duì)鑒 頻器2的頻率偏置。Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的頻譜函數(shù)記A(u),且Wu) = ~^~f,(l-- sinP/{l + 4P￡2sin2[;rucose/urafl]/7r2}^ ， 式中，P為^nax V 及乂Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的光束入射角(測(cè)試時(shí)，光束正入射^ = 0，入射光束并非完全 準(zhǔn)直，最大發(fā)散角為^^-0.31mraJ); " 0.2%為標(biāo)準(zhǔn)具反射面的吸收損失；i 為標(biāo)準(zhǔn)具的反射率；i^為有效精細(xì)度；"為入射光頻率；^^為自由譜間距；M表示 對(duì)入射角^在最大發(fā)散角Pmax內(nèi)的積分。設(shè)計(jì)雙通道Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具曲線如圖3所示。Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具腔長 / = 27附附(其決定自由譜間距u柳二c/2"/， c為真空中的光速，"為標(biāo)準(zhǔn)具強(qiáng)內(nèi)介質(zhì) 折射率)。Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具由前后兩塊反射鏡組成，其中前反射鏡的右半圓比左 半圓高出28nm，通光口徑50mm。本文稱左通道為布里淵通道(B號(hào)線)，右通道 為瑞利通道(A號(hào)線)。左右通道的反射率R分別為59.6%和95.4%,其決定反射精細(xì)度(&=^^)。按照目前制造工藝水平，雙通道的缺陷精細(xì)度(&)均為 1 一200，從而有效精細(xì)度(&=(Fs-2+FD-2)_V2)分別為6和63。在本發(fā)明中，當(dāng)通過瑞利信號(hào)測(cè)得溫度&后，定義該測(cè)得溫度&下的應(yīng)力響應(yīng) 函數(shù)為及e&(s),且^^^)= f①&(u,rD,s)/^(i;)^/[&0;,:rD,f)^,式中，為布里淵通道的頻譜函數(shù)(如圖3中B號(hào)線所示)，d"表示對(duì)布里淵后向散射頻率u 的積分。雙通道Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的透過率曲線在布里淵散射譜頻率中心處的局 部顯示參見圖4所示。圖5為25。C時(shí)，"熊貓型"保偏光纖和"領(lǐng)結(jié)型"保偏光纖的應(yīng)力響應(yīng)曲線 及e、(s)。測(cè)定布里淵散射信號(hào)在布里淵通道(A號(hào)線)上的透過率7^=/5//4，解 非線性方程7; = ite^(s)則可測(cè)量應(yīng)力分布。三、大溫度動(dòng)態(tài)范圍的實(shí)現(xiàn)在直接檢測(cè)技術(shù)中，髙分辨率與大動(dòng)態(tài)范圍是一個(gè)突出矛盾，當(dāng)鑒頻器件的分辨 率越高，其透過率曲線斜率越大，伹半高寬就越小，對(duì)應(yīng)測(cè)量范圍越小。本發(fā)明公開 一種解決辦法。如圖6所示，40(TC溫度范圍對(duì)應(yīng)布里淵散射譜頻移的改變量接近 900MHz;設(shè)計(jì)應(yīng)力測(cè)量范圍2000//s ，其對(duì)應(yīng)布里淵散射譜頻移的改變量為 46MHz。故在形成高分辨率鑒頻通道的同一塊基板上鍍膜形成另一個(gè)參考通道(瑞 利通道)。瑞利通道的半高寬為lGHz。因?yàn)閮蓚€(gè)通道制作在同一塊基板上，所以兩 個(gè)通道沒有相對(duì)頻率誤差。為了使不同溫度下的布里淵散射譜處于鑒頻通道(A號(hào)線) 的陡峭邊緣上，可以調(diào)節(jié)參考通道(B號(hào)線)相對(duì)出射激光的頻率間隔。因?yàn)殡p通道 的腔長一致，且增大腔長可以使得標(biāo)準(zhǔn)具中心頻率下移，頻移量Au。^與腔長增量A/的關(guān)系為^^ = -式中，"一"號(hào)表示當(dāng)要求標(biāo)準(zhǔn)具21相對(duì)出射激光的頻率上移時(shí)，腔長需要縮短。在本發(fā)明中，當(dāng)探測(cè)光纖33某一段的應(yīng)力分布時(shí)，可以首先由拉曼散射譜測(cè)得溫度r。；然后由布里淵散射譜的頻移w (r, s) = w (rQ, &)+<^ x (r - rQ)+c> e可知該 溫度下、無應(yīng)力狀態(tài)引起的布里淵頻移量^(7^,0)，并由此可知標(biāo)準(zhǔn)具相對(duì)出射激光 的頻率上移值A(chǔ) 加,(r) = ^(7^,0)-^(7;,0)。在本發(fā)明中，可以由頻移量Au一與腔長增量A/的關(guān)系^f^-;，以及標(biāo)準(zhǔn)具相對(duì)出射激光的頻率上移值A(chǔ)u。, (r) = a (rD ， o) - & (rQ, o)可知溫度值對(duì)應(yīng)的腔長增量。通過調(diào)制Fabry二Perot標(biāo)準(zhǔn)具中壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的電壓值，可以將腔長精確 到O.lnm，對(duì)應(yīng)頻率誤差0.71MHz (對(duì)應(yīng)應(yīng)力測(cè)定誤差約31/^)。但是，實(shí)際測(cè)量 中，通過測(cè)量出射光在參考通道上的透過率值可知出射激光相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)具中心的頻率， 從而消除該項(xiàng)誤差。
