適用于光纖分布式溫度和應力傳感裝置的探測方法

文檔序號：6131379閱讀：163來源：國知局

專利名稱：適用于光纖分布式溫度和應力傳感裝置的探測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種傳感技術，更特別地說，是指一種對采用全光纖連接的溫度和應力傳感裝置的探測方法。
技術背景分布式光纖傳感器可以埋入材料結構中，組成智能材料結構(Smart Structure) 實現(xiàn)結構本身的實時自檢測和自診斷，可應用于(1)高層建筑、智能大廈、橋梁、高速公路等災害性在線、動態(tài)檢測、防護及報警；(2)航空、航天飛行器的在線、動態(tài)檢測和機器人的神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)；(3)各種大、中型變壓器、發(fā)電機組的溫度分布測量、熱保護和故障診斷，地下和架空髙壓電力電纜、火力發(fā)電所的配管溫度的檢測，供熱系統(tǒng)(暖水、暖氣)的管道；(4)在煤礦石油工業(yè)中用于煤礦、隧道的災害防治及其報警；油庫、油罐、危險品倉庫、大型倉庫和大型輪船的貨倉火災監(jiān)測和預報；輸油管道的異常檢測和故障診斷等；此外還可用于化工原料生產(chǎn)過程的在線、動態(tài)檢測，醫(yī)院的ICU, CCU監(jiān)護病房的溫度監(jiān)測和火災監(jiān)測等。百前分布式光纖傳感器普遍采用相干探測方式，主要包括有光源、探測光纖、耦合器、放大器、脈沖調(diào)制器、微波聲光調(diào)制器、相干探測器、電學濾波器。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種適用于光纖分布式溫度和應力傳感裝置的探測方法，光纖分布式溫度和應力傳感裝置主要包括有光源1、鑒頻器2、恒溫溫箱3這三個模塊。該探測方法(A)利用光纖后向散射中拉曼散射作為溫度信息載波；(B)利用布里淵散射作為應力信息載波；(C)利用瑞利散射測定出激光器出射光相對鑒頻器的頻率偏置；然后利用Fabry-Perot標準具進行鑒頻。本發(fā)明的探測方法相比現(xiàn)有相干檢測手段，有效地解決了多個被測參數(shù)之間的交叉敏感問題；通過雙通道Fabry-Perot 標準具進行差分測量和頻率偏置，解決了大溫度0 40(TC測量范圍問題。由于不用頻率掃描，時間分辨率可由原來的數(shù)十分鐘提髙到十分之一秒。

12.第一摻鉺光纖放大器 2.鑒頻器 21.法-皮標準具 25.第五耦合器33.探測光纖 34.隔離器圖1是本發(fā)明光纖分布式溫度和應力傳感裝置的結構框圖。圖2是探測對象布里淵散射譜隨溫度和應力的變化曲線。圖3是雙通道Fabry-Perot標準具的透過率曲線圖。圖4是雙通道Fabry-Perot標準具在布里淵散頻移附近的透過率曲線圖5是布里淵通道對應力的響應曲線。圖6是大溫度動態(tài)范圍測定的原理圖。圖中 l.光源 U.光纖激光器13.脈沖調(diào)制器 14.第二摻鉺光纖放大器 22.第一準直器23.第二準直器 24.第四耦合器 3.恒溫溫箱31.偏振控制器 32.參考光纖 311.第一環(huán)形器312.第二環(huán)形器 313.第三環(huán)形器 321.第一光纖光柵 322.第二光纖光柵 323.第 331.第一耦合器332.第二耦合器 333.第三耦合器 51.第一探測器52.第二採測器 53.第三探測器具體實施方式
