用于检测全分布式光纤的温度及振动位置的传感器的制作方法

本发明涉及传感器领域，尤其涉及全分布式光纤的传感器方面，更具体地说，涉及一种用于检测全分布式光纤的温度及振动位置的传感器。

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。

全分布式光纤传感技术，是以光纤作为传感原件的，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振动等变化。

传统的传感器大多是电量型的，测量范围小，并网困难，而且点式传感器在测量大范围，长距离的时候，需要很高的维护成本。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，可以对大范围，空间分布广的系统做测量。基于以上优点，全分布式光纤传感与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)、相位敏感时域光反射(φ-otdr)等，目前基于拉曼时域光反射(rotdr)已经十分成熟。其中对于振动的测量也有很多方法，近年将干涉技术和相位敏感时域光反射技术(φ-otdr)相结合的振动传感技术是一种研究热点。

1)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。当相干光光源经调制后，射出的脉冲光射入传感光纤时，如果光纤上有振动产生，那么传感光纤上相应位置会发生一些物理变化，如光纤折射率，长度等，利用自干涉技术，当传感光纤受到振动的影响时，在干涉仪输出的干涉信号会发生变化，通过相位载波技术可以将其完全解调出来，利用相位敏感时域光反射技术，可以实时定位振动发生的位置。因此自干涉技术可以对振动进行全分布实时监测。

2)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，产生后向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，系统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，有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。

然而目前的传感器一般是单独测量振动位置或者单独测量温度，当想要测量者两个物理量时，采用两套独立的系统分别进行测量，如此需要的仪器的成本高昂。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对上述的现有基于光纤的传感器在测量振动位置以及温度时分别采用两套独立的系统分别进行测量造成的成本高昂的技术缺陷，提供了用于检测全分布式光纤的温度及振动位置的传感器。

根据本发明的其中一方面，本发明为解决其技术问题，提供了一种用于检测全分布式光纤的温度及振动位置的传感器，包含：

用于产生连续光的激光器；

用于产生脉冲的脉冲发生器；

用于利用所述脉冲对所述连续光进行调制，形成脉冲信号的声光调制器，声光调制器的输入端分别连接激光器以及脉冲发生器的输出端，其中脉冲信号在一个周期内具有电平大小不一的第一电平脉冲信号及第二电平脉冲信号；

用于允许声光调制器产生的信号通过而隔离返回至声光调制器的信号的隔离器，隔离器的输入端连接声光调制器的输出端；

用于对隔离器输入的信号进行放大的掺饵光纤放大器，掺饵光纤放大器的输入端连接隔离器的输出端；

环形器，包括输入端、第一端口及第二端口，环形器的输入端连接掺饵光纤放大器的输出端，第一端口连接拉曼波分复用器的第三端口以输出掺饵光纤放大器输入的信号至拉曼波分复用器，并接收拉曼波分复用器发送来的瑞利散射光，第二端口连接瑞利散射光处理单元以将所述瑞利散射光传送至瑞利散射光处理单元；

拉曼波分复用器，包括所述第三端口、第四端口、第五端口以及第六端口，第四端口用于连接全分布式光纤以输出环形器输入的信号至全分布式光纤，并采集全分布式光纤返回的拉曼散射光及所述瑞利散射光，第五端口以及第六端口分别用于提取从所述拉曼散射光中提取出反斯托克斯光以及斯托克斯光；

雪崩二极管，分别连接所述第五端口以及第六端口以反将斯托克斯光以及斯托克斯光转换为电信号；

用于将所述瑞利散射光转换为延时光和调制光，将二者进行干涉，并将干涉后信号转换为电信号的瑞利散射光处理单元；

数据采集器，分别连接雪崩二极管的输出端以及瑞利散射光处理单元的输出端以分别获取雪崩二极管的所述电信号和瑞利散射光处理单元的所述电信号并传输至中央处理单元，其中，中央处理单元控制数据采集器在第一电平脉冲信号时采集的雪崩二极管的电信号和在第二电平脉冲信号时采集瑞利散射光处理单元的电信号，以进行处理后分别获取全分布式光纤的温度及振动位置。

