专利名称：同时检测温度和应变的分布式光纤布里渊传感装置和方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感器，特别是ー种同时检测温度和应变的分布式光纤布里渊传感装置和方法。
背景技术：
分布式光纤传感器由于具有抗电磁干扰能力強、电绝缘性好、可分布式传感等诸多优点，在エ业、国防等领域均有广阔应用前景。基于自发布里渊散射的光纤分布式传感器 (以下简称为B0TDR)传感距离长，单端入射。该分布式光纤传感器将能够在大型结构如管道、近海石油平台、油井、大坝、堤坝、桥梁、建筑物、隧道、电缆等领域得到广泛的应用。传感光纤中后向布里渊散射光频谱的幅度、拍频频率和外界的温度、应カ变化成线性关系T. Horiguchi, T. Kurashima, and M. Tateda, Thermal effects on Brillouin frequency shift in jacketed optical silica fibers. Applied Optics, Vol.29, 2219-2222，1990.T.Horiguchi， T.Kurashima, and M.Tateda, Tensile strain dependence of Brillouin frequency shift in silica optical fibers. IEEE Photonics Technology Letters，Vol. 1，107-108，1989.
通过探测布里渊频谱信号的幅度和拍频频率，解调后可知传感光纤分布区域的温度和应变的变化情況。和注入光相比，自发布里渊散射光的频率向下移动 11GHz，所以一般釆用相干检测的方法JihongGeng，Sean Staines, MikeBlake， and Shibin Jiang, Distributed fiber temperature and strain sensor using coherent radio-frequency detection of spontaneous Brillouin scattering. Applied Optics，vol. 46，5928-5932，2007.
相干检测中不可避免的问题是偏振衰落Wang F.，Li C L，Zhao X D，Zhang X P. Using a Mach-Zehnder-interference-based passive configuration to eliminate the polarization noise in Brillouin optical time domain ref lectometry. Applied Optics，Vol. 51，176—180，2012.，检测到的拍信号幅度受偏振的影响产生很大的波动，导致温度和应变的測量結果不精确。目前BOTDR系统中温度和应变同时检测的方案主要有在先方案之一是基于消偏振衰落技术的相干检测Diren Liu，Muping Song， Xianmm /,hang. Polarization insensitive coherent detection ior Briliouin scattering spectrum in B0TDR. Optics Communications，vol. 254，168-172，2005。该方案在本地光中加入电控偏振开关产生交替的正交偏振本地光，和光纤中的后向自发布里渊散射光拍频，后继的信号处理将相邻正交的信号做均方根处理，来降低幅度信号的波动。通过相对稳定的幅度信号和频率信号，能够解调出温度和应变的变化。但是该方案中幅度信号的稳定效果有限，并不能完全抑制幅度信号的波动。在先方案之ニ是BOTDR分布式传感和光纤光栅传感器结合的方案A. Sun, Y. Semenova,G. Farrell,B. Chen,G. Li，Z. Lin. BOTDR integrated with FBG sensor array for distributed strain measurement. Electronics Letters，vol. 46，66-67，2010]。该方案在传感光纤中加入诸多的布拉格光纤光栅，光纤光栅的反射波长同时也受到温度和应变的影响。BOTDR中的布里渊散射光谱的频率也同时受到温度和应变的影响，二者结合之后可组成ニ元一次方程组，解调之后可精确探测传感光纤沿线的光纤光栅所在位置处的应力。