一种全光纤多参量检测系统及多参量检测方法

本发明属于光纤传感领域，更具体地，涉及一种全光纤多参量检测系统。

背景技术：

1、光纤具有体积小、质量轻、柔性大、兼容性好、电绝缘性强、抗腐蚀及抗电磁干扰能力强等特性，其与光学测量技术结合形成的光纤传感器，在声场、电场、温度、气体、角速度、加速度、应力/应变等多参量检测方面具有一系列独特优势，如可靠性好、灵敏度高、非侵入性、适应性强、可实现远程和分布式检测，以及易于组网等。目前，光纤传感已经成为传感器小巧和智能化发展的重要方向。

2、然而，现有的光纤传感技术针对不同检测参量需要配备不同的传感光纤及信号读取设备，检测系统结构复杂，无法实现单光纤多参量检测；现有利用光纤光栅进行温度、应力/应变同时检测的方法存在温度与应力/应变交叉干扰的问题；现有利用若干弱光纤光栅串联进行分布式温度检测的方法存在应力/应变干扰、温度检测灵敏度低、分布式温度监测点有限(典型值20个)、解调系统复杂和成本较高等问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种全光纤多参量检测系统，其利用单根光纤实现了温度、气体成分与气体浓度、应力/应变等多参量同时检测，且解决了现有光纤光栅传感技术中存在的温度-应力/应变交叉干扰、温度检测灵敏度低、分布式温度监测点有限、解调系统复杂、成本较高等问题。

2、本发明采用如下的技术方案。

3、一种全光纤多参量检测系统，适用于同时检测温度参量、气体成分与气体浓度参量以及应力/应变参量，

4、系统包括依次连接的光源系统、传感系统、分光系统和探测系统，其中分光系统包括光纤准直器和二向色分光镜，所述传感系统包括依次连接的第一单模光纤、空芯光纤气室、第二单模光纤、空芯光纤谐振腔、第三单模光纤、光纤光栅、第四单模光纤。

5、所述光源系统包括光纤激光器、宽带光源和光纤耦合器，其中光纤耦合器用于将光纤激光器输出的光信号与宽带光源输出的光信号耦合为激发光。

6、光纤激光器输出的光信号的中心波长λl为400-790nm；

7、宽带光源输出的光信号的中心波长λm为λl-10<λm<λl+10。

8、空芯光纤气室由依次熔接的单模光纤、渐变折射率光纤、无心硅光纤、空芯光纤、无心硅光纤、渐变折射率光纤和单模光纤组成；其中，单模光纤、渐变折射率光纤、无心硅光纤和空芯光纤在光源及信号光波段的传输损耗均≤100db/km。

9、多个空芯光纤气室通过光纤连接器或熔接的方式串联，且串联的空芯光纤气室内分别填充不同种类的浓度≥99％的具有拉曼活性的高纯气体。

10、空芯光纤谐振腔由依次连接的单模光纤、渐变折射率光纤、无心硅光纤、空芯光纤、无心硅光纤、渐变折射率光纤、单模光纤组成；其中，单模光纤、渐变折射率光纤、无心硅光纤和空芯光纤在光源及信号光波段的传输损耗均≤100db/km；空芯光纤的纤芯直径≥10μm；单模光纤、渐变折射率光纤与无心硅光纤之间以熔接的方式连接；无心硅光纤与空芯光纤之间通过光纤套管机械连接，且无心硅光纤端面与空芯光纤端面的距离为1～5μm；无心硅光纤与空芯光纤机械连接的端面镀有高反膜。

11、光纤光栅由依次熔接的单模光纤、光纤光栅、单模光纤组成；其中，光纤光栅中的单模光纤和光纤光栅在光源及信号光波段的传输损耗均≤50db/km。

12、传感系统通过第五单模光纤连接分光系统，其中第五单模光纤在信号光波段的传输损耗≤50db/km；第五单模光纤的第一端口与第四单模光纤的第二端口通过光纤连接器连接，其第二端口固定在分光系统上。