进一步的，在本发明的用于检测全分布式光纤的温度及振动位置的传感器，中央处理单元连接脉冲发生器获取所述脉冲以同步所述第一电平脉冲信号及第二电平脉冲信号。

进一步的，在本发明的用于检测全分布式光纤的温度及振动位置的传感器，瑞利散射光处理单元包括：

用于将所述瑞利散射光一分为二，形成第一瑞利散射光和第二瑞利散射光的耦合器，耦合器连接所述环形器的第二接口以获取所述瑞利散射光；

用于产生相位载波信号的相位载波信号调制器；

压电陶瓷片，连接所述相位载波信号调制器，以利用相位载波信号将所述第二瑞利散射光调制成具有一定频率的信号；

两个法拉第反射镜，分别反射第一瑞利散射光以及调制后的第二瑞利散射光至所述耦合器，以在所述耦合器中发生干涉；

将干涉后的信号转换为电信号的光电检测器，光电检测器的输入连接所述耦合器，光电检测器的输入连接所述数据采集器。

进一步的，在本发明的用于检测全分布式光纤的温度及振动位置的传感器，激光器的工作波长为1550.12nm，线宽为10khz。

进一步的，在本发明的用于检测全分布式光纤的温度及振动位置的传感器，环形器还连接有一用于消除由掺饵光纤放大器带入环形器中自发辐射噪声的布拉格光纤光栅。

进一步的，在本发明的用于检测全分布式光纤的温度及振动位置的传感器，布拉格光纤光栅的带宽为3db，反射率为99％。

进一步的，在本发明的用于检测全分布式光纤的温度及振动位置的传感器，第五端口和第六端口分别为中心波长为1450nm及1663nm的两个具有一定波长带宽的滤波端口。

进一步的，在本发明的用于检测全分布式光纤的温度及振动位置的传感器，第一电平脉冲信号的宽度为50ns，脉冲间隔20μs，大小为800mv；所述第二电平脉冲信号的宽度为50ns，脉冲间隔20μs，大小为800mv，大小为420mv。

进一步的，在本发明的用于检测全分布式光纤的温度及振动位置的传感器，中央处理单元为电脑。

本发明的用于检测全分布式光纤的温度及振动位置的传感器，结合了干涉技术、相位敏感时域光反射和拉曼时域光反射技术，同时利用结合干涉和φ-otdr技术的振动传感技术以及rotdr温度传感技术，可以在同一根光纤上实现同时对温度和振动的监测，整体成本比两个系统的单独叠加小很多，且测量精度高，测量方便快捷。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的用于检测全分布式光纤的温度及振动位置的传感器在使用时的原理图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，其为本发明的用于检测全分布式光纤的温度及振动位置的传感器在使用时的原理图。在本实施例的所述的传感器包括：激光器1、声光调制器2、隔离器3、掺饵光纤放大器4、布拉格光纤光栅5、环形器6、拉曼波分复用器7、雪崩二极管8、数据采集器10、脉冲发生器17以及瑞利散射光处理单元19，瑞利散射光处理单元19包括：相位载波信号调制器11、光电探测器12、压电陶瓷片13、耦合器14、法拉第反射镜15、法拉第反射镜16。

声光调制器2的输入端分别连接激光器1的输出端以及脉冲发生器2的输出端，隔离器3的输入端连接声光调制器2的输出端，掺饵光纤放大器4的输入端连接隔离器3的输出端，环形器6包括输入端(图中环形器6的左边连线处)、第一端口(图中环形器6的右边连线处)及第二端口(图中环形器6的下方连线处)，环形器6的输入端连接掺饵光纤放大器4的输出端，第一端口连接拉曼波分复用器7的第三端口，第二端口连接瑞利散射光处理单元19连接耦合器14的输入端，拉曼波分复用器7包括上述的第三端口(图中拉曼波分复用器7的左边连线处)、第四端口(图中拉曼波分复用器7的右边连线处)、第五端口以及第六端口(图中拉曼波分复用器7的下边的左、右两条连线处)，第四端口连接全分布式光纤18，第五端口以及第六端口分别连接至雪崩二极管8的输入端，雪崩二极管8的输出端连接至数据采集器10，耦合器14的两个输出端分别连接至法拉第反射镜15及法拉第反射镜16，其中耦合器14的其中一个输出端与法拉第反射镜16连接的装置上设置有压电陶瓷片13，耦合器14还连接光电探测器12，压电陶瓷片13连接相位载波信号调制器11，光电探测器12以及相位载波信号调制器11均与数据采集器10连接，电脑19分别连接数据采集器以及脉冲发生器17。