下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。請參見圖1所示，本發(fā)明是一種適用于光纖分布式溫度和應力傳感裝置的探測方法，是基于光纖拉曼散射作為溫度信息載波、布里淵散射作為應力信息載波、利用瑞利散射測定出射激光相對鑒頻器頻率并進行頻率偏置的、利用Fabiy-Perot標準具進行鑒頻的、同時分布式傳感溫度和應力的直接探測方法。主要包括有光源l、鑒頻器2、恒溫溫箱3這三個模塊，各模塊中的器件連接關系為光纖激光器ll輸出尾纖與第一摻鉺光纖放大器12的入纖熔接，第一摻鉺光纖放大器12的尾纖與脈沖調(diào)制器13的入纖熔接，脈沖調(diào)制器13的尾纖與第二摻鉺光纖放大器14的入纖熔接；第二摻鉺光纖放大器14的尾纖與第一環(huán)形器311的A端熔接，第一環(huán)形器311 的C端與第一光纖光柵321熔接，第一環(huán)形器311的B端與第一耦合器331的A 端熔接；第一耦合器331的B端與第二環(huán)形器312的A端熔接，第二環(huán)形器312 的B端與偏振控制器31的入纖熔接，偏振控制器31的尾纖熔接有一段作為探測器:光纖光柵 4.保偏光纖 54.第四採測器324.第四光纖光柵55.第五探測器
用的保偏光纖4，所述保偏光纖4的前20米稱作參考光纖32，后10000米稱作探測光纖33;第一耦合器331的C端與第二耦合器332的C端熔接,第二耦合器332 的D端與第二探測器52的光纖FC卡頭連接；第二環(huán)形器312的C端與波分復用器38的A端熔接，波分復用器38的C端與第四光纖光柵324的入纖熔接，第四光纖光柵324的出射尾纖與第一探測器51的光纖FC卡頭連接，波分復用器38的 B端與第三環(huán)形器313的B端熔接；第三環(huán)形器313的C端與第二耦合器332的 B端熔接；第二耦合器332的A端與第一準直器22的尾纖熔接，第一準直器22的出射光入射至法-皮(Fabiy-Perot)標準具21的A端，從法-皮(Fabry-Perot) 標準具21的B端的出射光入射至第四耦合器24中，第四耦合器24的尾纖與第三探測器53的光纖FC卡頭連接；第三環(huán)形器313的A端與第三光柵323的入纖熔接，第三光柵323的尾纖與隔離器34的入纖熔接，隔離器34的尾纖與第二光柵 322的入纖熔接，第二光柵322的尾纖與第三耦合器333的B端熔接，第三耦合器 333的C端與第四探測器54的光纖FC卡頭連接，第三耦合器333的A端與第二準直器23的尾纖熔接，第二準直器23的出射光入射至法-皮(Fabry-Perot)標準具21的C端，從法-皮(Fabry-Perot)標準具21的D端出射光入射至第五耦合器25中，第五耦合器25的尾纖與第五探測器55的光纖FC卡頭連接。在本發(fā)明中，所述光纖激光器釆用分布式半導體激光器(型號DFB — LDJDSU CQF938)，工作波長1550nm、線寬小于lMHz，具有光纖耦合輸出方式。在本發(fā)明中，激光器U、第一摻鉺光纖放大器12、脈沖調(diào)制器13和第二摻鉺光纖放大器14構成光源1。光源1輸出光是經(jīng)兩級放大、并脈沖調(diào)制后的脈沖光，其功率為0.8 1.2W。在本發(fā)明中，保偏光纖4采用PMF-1550-8/125-0.4-L熊貓型保偏單模光纖，數(shù) 值孔徑NA二O.ll,芯徑8.7/zw。在本發(fā)明中，第一光纖光柵321、第二光纖光柵322和第三光纖光柵323中心波長1550.92"m，濾波帶寬0.12"w,反射率98%;第四光纖光柵324的中心工作波長1550"m ,濾波帶寬0.12"m ，反射率99.4%。在本發(fā)明中，隔離器34的隔離度為>60dB@ 1550.92 ± 80 nm 。
