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CN111323144B - 温度、应变、振动同时测量的分布式光纤传感系统 - Google Patents

温度、应变、振动同时测量的分布式光纤传感系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种温度、应变、振动同时测量的分布式光纤传感系统，该系统包括：扫频激光器、光耦合器、光纤延时线、平衡光探测器、脉冲激光器、光隔离器、光纤环形器、带通滤波器、波分复用器、单通道光电探测器、双通道光电探测器、数据采集卡、单模传感光纤。本系统中，温度传感单元与振动传感单元共用所述脉冲激光器，扫频激光器为应变传感单元提供光源，两个光源通过光耦合器相连；波分复用器分别连接光耦合器与传感光纤。本发明传感系统提高了传感系统对环境监测的全面性，具有更高的实用价值。

Description

温度、应变、振动同时测量的分布式光纤传感系统
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种温度、应变、振动同时测量的分布式光纤传感系统。
背景技术
现有单独的分布式测温系统、分布式应变测量系统、分布式振动测量系统的关键技术已趋于成熟且有了工业级的应用，系统的性能参数(空间分辨率、测量精度等)也在不断突破。但由于背向散射信号功率方面的限制，这些单独的分布式测量系统的传感光纤大都为多模光纤，基于单模光纤的分布式传感系统的研究资料则相对少得多，且这些传感系统至多只实现了两种物理量(温度与应变共线传感或者温度与振动共线传感)在同一根光纤上的同时测量，未实现光纤温度应变振动三种物理量在一根光纤上同时测量的系统。以上两点均在一定程度上制约了分布式光纤传感技术的深入应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种温度、应变、振动同时测量的分布式光纤传感系统，解决了分布式光纤传感背向散射信号功率方面的限制，该系统结构合理、测量结果准确可靠。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种温度、应变、振动同时测量的分布式光纤传感系统，包括温度传感单元、振动传感单元、光纤应变传感单元，温度传感单元与振动传感单元共用脉冲光源，脉冲激光器与扫频激光器通过光耦合器集成，同时背向拉曼散射光与背向瑞利散射光通过波分复用器与带通滤波器逐一分离，被光电探测器接收，通过数据采集卡进行数据采集。
按上述技术方案，脉冲激光在传感光纤中发生拉曼散射与瑞利散射后，波分复用装置分离出背向拉曼散射光，瑞利散射光则进入环形器，分离出的光进入光电探测器。
按上述技术方案，光纤应变传感单元包括扫频激光器、光耦合器、延时光纤和光平衡探测器，扫频激光分为两路，一路通过光耦合器与延时光纤生成本地干涉光被光平衡探测器接收，另一路光的99％进入传感光纤，背向瑞利散射光与其余1％的本振光进入光耦合器发生干涉后，被光平衡探测器接收后，由数据采集卡进行采集。
按上述技术方案，温度传感单元、振动传感单元、应变传感单元通过波分复用装置共用一根单模传感光纤。
按上述技术方案，扫频激光器连接第一1*2光耦合器，第一1*2光耦合器的分光比为90:10，90％的一路连接一个第四1*2光耦合器，第四1*2光耦合器的分光比为99:1，99％的一路连接第五2*1光耦合器的一端，第五2*1光耦合器的分光比为50:50，脉冲激光器连接第五2*1光耦合器的另一端；第四1*2光耦合器的1％的一路连接第六2*1光耦合器的输入一端，第一1*2光耦合器的10％的一路连接第二1*2光耦合器，第二1*2光耦合器的分光比为50:50，第二1*2光耦合器的输出一端连接第三2*1光耦合器，另一端接上一段延时光纤后再