13、分光系统的光纤准直器包括第一光纤准直器、第二光纤准直器和第三光纤准直器；第一光纤准直器与第五单模光纤同轴放置，用于将第五单模光纤第二端口输出的信号光准直；

14、第二光纤准直器与第六单模光纤同轴放置，用于聚焦气体拉曼散射光，使其耦合进入第六单模光纤；第三光纤准直器与第八单模光纤同轴放置，用于聚焦光纤光栅信号，使其耦合进入第八单模光纤。

15、第六单模光纤在气体拉曼散射光波段的传输损耗≤50db/km；其第一端口固定在分光系统上，第二端口与第七单模光纤的第一端口通过光纤连接器连接；

16、第七单模光纤的第一端口与第六单模光纤的第二端口通过光纤连接器连接，其第二端口固定在拉曼光谱仪上。

17、探测系统包括拉曼光谱仪、电荷耦合元件与光纤光谱仪；

18、其中，拉曼光谱仪的输出端连接电荷耦合元件；

19、光纤光谱仪的输入端固定第九单模光纤，第九单模光纤通过光纤连接器连接第八单模光纤，第八单模光纤的第一端口固定在分光系统上。

20、本发明第二方面，提供一种全光纤多参量检测方法，

21、方法包括：步骤1，固定连接全光纤多参量检测系统，并控制光纤激光器与宽带光源分别发出光信号；

22、步骤2，将光信号耦合后依次输入传感系统后输出气体拉曼散射光和光纤光栅信号；

23、步骤3，对输出气体拉曼散射光和光纤光栅信号进行准直和分光后，通过拉曼光谱仪和光纤光谱仪进行信号分析。

24、本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明所提供的一种全光纤多参量检测系统，其温度检测灵敏度高(可达0.01℃)，温度检测结果不受应力/应变影响，并可根据温度检测结果对应力/应变检测结果进行校正，解决了现有光纤光栅传感技术存在的温度-应力/应变交叉敏感问题；分布式温度监测点可根据实际需求设置，通过串联若干填充了不同种类(具有拉曼活性)气体的空芯光纤，最大监测点数量等于具有拉曼活性的气体种类数，无需复杂的解调系统；可测气体种类多，且气体检出限低，可达ppb量级。

技术特征：

1.一种全光纤多参量检测系统，适用于同时检测温度参量、气体成分与气体浓度参量以及应力/应变参量，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的一种全光纤多参量检测系统，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的一种全光纤多参量检测系统，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的一种全光纤多参量检测系统，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的一种全光纤多参量检测系统，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的一种全光纤多参量检测系统，其特征在于：

7.根据权利要求1所述的一种全光纤多参量检测系统，其特征在于：

8.根据权利要求1所述的一种全光纤多参量检测系统，其特征在于：

9.根据权利要求8所述的一种全光纤多参量检测系统，其特征在于：

10.根据权利要求9所述的一种全光纤多参量检测系统，其特征在于：

11.根据权利要求10所述的一种全光纤多参量检测系统，其特征在于：

12.一种全光纤多参量检测方法，其特征在于，

技术总结
一种全光纤多参量检测系统及多参量检测方法，系统包括依次连接的光源系统、传感系统、分光系统和探测系统，其中分光系统包括光纤准直器和二向色分光镜，分光系统通过单模光纤分别连接拉曼光谱仪和光纤光谱仪等探测器；所述传感系统包括依次连接的第一单模光纤、空芯光纤气室、第二单模光纤、空芯光纤谐振腔、第三单模光纤、光纤光栅、第四单模光纤，本发明提供的系统可实现温度、气体成分与气体浓度、应力/应变等多参量的同时检测；温度检测结果不受应力/应变影响，并可根据温度检测结果对应力/应变检测结果进行校正，解决了现有光纤光栅传感技术存在的温度‑应力/应变交叉敏感问题；可测气体种类多，且气体检出限低。

技术研发人员：王建新,陈伟根,王品一,张知先,宋睿敏,王子懿,宋雨轩,田皓元,李萌
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15