在本發(fā)明中，第一耦合器331、第二耦合器332和第三耦合器333為1X2型的光纖熔融耦合器，其分束比例為30/70;第四耦合器24釆用自帶尾纖型光纖耦合鏡，焦距為21.7mm、出射光束直徑為4.8mm、發(fā)散角為0.42mrad;第五耦合器 25采用自帶尾纖型光纖耦合鏡，焦距為16.8m/n、出射光束直徑為3.38m附、發(fā)散角為0.34wraJ。在本發(fā)明中，第一準直器22采用自帶尾纖型光纖準直鏡，焦距為12.4mm、出射光束直徑為2.75mm、發(fā)散角為0.31wmJ;第二準直器23采用自帶尾纖型光纖準直鏡，焦距為15.3mw、出射光束直徑為3.8ww、發(fā)散角為0.24mmd。在本發(fā)明中，第一探測器51、第二探測器52、第三探測器53、第四探測器54 和第五探測器55釆用高頻率響應的InGaAs探測器組件。在本發(fā)明中，恒溫溫箱3可以提供溫度為55"C的工作溫度，溫度精度為0.01 。C的恒溫工作環(huán)境。在本發(fā)明中，鑒頻器2由法-皮標準具21、第一準直器22、第二準直器23、第一耦合器24和第二耦合器25構成;第一準直器22的出射光入射到法-皮標準具21 的A端(即瑞利通道入口端)，并從法-皮標準具21的B端(即瑞利通道出口端)出射到第一耦合器24中，經(jīng)第一耦合器24耦合后進入第三探測器53中；第二準直器23的出射光入射到法-皮標準具21的C端(即布里淵通道入口端)，并從法-皮標準具21的D端(即布里淵通道出口端)出射到第二耦合器25中，經(jīng)第二耦合器 25耦合后進入第五探測器55中。法-皮標準具21的A端與B端形成瑞利通道，C端與D端形成布里淵通道；在同一基板上制作具有雙通道標準具，使得雙通道的腔長和反射率不等，可形成具有固定頻率間隔的鑒頻器。其中，布里淵通道用作高分辨率鑒頻通道，將待測量的應力信息轉變成布里淵信號在法-皮標準具21上的透過率變化，從而實現(xiàn)應力的快速、直接檢測。瑞利通道用來測量激光器11的出射激光相對于鑒頻器2的頻率；本發(fā)明光纖分布式直接同時傳感溫度和應力的裝置在實現(xiàn)大溫度0 40(TC范圍檢測時，瑞利通道還用于預設激光器11的出射激光相對于鑒頻器2的頻率偏置Au。，,(r)。在本發(fā)明中，法-皮Fabry-Perot標準具21的口徑為50m附，而單路入射到標準具的光束直徑小于5mm，從而可以在同一個標準具上安裝約20路的光纖傳感光路。便于實現(xiàn)多路光纖網(wǎng)絡(二維或三位空間的)的溫度和應力的同時傳感。
本發(fā)明通過先使用拉曼散射譜檢測溫度，然后，在已知溫度條件下，應用布里淵散射譜探測應力信息。在本發(fā)明中，瑞利通道順次由第二耦合器332、第一準直器22、法-皮 (Fabry-Perot)標準具21和第四耦合器24構成；該通道用于測量第二摻鉺光纖放大器14輸出的激光脈沖相對于鑒頻器2的頻率；以及在實現(xiàn)溫度0 40(TC范圍內(nèi)測量時通過調(diào)節(jié)鑒頻器2中法-皮(Fabry-Perot)標準具21的腔長，可以預設激光器11出射光相對于鑒頻器2的頻率偏置。在本發(fā)明中，布里淵通道順次由第三環(huán)形器313、第三光纖光柵323、隔離器 34、第二光纖光柵322、第三耦合器333、第二準直器23、法-皮(Fabry-Perot) 標準具21、第五耦合器25、第四探測器54和第五探測器55構成；該通道將待測量的應力信息轉變成布里淵信號在法-皮(Fabry-Perot)標準具21上的透過率變化，從而實現(xiàn)應力的快速、直接檢測。在本發(fā)明中，拉曼通道順次由波分復用器38、第四光纖光柵324和第一探測器 51構成；通過測量脈沖信號在光纖4中的拉曼散射，根據(jù)該拉曼散射的強度隨溫度的變化可測量溫度隨光纖4的軸向分布。第一探測器51用于檢測拉曼通道的拉曼信號光強y;。