连接第三2*1光耦合器，第三2*1光耦合器输出端连接平衡光电探测器一，平衡光电探测器一的输出端连接数据采集卡；第四光耦合器的输出端连接光隔离器，光隔离器连接光纤环形器的输入端，光纤环形器的传感端连接波分复用器二的输入端，光纤环形器的反射端连接第七1*2光耦合器的输入端，第七1*2光耦合器的分光比为50：50，第七1*2光耦合器的输出一端连接带通滤波器，带通滤波器连接第六2*1光耦合器的另一输入端，第六2*1光耦合器的输出端连接平衡光电探测器二，平衡光电探测器二的输出端连接数据采集卡；第七1*2光耦合器的输出另一端连接波分复用器一，波分复用器一的输出端连接单通道光电探测器，光电探测器的输出端连接A/D数据采集卡，波分复用器二的传感端连接单模光纤，波分复用器二的两个输出端分别与双通道光电探测器的两个输入端相连，光电探测器的两个输出端连接A/D数据采集卡。
按上述技术方案，A/D数据采集卡的触发长度与传感光纤长度有如下关系：M＝L0/8，其中，M为触发长度；L0为光纤长度，单位为m。
本发明产生的有益效果是：该系统结构合理、测量结果准确可靠，适用于需要同时监测应用环境的温度应变和振动的综合监测系统和方法，并解决了分布式光纤传感背向散射信号功率方面的限制。
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是本发明实施例中分布式光纤温度振动应变传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例分布式光纤温度振动应变同时测量的传感系统结构示意图；
图3是本发明实施例中分布式光纤温度与振动传感单元的原理光路图；
图4是本发明实施例中分布式光纤应变传感单元的原理光路图；
其中：扫频激光器-1、第一1*2光耦合器-2、第二1*2光耦合器-3、光纤延时线-4、第三2*1光耦合器-5、平衡光探测器一-6、脉冲激光器-7、第四1*2光耦合器-8、第五2*1光耦合器-9、光隔离器-10、第六2*1光耦合器-11、平衡光探测器二-12、光纤环形器-13、第七1*2光耦合器-14、带通滤波器-15、波分复用器一-16、单通道光电探测器-17、波分复用器二-18、双通道光电探测器-19、A/D数据采集卡-20、数据采集卡-21、单模传感光纤-22、上位机-23。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如附图2所示，本实施例提供一种温度、应变、振动同时测量的分布式光纤传感系统，设有温度振动传感单元与应变传感单元，温度振动传感单元共用光源脉冲激光器7；应变传感单元使用扫频激光器1。设有上位机22以及与上位机22相连接的上述光纤温度振动应变传感器。光纤温度振动应变传感器通过上述结构，A/D采集卡20将采集到的背向拉曼散射信号与背向瑞利散射信号经过USB串口线上传至上位机通过软件解调；数据采集卡21将采集到的本振光干涉信号和瑞利干涉信号上传至上传至上位机通过软件解调。
如附图3所示，为本发明中分布式光纤温度传感与振动传感单元的光路图。脉冲激光器7(Laser)发射脉冲光经过光纤环形器13后进入波分复用器二18，在传感光纤中产生背向散射信号。其中，斯托克斯光与反斯托克斯光经过波分复用器18被双通道光电探测器19接收；瑞利散射信号则从环形器13的反射端进入单通道光纤探测器17。采集卡对光电探测器输出的信号进行采集，利用反斯托克斯信号强度对温度敏感及瑞利散射信号强度对振动敏感的特性，由上位机软件进行处理后可解调出温度与振动的信息。