本發(fā)明光纖分布式溫度和應(yīng)力傳感裝置的特點(diǎn)1. 本發(fā)明裝置和已有的光纖分布式傳感相干檢測(cè)系統(tǒng)相比，其結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性 好，可避免相干檢測(cè)時(shí)諸多潛在噪聲源(相干檢測(cè)時(shí)，光源出射功率，光源出射頻率，聲光調(diào)制或電光調(diào)制頻率的不穩(wěn)定性都將直接引入測(cè)量誤差)；采用差分直接檢測(cè)技術(shù)鑒頻，對(duì)光源的頻率漂移，信號(hào)強(qiáng)度的起伏不敏感。2. 無需頻率掃描，時(shí)間分辨率髙(10Hz),適用瞬變環(huán)境檢測(cè)。3. 測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大(400'C溫度范圍、應(yīng)力測(cè)量范圍2000ue)。4. 后期數(shù)據(jù)處理簡單，無需大量復(fù)雜計(jì)算。5. Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的口徑50mm,而單路入射到標(biāo)準(zhǔn)具的光束直徑小于 5mm，從而可以在同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具上安裝約20路的光纖傳感光路。便于實(shí)現(xiàn)多 路光纖網(wǎng)絡(luò)同時(shí)傳感溫度和應(yīng)力。
權(quán)利要求
1、一種光纖分布式溫度和應(yīng)力傳感裝置，其特征在于光纖激光器(11)輸出尾纖與第一摻鉺光纖放大器(12)的入纖熔接，第一摻鉺光纖放大器(12)的尾纖與脈沖調(diào)制器(13)的入纖熔接，脈沖調(diào)制器(13)的尾纖與第二摻鉺光纖放大器(14)的入纖熔接；第二摻鉺光纖放大器(14)的尾纖與第一環(huán)形器(311)的A端熔接，第一環(huán)形器(311)的C端與第一光纖光柵(321)熔接，第一環(huán)形器(311)的B端與第一耦合器(331)的A端熔接；第一耦合器(331)的B端與第二環(huán)形器(312)的A端熔接，第二環(huán)形器(312)的B端與偏振控制器(31)的入纖熔接，偏振控制器(31)的尾纖熔接有一段作為探測(cè)器用的保偏光纖(4)；第一耦合器(331)的C端與第二耦合器(332)的C端熔接，第二耦合器(332)的D端與第二探測(cè)器(52)的光纖FC卡頭連接；第二環(huán)形器(312)的C端與波分復(fù)用器(38)的A端熔接，波分復(fù)用器(38)的C端與第四光纖光柵(324)的入纖熔接，第四光纖光柵(324)的出射尾纖與第一探測(cè)器(51)的光纖FC卡頭連接，波分復(fù)用器(38)的B端與第三環(huán)形器(313)的B端熔接；第三環(huán)形器(313)的C端與第二耦合器(332)的B端熔接；第二耦合器(332)的A端與第一準(zhǔn)直器(22)的尾纖熔接，第一準(zhǔn)直器(22)的出射光入射至法-皮標(biāo)準(zhǔn)具(21)的A端，從法-皮標(biāo)準(zhǔn)具(21)的B端的出射光入射至第四耦合器(24)中，第四耦合器(24)的尾纖與第三探測(cè)器(53)的光纖FC卡頭連接；第三環(huán)形器(313)的A端與第三光柵(323)的入纖熔接，第三光柵(323)的尾纖與隔離器(34)的入纖熔接，隔離器(34)的尾纖與第二光柵(322)的入纖熔接，第二光柵(322)的尾纖與第三耦合器(333)的B端熔接，第三耦合器(333)的C端與第四探測(cè)器(54)的光纖FC卡頭連接；第三耦合器(333)的A端與第二準(zhǔn)直器(23)的尾纖熔接，第二準(zhǔn)直器(23)的出射光入射至法-皮標(biāo)準(zhǔn)具(21)的C端，從法-皮標(biāo)準(zhǔn)具(21)的D端出射光入射至第五耦合器(25)中，第五耦合器(25)的尾纖與第五探測(cè)器(55)的光纖FC卡頭連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖分布式溫度和應(yīng)力傳感裝置，其特征在于激光器(11)、第一摻鉺光纖放大器(12)、脈沖調(diào)制器(13)和第二摻鉺光纖放大器 (14)構(gòu)成光源(1);光源(1)輸出光是經(jīng)兩級(jí)放大、并脈沖調(diào)制后的脈沖光， 其功率為0.8~1.2『。