第二探測器52用于檢測瑞利信號^在入射至鑒頻器2前的光強/2 ，在本發(fā)明中，簡寫為瑞利光強/2。第三探測器53用于檢測瑞利信號^透過鑒頻器2中的瑞利通道后的光強/3 ，在本發(fā)明中，簡寫為瑞利信號透過光強/3。第四探測器54用于檢測布里淵信號^在入射至鑒頻器2前的光強/4 ，在本發(fā) 明中，簡寫為布里淵光強/4。第五探測器55用于檢測布里淵信號/,透過鑒頻器2中的布里淵通道后的光強 /5，在本發(fā)明中，簡寫為布里淵信號透過光強/5。參見圖2所示，在本^:明中，應力探測以布里淵散射譜為應力探測對象，圖中， A號線是指參考溫度25X:，應力0//f時的布里淵散射譜、B號線是指參考溫度25 °C,應力2000/^時的布里淵散射譜、C號線是指參考溫度40CTC,應力0/ze時的布里淵散射譜、D號線是指參考溫度40(TC，應力2000pe時的布里淵散射譜，如
圖可知，溫度和應力都將引起布里淵散MI普的展寬和向髙頻方向的移動。溫度引起布里淵散射譜的頻移速率為1.37M/fe/°C，溫度引起布里淵散射譜的展寬速率為 0.15M/fe/°C。；應力引起的展寬速率為0.058M//z//^ ，應力引起的頻移速率為 0.077M他/;/f 。參見圖3所示，在本發(fā)明中，采用實測瑞利信號透過率7^ = /3//2和已標定的瑞利通道透過率曲線，可以獲得激光器11的出射光相對于鑒頻器2的頻率u。。采用布里淵信號透過率； = /5 / /4和已標定的布里淵通道透過率曲線，可以獲得光纖中待測量的應力信息e。圖中，A號線是指標定的瑞利通道透過率曲線，B號線是指布里淵通道透過率曲線。A號線比B號線的中心頻率高出200Mife,故設定出射激光相對于標準具的頻率偏置時，出射激光始終處于A號線的陡峭邊緣上。參見圖4所示，圖中，A號線是指標定的瑞利通道透過率曲線、B號線是指布里淵通道透過率曲線、C號線是指參考溫度25"C，應力0/^時的布里淵散射譜、D號線是指參考溫度25。C，應力2000^時的布里淵散射譜，由圖可以看出，當已知溫度條件下，應力將使布里淵散射譜向髙頻方向移動，且不斷展寬。但在已使用拉曼信號測得溫度時，布里淵散射信號在布里淵通道上的透過率函數(shù)/ ^(c)單調(diào)變化，如圖 5所示。測得布里淵散射信號在布里淵通道上的透過率； = /5//4,則可以反演應力信息。參見圖5所示，在布里淵光時域反射技術(BOTDR)中，認為采用"熊貓型" 保偏光纖作為傳感元件，可以達到較高測量靈敏度。本發(fā)明提出的應力檢測方法中的響應函數(shù)i M(f)與選用光纖的布里淵后項散射譜特性有關，本發(fā)明提出采用"熊貓型" 保偏光纖作為傳感元件。由于"熊貓型"保偏光纖的布里淵后項散射譜隨應力的增大而變寬，使得響應函數(shù)i^(f)的斜率變大，系統(tǒng)探測靈敏度增大。圖中，當光纖軸向應力在2000/^內(nèi)變化時，對應的"領結型"保偏光纖的響應函數(shù)變化范圍為26 45%;而對應的"熊貓型"保偏光纖的響應函數(shù)變化范圍為12~48%。從而"熊貓型"保偏光纖的探測靈敏度更高。參見圖6所示，相對于相干檢測方法中要求頻率逐步掃描的特性，為了保持傳感器測量精度，掃描步長必須很小5M/fe;為了保持測量動態(tài)范圍，掃描范圍必須很大1G搶。因此，該相干檢測單次測量耗時約為8 20min。在實際工作中，較多
