专利名称：一种新型分布式光纤温度与应力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及分布式温度、应变测量的光纤传感器的新原理和装置，属于光纤传感网技术领域。
背景技术：
光散射现象在分布式光纤传感技术中占有重要地位，光时域反射原理就是基于光脉冲的后向散射来确定某事件在光纤中发生的位置。根据光散射理论，当光在光纤中传输时,主要产生三种散射，即瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。瑞利散射为线性散射，即瑞利散射光的波长与激发光的波长一致；而拉曼和布里渊散射都是非线性散射，分别由光纤材料分子的光学与声学声子散射所形成，因为在散射过程中有能量的交换，故其散射波长与激发光的波长不同。目前国内外分布式温度或应变光纤传感器技术中，拉曼散射主要用于测量光纤温度变化；而布里渊散射用于测量光纤温度与应力的变化。瑞利散射主要应用于光时域反射仪，即用瑞利散射的强度来直接反映被测量光纤的损耗。也有报道应用光纤中的后向瑞利散射进行大应变测量的研究(“大坝裂缝方位对光纤裂缝传感器灵敏性的影响”，压电与声光，29-3，pp258，2007)，但其理论依据仍然是基于光纤损耗，由于光纤受到大的切向应变引起光纤的弯曲而至损耗增加。但此测量方法只能定性检测应变的有无而不能准确的测量光纤的应变量。本发明中提出了一种新型的利用光纤瑞利散射的温度与应力分布式传感器，他是根据光纤中瑞利散射谱的波长漂移而非其散射强度的变化来进行测量的，与上面提到的大应变测量方法有本质的区别。美国的Luna公司也提出了一种利用瑞利散射谱测量光纤温度与应力分布的方法，(详见“Distributed flow sensing usingoptical hot-wire grid”，Optics Express, 20, pp8240, 2012),但其对光纤定位的原理是光频域反射仪，即0FDR。它虽然可以提供毫米甚至微米级别的空间分辨率，但受到激光器相干长度的限制，其传感光纤长度仅为几十到几百米。而本发明中光纤定位的原理是基于光时域反射原理，其定位精度不受激光器相干长度的限制，只由光脉冲的脉宽决定，约为1-5米，但其传感距离更长，从几公里 到几十公里。另外，由于光纤中的瑞利散射比拉曼和布里渊散射的强度要分别大1000和30倍，该测量方法拥有更高的信噪比，可提供精确的应变与温度测量和更大的测量范围。
发明内容
本发明的目的是提出一种分布式温度、应变同时测量的光纤传感器的新方法和装置。为达到上述目的，本发明的技术方案包括波长扫描激光器(11)、脉冲调制器(12)、掺铒光纤放大器(13)、光纤环形器(14)、单模传感光纤(15)、光电探测器(16)、数据采集系统
(17)和控制与信号处理系统(18)。具体实现过程为:激光器11出射的连续光经过脉冲调制器12调制成脉冲光，再经过掺铒光纤放大器(13)放大，由光纤环形器(14)进入单模或多模传感光纤(15)，瑞利散射光由光纤环形器(14)进入光电探测器(16)转换为电信号，电信号经数据采集系统(17)采集后由控制与信号处理系统(18)存储，连续改变扫描激光器(11)的出射波长，将光纤各点在不同波长下的瑞利散射强度连起来就可以得到该点的瑞利散射谱，通过计算该点的瑞利散射谱的波长飘移就可得到温度或应力的改变值。瑞利散射属于线性光散射，它源于光纤制造过程中密度的微小不均匀，与光纤中的自发拉曼和自发布里渊散射相比，其单位散射强度分别高1000和30倍。可以用如下公式描述光脉冲在光纤中传输时的瑞利散射光波:
权利要求
1.一种新型分布式光纤温度与应力传感器，其特征在于利用光纤的自发瑞利散射谱受温度和应力影响而发生漂移的特性而制成的测量温度和应力的光纤传感器。其具体包括波长扫描激光器(11)、脉冲调制器(12)、掺铒光纤放大器(13)、光纤环形器(14)、单模传感光纤(15)、光电探测器(16)、数据采集系统(17)和控制与信号处理系统(18)，激光器(11)出射的连续光经过脉冲调制器(12)调制成脉冲光，再经过掺铒光纤放大器(13)放大，由光纤环形器(14)进入单模或多模传感光纤(15)，瑞利散射光由光纤环形器(14)进入光电探测器(16)变为电信号，电信号经数据采集系统(17)采集后由控制与信号处理系统(18)存储，连续改变扫描激光器(11)的出射波长，将光纤各点在不同波长下的瑞利散射强度连起来就可以得到该点的瑞利散射谱，通过计算该点的瑞利散射谱的波长飘移就可得到温度或应力的变化值。
2.根据权利要求1所述的波长扫描激光器(11)是典型波长扫描范围为1540-1560nm,线宽小于1MHz，波长绝对精确值为± lpm，最小波长改变值为Ipm的半导体外腔可调谐激光器。
3.根据权利要求1所述的脉冲调制器(12)由电脉冲信号发生器、铌酸锂电光调制器和脉冲反馈稳定电路组成，其特征是电脉冲信号发生器发出的电脉冲信号(IOns)进入铌酸锂电光调制器的电信号输入端，经调制后的光脉冲进入传感光纤，同时分出一小部分光脉冲信号作为反馈信号，由脉冲反馈温度电路处理后输出控制信号控制铌酸锂电光调制器的偏置电压，以稳定光脉冲的功率。
4.根据权利要求1所述的控制与信号处理系统(18)，其特征是控制并使电脉冲信号发生器(12)与数据采集系统(17)同步。
5.根据权利要求1所述的控制与信号处理系统(18)采用相关算法计算光纤中自发瑞利散射谱由于温度和应力变化造成的整体飘移。
全文摘要
本发明公开的一种新型分布式温度、应力测量的光纤传感器，是利用光纤中的瑞利散射谱和光时域反射原理实现的分布式光纤温度与应力传感器。根据光时域反射原理，通过测量脉冲光的后向瑞利散射可得到光纤各点的瑞利散射强度，并可对事件发生的位置定位。连续改变激光器的出射波长，便得到光纤各点的瑞利散射谱。当光纤某处温度或所受应力发生改变时，此处光纤的后向瑞利散射谱会发生整体的线性平移，通过与未发生变化前的散射谱进行对比便可以得到温度与应变的变化量，实现分布式的温度与应变测量。由于瑞利散射比拉曼和布里渊散射的强度大很多，该测量方法比利用自发拉曼、自发布里渊散射的分布式传感器拥有更高的信噪比和测量精度。
文档编号G01D21/02GK103162742SQ20131011124
公开日2013年6月19日 申请日期2013年3月29日 优先权日2013年3月29日
发明者李裔, 张震伟 申请人:李裔