但是在该方案中，温度和应カ的检测不是连续分布的，只能对某些安装光纤光栅的重点位置进行检测，且传感距离有限。在先方案之三是BOTDR和分布式拉曼散射传感结合的方案Gabriele Bolognini. Fiber-Optic Distributed Sensor Based on Hyorid Raman and Brillouin Scattering Employing Multi-wavelength Fabry-Perot Lasers. IEEE Photonics Technology letters, Vol. 21，1523-1525，2009.。该方案利用光纤中自发布里渊散射光光谱拍频频率同时受温度和应变的影响，和自发拉曼散射光的光谱强度仅受外界温度的影响。二者共同探测可获得分布式传感光纤沿线的温度和应变分布。但是在该方案中，信号的解调比较复杂自发拉曼散射光需要用光纤光栅滤波器从所有后向散射信号中滤除出来， 同时还需要探測后向瑞利散射信号的光強，以获得拉曼散射对应的温度信号；而自发布里渊散射利用相干检测的方法解调，获得布里光信号频谱的拍频频率变化量，利用之前的解调出的温度信号，可知外界的应カ变化。信号的解调难度和复杂程度限制了该方案的实际应用。
发明内容
本发明的目的是提出ー种同时检测温度和应变的分布式光纤布里渊传感装置和方法。该装置不仅可以同时检测传感区域温度和应变的变化，还可提高自发布里渊散射的光纤分布式传感器的检测精度。本发明的核心思想是光纤中自发布里渊散射和外界的温度、应变成线性关系。通过检测自发布里渊散射光的相关參数的变化，以得传感区域的信息。利用1X2或2X2光开关，两种不同类型光纤所构成的复合传感光纤和BOTDR系统的单根输出光纤相连。两种类型的光纤中自发布里渊散射光受外界温度和应变的影响不同，因此只需探測两种传感光纤中自发布里渊散射光光谱的拍频频率，而无需探测其强度，即可精确地解调出温度和应 カ变化。本发明的技术能解决方案如下ー种同时检测温度和应变的分布式光纤布里渊传感装置，特点在于其构成包括光源，在光源的输出端接第一光纤I禹合器的输入端，该第一光纤I禹合器的第一输出端接幅度调制器的输入端，该幅度调制器的输出端接光纤环行器的第一端ロ(41)，该光纤环行器的第二端ロ接光开关的输入端，该光纤环行器的第三端ロ接第二光纤耦合器的第一输入端， 该光开关的第一输出端接复合传感光纤中的温度传感光纤，该光开关的第二输出端接复合传感光纤中的普通传感光纤；所述的第一光纤耦合器的第二输出端接移频单元的输入端，该移频単元的输出端接第二光纤耦合器的第二输入端，该第二光纤耦合器的输出端接平衡探測器，该平衡探測器的输出端经微波放大器、数据采集卡接数据处理器的输入端。所述的光源为1550nm波段的分布反馈式(DFB)激光器、光纤激光器或其它窄线宽的激光器。所述的光幅度调制器为声光调制器或电光调制器。
所述的第一耦合器为1X2或2X2型；所述的第二耦合器是2X2型或2x1型，分光比为1:1。所述的复合传感光纤是将所述的普通传感光纤和温度传感光纤封装在同一个热缩套管中构成。所述的温度传感光纤是放置在充满油膏的钢套中的光纤构成，避免光纤受到外界应カ应变的影响。利用上述分布式光纤布里渊传感装置进行温度和应变检测的方法，包括下列步骤①启动光源，在ー个特定的室温或基准温度下，拨动所述的光开关，使从所述的光纤环行器的第二端ロ输出的光经光开关的第一输出端进入复合传感光纤中的温度传感光纤，通过所述的数据采集卡采集光谱信号，获得拍频频率4并输入数据处理器；②启动光源，在ー个特定的室温或基准温度下和无应カ的条件下，拨动所述的光开关，使从所述的光纤环行器的第二端ロ输出的光经光开关的第二输出端进入复合传感光纤中的普通传感光纤,通过所述的数据采集卡采集光谱信号,获得拍频频率f的并输入数据处理器；③在工作环境下，启动光源，拨动所述的光开关，使从所述的光纤环行器的第二端 ロ输出的光经光开关的第一输出端进入复合传感光纤中的温度传感光纤，通过所述的数据采集卡采集光谱信号，获得拍频频率も并输入数据处理器；④在工作环境下，启动光源，拨动所述的光开关，使从所述的光纤环行器的第二端 ロ输出的光经光开关的第二输出端进入复合传感光纤中的普通传感光纤，通过所述的数据采集卡采集光谱信号，获得拍频频率f2并输入数据处理器；⑤所述的数据处理器进行数据处理，利用下列公式得到外界温度的变化AT和应变的变化A e
Af1 = frf01, Af2 = f2-fQ2,将其代入下列方程组中 (Af^CTrAT + CerAs [Af2=CT2-AT + Cs2-Ae