應用場合要求測量瞬變溫度和應力信息，為了解決以上耗時時間長的矛盾，本發(fā)明提出將應力信息s轉變成布里淵信號在鑒頻器2上的透過率值Res(s)，從而實現(xiàn)了直接探測，無需頻率掃描，耗時短，單次測量只需0.1 10s (具體單次測量時間取決于測量精度的要求)。本發(fā)明與相干檢測方法相比，可避免相干檢測時諸多潛在噪聲源(相干檢測時，光源出射功率起伏，光源出射頻率漂移，聲光調(diào)制器和電光調(diào)制器的頻率不穩(wěn)定性都將直接引入測量誤差)；本發(fā)明提供的溫度和應力檢測方法，避免使用聲光調(diào)制器和電光調(diào)制器，而且對光源的頻率漂移和光源自身的強度起伏不敏感。圖中，A號線是指標定的瑞利通道透過率曲線、B號線是指布里淵通道透過率曲線、E號線是指光纖在參考溫度25。C，無應力時的布里淵散射譜、F號線是指光纖在參考溫度25CTC，無應力時的布里淵散射譜、G號線是指光纖在參考溫度40(TC，無應力時的布里淵散射譜。由此可見，要實現(xiàn)、2000/^的測量范圍，只要設置出射激光相對于鑒頻器2的頻率偏置，即可保證高溫(小于等于400°C)探測時，布里淵散射譜始終處于A號曲線的陡峭邊緣上，以達到高分辯率(1M他)的目的。實際探測時，鑒頻器的透過率曲線越窄，則測量靈敏度越高，但是測量動態(tài)范圍就越小。為了解決該矛盾，本發(fā)明提出頻率預偏置方法，解決了大溫度(0~400°C) 范圍內(nèi)的高精度應力測量問題，應力測量范圍為0 2000/^ 。本發(fā)明中設置了低精度的瑞利通道和高精度的布里淵通道。其中，髙精度布里淵通道用于測量應力信息e并保持高測量靈敏度；低精度的瑞利通道用于預設出射激光相對鑒頻器的頻率偏置不同溫度下的頻率偏置Au。，通過改變法-皮標準具21的腔長來實現(xiàn)。頻率預偏置方法可保證探測光纖4的布里淵后向散射譜始終處于法-皮標準具21的布里淵通道的透過率曲線的陡峭邊緣上(如圖3所示中的A號線)，達到高精度探測目的。根據(jù)本發(fā)明具體的探測目標譜的特性(布里淵散射譜對溫度和應力同時敏感)，設計了鑒頻器2結構。本發(fā)明特征之一在于設置了鑒頻器中的瑞利通道，通過標定的出射激光在鑒頻器中的瑞利通道上的透過率函數(shù)A(u)和實際測得的出射激光在鑒頻器中的瑞利通道上的透過率值^ =/3//2可以測量出射激光相對于鑒頻器2瑞利通道的頻率偏置u。(參考值為234MHz)。普通設計時，采用獨立的圓形通道結構；實際使用時各個單通道標準具的腔長的變化會引起標準具中心頻率的漂移，所以多個標準具之間的頻率間隔會隨機漂移，將導致嚴重的測量誤差。本發(fā)明公開了一種多種用途的標準具同一基板的技術。本發(fā)明中的鑒頻器特征之一在于采用雙通道Fabry-Perot標準具為核心器件，其由兩塊平行設置的圓形反射板組成。鏡片鍍膜時，左右兩個半圓通道的反射率不等，形成布里淵通道和瑞利通道。在布里淵通道的前反射鏡的內(nèi)側半圓上鍍膜形成高度為27.9nm 臺階，使布里淵通道的腔長比瑞利通道的腔長略小，使布里淵通道透過率峰值對應的頻率比瑞利通道透過率峰值對應的頻率高200Mife (如圖3所示)。使用中，采用本發(fā)明公開的雙通道結構，腔長漂移對200M/fe的頻率間隔將不會產(chǎn)生影響。所以測得出射激光相對于鑒頻器2中瑞利通道的頻率偏置u。就可以計算出射激光相對于鑒頻器2布里淵通道的頻率偏置^ (參考值為34M/fe )。在布里淵光時域反射技術(BOTDR)中，目前無法解決布里淵后向散射譜對溫度和應力交叉敏感的問題。本發(fā)明提出一種拉曼譜和布里淵譜同時檢測組合方式，解決了溫度和應力交叉敏感的問題。本發(fā)明中測得的對應光纖長度丄處的拉曼后向散射強度相對瑞利后向散射強度的變化值A^(Z)(即第一探測器51輸出功率乂與第二探測器52輸出功率/2比值的變化值)。根據(jù)光纖4的溫度響應系數(shù)C〖和溫度響應特性 (A7^(丄)=A^(丄)C^ )可以測量出在光纖4上長度丄處的相對參考值的溫度變化值。本發(fā)明中將光纖4所受的軸向應力轉化為已探測溫度下的布里淵后向散射在鑒頻器 2中布里淵通道上的透過率信息，通過測量布里淵信號的透過率^=/5//4和已標定布里淵通道對應力的響應曲線(參見圖5)，可測量應力信息s。