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖分布式溫度和應(yīng)力傳感裝置，其特征在于法-皮標(biāo) 準(zhǔn)具(21)、第一準(zhǔn)直器(22)、第二準(zhǔn)直器(23)、第一耦合器(24)和第二耦 合器(25)構(gòu)成鑒頻器(2);第一準(zhǔn)直器(22)的出射光入射到法-皮標(biāo)準(zhǔn)具(21) 的A端，并從法-皮標(biāo)準(zhǔn)具(21)的B端出射到第一耦合器(24)中，經(jīng)第一耦 合器(24)耦合后進(jìn)入第三探測(cè)器(53)中；第二準(zhǔn)直器(23)的出射光入射 到法-皮標(biāo)準(zhǔn)具(21)的C端，并從法-皮標(biāo)準(zhǔn)具(21)的D端出射到第二耦合 器(25)中，經(jīng)第二耦合器(25)耦合后進(jìn)入第五探測(cè)器(55)中。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖分布式溫度和應(yīng)力傳感裝置，其特征在于由第三環(huán) 形器(313)、第三光纖光柵(323)、隔離器(34)、第二光纖光柵(322)、第 三耦合器(333)、第二準(zhǔn)直器(23)、法-皮標(biāo)準(zhǔn)具(21)、第五耦合器(25)、 第四探測(cè)器(54)和第五探測(cè)器(55)構(gòu)成布里淵通道。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖分布式溫度和應(yīng)力傳感裝置，其特征在于由第二耦 合器(332)、第一準(zhǔn)直器(22)、法-皮標(biāo)準(zhǔn)具(21)和第四耦合器(24)構(gòu)成 瑞利通道。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光纖分布式溫度和應(yīng)力傳感裝置，其特征在于由波分復(fù) 用器(38)、第四光纖光柵(324)和第一探測(cè)器(51)構(gòu)成拉曼通道。
7、 根據(jù)禾又利要求1所述的光纖分布式溫度和應(yīng)力傳感裝置，其特征在于所述保偏 光纖(4)的前20米稱作參考光纖(32)，后IOOOO米稱作探測(cè)光纖(33)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖分布式溫度和應(yīng)力傳感裝置，其特征在于第一光纖 光柵(321)、第二光纖光柵(322)和第三光纖光柵(323)中心波長1550.92 "/ ， 濾波帶寬0.12腦，反射率98。/。;第四光纖光柵(324)的中心工作波長1550腦， 濾波帶寬0.12"m，反射率99.4%。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖分布式溫度和應(yīng)力傳感裝置，其特征在于第一耦合 器(331)、第二耦合器(332)和第三耦合器(333)為1x2型的光纖熔融耦 合器，其分束比例為30/70;第四耦合器(24)采用自帶尾纖型光纖耦合鏡，焦 距為21.7mm、出射光束直徑為4.8mm、發(fā)散角為0.42mrac/;第五耦合器(25) 采用自帶尾纖型光纖耦合鏡，焦距為16.8mm、出射光束直徑為3.38m附、發(fā)散 角為0.34wrad。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖分布式溫度和應(yīng)力傳感裝置，其特征在于第一探測(cè)器(si)用于檢測(cè)拉曼通道的拉曼信號(hào)光強(qiáng)y;;第二探測(cè)器(52)用于檢測(cè)瑞利信號(hào)^在入射至鑒頻器(2)前的瑞利光強(qiáng)/2; 第三探測(cè)器(53)用于檢測(cè)瑞利信號(hào)^透過鑒頻器(2)中的瑞利通道后的瑞利 信號(hào)透過光強(qiáng)/3;第四探測(cè)器(54)用于檢測(cè)布里淵信號(hào)4在入射至鑒頻器(2)前的布里淵光強(qiáng)/"第五探測(cè)器(55)用于檢測(cè)布里淵信號(hào)/,透過鑒頻器(2)中的布里淵通道后的光強(qiáng)/5。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖分布式溫度和應(yīng)力傳感裝置，主要包括有光源(1)、鑒頻器(2)、恒溫溫箱(3)這三個(gè)模塊，各模塊之間全部采用保偏光纖連接。本發(fā)明是基于光纖拉曼散射作為溫度信息載波、布里淵散射作為應(yīng)力信息載波、利用瑞利散射測(cè)定出射激光相對(duì)鑒頻器頻率并進(jìn)行頻率偏置的、利用Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行鑒頻的、同時(shí)分布式傳感溫度和應(yīng)力的直接探測(cè)方法。其結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，可避免相干檢測(cè)時(shí)光源出射功率、光源出射頻率、聲光調(diào)制或電光調(diào)制頻率的不穩(wěn)定性都將直接引入測(cè)量誤差，采用差分直接檢測(cè)技術(shù)鑒頻，對(duì)光源的頻率漂移，信號(hào)強(qiáng)度的起伏不敏感。
文檔編號(hào)G01D5/353GK101158592SQ200710175868
公開日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2007年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月15日
發(fā)明者夏海云, 楊遠(yuǎn)洪, 牟宏謙 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)