如附图4所示，为本实施例中分布式光纤应变传感单元的光路图。扫频激光器1连接第一1*2光耦合器2，光耦合器2的分光比为90:10：90％的一路连接一个第四1*2光耦合器8，光耦合器8的分光比为99:1：99％的一路连接2*1光耦合器9的一端，第五光耦合器9的分光比为50:50，脉冲激光器7(Laser)连接光耦合器9的另一端；光耦合器8的1％的一路连接第六2*1光耦合器11的输入一端。光耦合器2的10％的一路连接第二1*2光耦合器3，光耦合器3的分光比为50:50，光耦合器3的输出一端直接连接2*1光耦合器5，另一端接上一段延时光纤后再连接第三光耦合器5，光耦合器5输出端连接平衡光电探测器一6(PBD)，PBD6的输出端连接数据采集卡21。光耦合器9的输出端连接传感光纤，背向散射光与扫频激光器1经光耦合器2(90％端)和光耦合器8(1％端)提供的宽带光在光耦合器11中发生干涉，干涉信号被光平衡探测器12接收，由数据采集卡21采集。扫频激光器1提供的宽带光经过光耦合器2，10％的光进入光耦合器3后被分成两路，其中一路光会经过延时光纤4导致两路光进入光耦合器5的时间不一致从而发生干涉，干涉信号被光平衡探测器16接收，由数据采集卡21采集，结合平衡探测器二12接收的瑞利干涉信号对传感光纤上的应变信号进行解调。部件之间的连接通过熔接机熔接或法兰连接。
本实施例中附图1所示的系统光路图是附图3所述温度传感与振动传感原理光路图与附图4所述应变传感原理的光路图的整合。
光耦合器9的输出端连接光隔离器10。光隔离器10连接光纤环形器13的输入端，光纤环形器13的传感端连接波分复用器18(WDM)的输入端，光纤环形器13的反射端连接1*2光耦合器14的输入端，光耦合器14的分光比为50：50。光耦合器14的输出一端连接带通滤波器15，带通滤波器15连接光耦合器11的另一输入端，光耦合器11的输出端连接平衡光电探测器12，PBD12的输出端连接数据采集卡21；光耦合器14的输出另一端连接波分复用器16。波分复用器16的输出端连接单通道光电探测器17(APD)，光电探测器17的输出端连接A/D数据采集卡20。波分复用器18的传感端连接单模光纤21，波分复用器18的两个输出端分别与双通道光电探测器19的两个输入端相连，光电探测器19的两个输出端连接A/D数据采集卡20。
脉冲激光器7用于为温度传感单元、振动传感单元提供脉冲光；扫频激光器1用于为应变传感单元提供宽带光。扫频激光器1发出的宽带光经过光耦合器2(90％端)和光耦合器8(99％端)后与脉冲激光器7提供的脉冲光在光耦合器9中耦合。耦合光正向经过光隔离器10后进入光纤环形器13，此处光隔离器用于隔离背向散射光。耦合光经波分复用器18后进入单模光纤21，耦合光在单模光纤中产生拉曼散射光与瑞利散射光。背向散射光通过波分复用器18将斯托克斯光和反斯托克斯光分离出来送入双通道光电探测器19进而使用A/D采集卡20对拉曼温度信号进行采集。经过波分复用器18滤波后的背向散射光被光纤环形器接收后进入光耦合器14被分成两路光：一路光通过波分复用器16滤出背向瑞利散射光进入单通道光电探测器进而使用A/D采集卡20对瑞利振动信号进行采集；另一路光通过带通滤波器15滤出宽带光后与扫频激光器1经光耦合器2(90％端)和光耦合器8(1％端)提供的宽带光在光耦合器11中发生干涉，干涉信号被光平衡探测器12接收，由数据采集卡21采集。扫频激光器1提供的宽带光经过光耦合器2，10％的光进入光耦合器3后被分成两路，其中一路光会经过延时光纤导致两路光进入光耦合器5时的相位差不一致从而发生干涉，干涉信号被光平衡探测器6接收，由数据采集卡21采集，，结合平衡探测器12接收的瑞利干涉信号对传感光纤上的应变信号进行解调。
脉冲激光器7的中心波长为1550nm。扫频激光器1的光源带宽为1520～1540nm。波分复用器18由中心波长为1450nm的背向拉曼反斯托克斯散射光宽带滤波片及中心波长为1660nm的背向拉曼斯托克斯散射光宽带滤波片组成。波分复用器16由中心波长为1550nm的背向瑞利散射光宽带滤波片构成。带通滤波器15由带宽为1520～1540nm的宽带滤波片构成。A/D数据采集卡20的采样率为100MHz，输入通道数为3，精度为12bits。数据采集卡21的输入通道数为2。