本發(fā)明中設計了自校準組件，即光纖4的前20m作為參考光纖32，且參考光纖32置于恒溫溫箱3內(nèi)；光纖4的后10^作為探測光纖33，且探測光纖33置于恒溫溫箱3夕卜。在實際測量時，恒溫溫箱3的預設溫度為25土0.rC，通過比較預設溫度與參考光纖32測得的光纖溫度(在正常工作條件下，光纖溫度應等于預設溫度)，因此可以采用光纖溫度進行實時校準本發(fā)明裝置的測量結果。本發(fā)明將四個光纖光柵(第一光纖光柵321、第二光纖光柵322、第三光纖光柵323和第四光纖光柵324)、三個環(huán)形器(第一環(huán)形器311、第二環(huán)形器312和第三環(huán)形器313)、三個光纖耦合器(第一光纖耦合器331、第二光纖耦合器332 和第三光纖耦合器333)、波分復用器38和隔離器34置于恒溫溫箱3中，有效地消除了環(huán)境溫度對本發(fā)明裝置穩(wěn)定性的影響。
本發(fā)明適用于光纖分布式溫度和應力傳感裝置的探測方法的原理詳細說明如下一、拉曼散射譜測定溫度拉曼散射功率只對溫度敏感，對應力沒有響應，且靈敏度近3倍大于布里淵散射譜，因而，直接探測時，首先利用拉曼后向散射相對瑞利后向散射的功率比隨溫度的變化來檢測溫度。記探測光纖33在光纖長度丄處相對參考溫度25。C的溫度變化為 = A^(丄)C[A&(Z0，式中，A^(Z)是光纖長度Z處的拉曼后向散射相對瑞利后向散射的功率比變化(第一探測器51輸出功率與第二探測器52輸出功率比值的變化)，C:是溫度響應系數(shù)，由探測光纖33決定，在儀器校準時可以測定。二、應力的測量相干檢測中，必須通過頻率掃描，同時檢測布里淵散射的功率、譜寬、頻移三個物理量中的任意兩個，然后可以分別反演溫度和應力信息。因為布里淵后向散射功率受多種因素干擾，研究認為使用"熊貓型"保偏光纖，同時檢測布里淵散射譜的頻移和譜寬變化可以達到BOTDR技術的最高精度。本發(fā)明將溫度和應力引起的布里淵散射譜特性(頻移、譜寬、功率)的變化轉換為布里淵信號在高分辨率鑒頻器上的透過率的單調(diào)變化，從而實現(xiàn)溫度和壓力的同時傳感。因為最終檢測布里淵信號的透過率，信號的絕對強度只是影響測量的信噪比。布里淵散射譜的頻移是探測光纖33所承受溫度r和軸向應力s的函數(shù)，記為t^(r，。，且^(r,"-^(7;^。)+cXr-:r。)+cj"，式中，^(r。，s。)"i.2G歷為參考溫度 r。 =25°<:和無應力狀態(tài)￡() =0測得布里淵散射譜的頻移量，C:是探測光纖33的布里淵頻移的溫度響應系數(shù)，且C[-lJTM/ferC, CJ是探測光纖33的布里淵頻移的應力響應系數(shù)，且C:0.077M搶/^。布里淵散射譜寬是探測光纖33所承受溫度r和軸向應力^的函數(shù)，記為 Aus(r,￡)，且 Aufl(7 = AUfl(7;,s。)+c>(:r-:r0)+c;"，式中，(r。,f。) = 71Mife為參考溫度r。 = 25°C和無應力狀態(tài)e。 = o測得布里淵散射譜的譜寬，《是探測光纖33的布里淵散射譜譜寬的溫度響應系數(shù)，且Cf = 0.15M/fe/° C ， CAff是探測光纖33的布里淵散射譜譜寬的應力響應系數(shù)，且C, = 0.058M/fe//is 。