权利要求
1.ー种同时检测温度和应变的分布式光纤布里渊传感装置，特征在于其构成包括光源(I)，在光源(I)的输出端接第一光纤稱合器(2)的输入端，该第一光纤稱合器(2)的第一输出端接幅度调制器(3)的输入端，该幅度调制器(3)的输出端接光纤环行器(4)的第一端ロ(41)，该光纤环行器(4)的第二端ロ(42)接光开关(5)的输入端(51)，该光纤环行器(4)的第三端ロ(43)接第二光纤I禹合器(8)的第一输入端,该光开关(5)的第一输出端(52)接复合传感光纤(6)中的温度传感光纤(61),该光开关(5)的第二输出端(53)接复合传感光纤出)中的普通传感光纤(62)；所述的第一光纤耦合器(2)的第二输出端接移频单元(7)的输入端，该移频単元(7) 的输出端接第二光纤I禹合器(8)的第二输入端，该第二光纤I禹合器(8)的输出端接平衡探测器(9)，该平衡探測器(9)的输出端经微波放大器(10)、数据采集卡(11)接数据处理器(12)的输入端。
2.根据权利要求I所述的分布式光纤布里渊传感装置，其特征在于所述的光源(I)为 1550nm波段的分布反馈式激光器、光纤激光器或其它窄线宽的激光器。
3.根据权利要求I所述的分布式光纤布里渊传感装置，其特征在于所述的光幅度调制器(3)为声光调制器或电光调制器。
4.根据权利要求I所述的分布式光纤布里渊传感装置，其特征在于所述的第一耦合器 ⑵为1X2或2X2型；所述的第二耦合器⑶是2X2型或2x1型，分光比为I : I。
5.根据权利要求I所述的分布式光纤布里渊传感装置，其特征在于所述的复合传感光纤(6)是将所述的普通传感光纤￠2)和温度传感光纤￠1)封装在同一个热缩套管中构成。
6.根据权利要求I所述的分布式光纤布里渊传感装置，其特征在于所述的温度传感光纤(61)是放置在充满油膏的钢套中的光纤构成，避免光纤受到外界应カ应变的影响。
7.利用权利要求I所述的分布式光纤布里渊传感装置进行温度和应变检测的方法，其特征在于该方法包括下列步骤①启动光源(I)，在ー个特定的室温或基准温度下，拨动所述的光开关(5)，使从所述的光纤环行器(4)的第二端ロ(42)输出的光经光开关(5)的第一输出端(52)进入复合传感光纤出)中的温度传感光纤(61)，通过所述的数据采集卡(11)采集光谱信号，获得拍频频率fcu并输入数据处理器(12)；②启动光源(I)，在ー个特定的室温或基准温度下和无应カ的条件下，拨动所述的光开关(5),使从所述的光纤环行器(4)的第二端ロ(42)输出的光经光开关(5)的第二输出端(53)进入复合传感光纤￠)中的普通传感光纤(62)，通过所述的数据采集卡(11)采集光谱信号，获得拍频频率U并输入数据处理器(12)；③在工作环境下，启动光源(I)，拨动所述的光开关(5)，使从所述的光纤环行器(4)的第二端ロ(42)输出的光经光开关(5)的第一输出端(52)进入复合传感光纤(6)中的温度传感光纤(61)，通过所述的数据采集卡(11)采集光谱信号，获得拍频频率も并输入数据处理器(12)；④在工作环境下，启动光源(I)，拨动所述的光开关(5)，使从所述的光纤环行器(4)的第二端ロ(42)输出的光经光开关(5)的第二输出端(53)进入复合传感光纤(6)中的普通传感光纤(62)，通过所述的数据采集卡(11)采集光谱信号，获得拍频频率f2并输入数据处理器(12)；⑤所述的数据处理器(12)进行数据处理，利用下列公式得到外界温度的变化A T和应变的变化A e Af1 = frf01, Af2 = f2-fQ2,将其代入下列方程组中
全文摘要
一种同时检测温度和应变的分布式光纤布里渊传感装置和方法。该方法基于光纤中自发布里渊散射的频移变化和外界的温度、应变变化之间的线性关系，采用两根不同类型的传感光纤组成复合传感光纤，利用两种光纤对外的温度、应力变换不同的响应，可同时分辨温度和应变的变化量。本发明不仅可以同时检测传感区域温度和应变的变化，还可提高自发布里渊散射的光纤分布式传感器的检测精度。
文档编号G01B11/16GK102607621SQ20121008846
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月29日 优先权日2012年3月29日
发明者叶青, 潘政清, 瞿荣辉, 蔡海文, 郝蕴琦 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所