工作时，激光器1产生连续光，脉冲发生器17产生脉冲，脉冲在一个周期内具有电平大小不一的第一电平脉冲及第二电平脉冲，激光器1产生的连续光以及脉冲发生器17产生的脉冲输入至声光调制器2，声光调制器2利用上述脉冲对上述连续光进行调制，形成脉冲信号。脉冲信号在一个周期内具有电平大小不一的第一电平脉冲信号及第二电平脉冲信号。激光器的工作波长λ为1550.12nm，线宽为10khz。发出的激光通过声光调制器2调制成高低脉冲激光，高、低电平脉冲信号宽度为50ns，脉冲间隔20μs，高电平为800mv，低电平为420mv。调制成的脉冲信号传送至隔离器3的输入端，并经过隔离器3的输出端到达掺饵光纤放大器4，其中隔离器3允许声光调制器2产生的脉冲信号到达掺饵光纤放大器4，而隔离掺饵光纤放大器4返回至声光调制器2的信号。掺饵光纤放大器4将脉冲信号放大后，传输至环形器6的输入端。

环形器6将放大后的脉冲信号传输至拉曼波分复用器7的第三端口，拉曼波分复用器7的第四端口将放大后的脉冲信号发送至全分布式光纤18，全分布式光纤18散射回来的拉曼散射信号，由拉曼波分复用器7的第五端口以及第六端口分别分离出反斯托克斯光和斯托克斯光后，通过雪崩二极管8将反斯托克斯光和斯托克斯光后的模拟信号分别转换为电信号，然后传入数据采集器10采集，再经过计算机9处理可获得相应的温度信息；全分布式光纤18散射回来的瑞利散射光，经环形器6传入耦合器14的输入端，然后耦合器14将其一分为二，由法拉第反射镜15、法拉第反射镜1516反射回来，并在耦合器14中发生干涉，最后由耦合器14传入光电探测器12，光电探测器12将其转换为电信号，由数据采集器10采集数据，交由计算机处理，获得相应的振动位置。其中，光由耦合器14→法拉第反射镜15→耦合器14与光由耦合器14→法拉第反射镜16→耦合器14存在一定的长度差，这个差值的大小取决于，w*c/(2*n)，其中w为两个低脉冲信号的时间间隔，c为真空中的光速，n为光纤折射，由于长度差的存在导致二者的传输时间不一致，故耦合器14最终接收到的一个反射光为延时光；光由耦合器14→法拉第反射镜16的装置上设置有压电陶瓷片13，相位载波信号调制器11产生具有一定频率的相位载波信号，通过压电陶瓷片13来调制由耦合器14→法拉第反射镜16的光，故耦合器14最终接收到的法拉第反射镜16反射的光为调制光。耦合器14与连接的法拉第反射镜15和法拉第反射镜16是存在一长度差，这个差值的大小取决于，w*c/(2*n)，其中w为两个低脉冲信号的时间间隔，c为真空中的光速，n为光纤折射。

相位载波信号调制器11的相位载波信号接受电脑9的控制，控制指令经过数据采集器10转发至相位载波信号调制器11。在本实施例中，拉曼波分复用器7的第五端口以及第六端口分别为中心波长为1450nm及1663nm的两个具有一定波长带宽的滤波端口，以分别提取出反斯托克斯光和斯托克斯光。

在本实施例中，电脑9在高电平脉冲时间段内只采集和处理雪崩二极管8转换而来的电信号，在低电平脉冲时间段内只采集和处理光电探测器12转换而来的电信号。电脑9连接脉冲发生器17获取脉冲，通过上述的脉冲，电脑9可以得知本传感器是在高电平脉冲时间段内还是在低电平脉冲时间段内。由于在高电平脉冲信号时，高电平可以获得高信噪比的自发拉曼散射信号，但同时会产生非线性效应导致振动位置测量难以实现，因此在不同的电平脉冲信号时间段内处理不同的信号，避免相互干扰。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。