该分布式光纤传感系统使用时，包括以下步骤：
步骤1：设置脉冲激光器的驱动电流、重复频率与脉宽；设置扫频激光器的输出带宽与功率。
步骤2：设置A/D采集卡的触发长度，A/D采集卡和数据采集卡接收到耦合光脉冲触发后采集数据并进行数据累加处理，经过；累加处理后的数据传输到上位机。
步骤3：上位机接收到A/D采集卡和数据采集卡的数据后，分别根据以下原理对数据进行解调：根据反斯托克斯与斯托克斯信号强度比与温度的线性关系，上位机软件可计算出传感光纤上的温度信息；根据瑞利散射信号对振动信号敏感的特性，监测传感光纤振动的变化信息；根据瑞利干涉信号对应变敏感的特征，将干涉信号通过傅里叶变换到频域进行处理，可解调出应变信号。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种温度、应变、振动同时测量的分布式光纤传感系统，其特征在于，包括温度传感单元、振动传感单元、光纤应变传感单元，温度传感单元与振动传感单元共用脉冲光源，脉冲激光器与扫频激光器通过光耦合器集成，同时背向拉曼散射光与背向瑞利散射光通过波分复用器与带通滤波器逐一分离，被光电探测器接收，通过数据采集卡进行数据采集，脉冲激光在传感光纤中发生拉曼散射与瑞利散射后，波分复用装置分离出背向拉曼散射光，瑞利散射光则进入环形器，分离出的光进入光电探测器，光纤应变传感单元包括扫频激光器、光耦合器、延时光纤和光平衡探测器，扫频激光分为两路，一路通过光耦合器与延时光纤生成本地干涉光被光平衡探测器接收，另一路光的99％进入传感光纤，背向瑞利散射光与其余1％的本振光进入光耦合器发生干涉后，被光平衡探测器接收后，由数据采集卡进行采集，扫频激光器连接第一1*2光耦合器，第一1*2光耦合器的分光比为90:10，90％的一路连接一个第四1*2光耦合器，第四1*2光耦合器的分光比为99:1，99％的一路连接第五2*1光耦合器的一端，第五2*1光耦合器的分光比为50:50，脉冲激光器连接第五2*1光耦合器的另一端；第四1*2光耦合器的1％的一路连接第六2*1光耦合器的输入一端，第一1*2光耦合器的10％的一路连接第二1*2光耦合器，第二1*2光耦合器的分光比为50:50，第二1*2光耦合器的输出一端连接第三2*1光耦合器，另一端接上一段延时光纤后再连接第三2*1光耦合器，第三2*1光耦合器输出端连接平衡光电探测器一，平衡光电探测器一的输出端连接数据采集卡；第四光耦合器的输出端连接光隔离器，光隔离器连接光纤环形器的输入端，光纤环形器的传感端连接波分复用器二的输入端，光纤环形器的反射端连接第七1*2光耦合器的输入端，第七1*2光耦合器的分光比为50：50，第七1*2光耦合器的输出一端连接带通滤波器，带通滤波器连接第六2*1光耦合器的另一输入端，第六2*1光耦合器的输出端连接平衡光电探测器二，平衡光电探测器二的输出端连接数据采集卡；第七1*2光耦合器的输出另一端连接波分复用器一，波分复用器一的输出端连接单通道光电探测器，光电探测器的输出端连接A/D数据采集卡，波分复用器二的传感端连接单模光纤，波分复用器二的两个输出端分别与双通道光电探测器的两个输入端相连，光电探测器的两个输出端连接A/D数据采集卡。
2.根据权利要求1所述的温度、应变、振动同时测量的分布式光纤传感系统，其特征在于，温度传感单元、振动传感单元、应变传感单元通过波分复用装置共用一根单模传感光纤。
3.根据权利要求1所述的温度、应变、振动同时测量的分布式光纤传感系统，其特征在于，A/D数据采集卡的触发长度与传感光纤长度有如下关系：M＝L0/8，其中，M为触发长度；L0为光纤长度，单位为m。
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