在本發(fā)明中，由于采用差分測量技術，將溫度的應力引起的布里淵散射譜的頻移和譜展寬轉變?yōu)椴祭餃Y散射信號在鑒頻器2上的，通過測量該透過率達到反演應力信息。該反演過程與布里淵散射信號的強度無關，故將布里淵散射譜的峰值歸一化。歸一化后的布里淵后向散射譜函數(shù)記為SB(u,:r,s)，且 <formula>formula see original document page 12</formula>，式中，"為入射光頻率。不同溫度和應力條件下的歸一化布里淵散射譜曲線參見圖2所示。在本發(fā)明中，鑒頻器2中Fabry-Perot標準具為核心器件，其布里淵通道用于檢測應力信息；其瑞利通道用于檢測出射激光相對鑒頻器2的頻率，在實現(xiàn)大動態(tài)范圍測量(寬溫度范圍0 40(TC、應力范圍0 2000/^)時，通過測定出射激光頻率在瑞利通道上的透過率，并調(diào)節(jié)標準具21的腔長，從而可以預設出射激光相對鑒頻器2的頻率偏置。Fabry-Perot標準具的頻譜函數(shù)記/ (u)，且<formula>formula see original document page 12</formula> ，式中，<9為
Fabry-Perot標準具的光束入射角(測試時，光束正入射^ = 0,入射光束并非完全準直，最大發(fā)散角為^^-0.31附rad); " 0.2%為標準具反射面的吸收損失；及為標準具的反射率；^為有效精細度；u為入射光頻率；ufsr為自由譜間距；DO表示對入射角^在最大發(fā)散角^^內(nèi)的積分。設計雙通道Fabry-Perot標準具曲線如圖3所示。Fabry-Perot標準具腔長 / = 27 mn (其決定自由譜間距u， = c/2"/， c為真空中的光速，"為標準具強內(nèi)介質折射率)。Fabiy-Perot標準具由前后兩塊反射鏡組成，其中前反射鏡的右半圓比左半圓高出28nm,通光口徑50mm。本文稱左通道為布里淵通道(B號線)，右通道為瑞利通道(A號線)。左右通道的反射率R分別為59.6%和95.4%，其決定反射精細度(&=^^)。按照目前制造工藝水平，雙通道的缺陷精細度(&)均為1 一ii200,從而有效精細度(& = (F/ + 2)分別為6和63 。在本發(fā)明中，當通過瑞利信號測得溫度^后，定義該測得溫度7^下的應力響應函數(shù)為&、(s)，且<formula>formula see original document page 12</formula>式中，~(")為布里淵通道的頻譜函數(shù)(如圖3中B號線所示)，c^表示對布里淵后向散射頻率u 的積分。雙通道Fabry-Perot標準具的透過率曲線在布里淵散射譜頻率中心處的局部顯示參見圖4所示。圖5為25T時，"熊貓型"保偏光纖和"領結型"保偏光纖的應力響應曲線 ^、(f)。測定布里淵散射信號在布里淵通道(A號線)上的透過率7; = /5//4,解非線性方程T^ = i e&(f)則可測量應力分布。三、大溫度動態(tài)范圍的實現(xiàn)在直接檢測技術中，高分辨率與大動態(tài)范圍是一個突出矛盾，當鑒頻器件的分辨率越高，其透過率曲線斜率越大，伹半高寬就越小，對應測量范圍越小。本發(fā)明公開一種解決辦法。如圖6所示，40(TC溫度范圍對應布里淵散射譜頻移的改變量接近 900MHz;設計應力測量范圍2000/^ ，其對應布里淵散射譜頻移的改變量為 46MHz。故在形成高分辨率鑒頻通道的同一塊基板上鍍膜形成另一個參考通道(瑞利通道)。瑞利通道的半高寬為lGHz。因為兩個通道制作在同一塊基板上，所以兩個通道沒有相對頻率誤差。為了使不同溫度下的布里淵散射譜處于鑒頻通道(A號線)的陡峭邊緣上，可以調(diào)節(jié)參考通道(B號線)相對出射激光的頻率間隔。因為雙通道的腔長一致，且增大腔長可以使得標準具中心頻率下移，頻移量Au。^與腔長增量A/的關系為^^ =-;,式中，"—"號表示當要求標準具21相對出射激光的頻率上移時，腔長需要縮短。在本發(fā)明中，當探測光纖33某一段的應力分布時，可以首先由拉曼散射譜測得溫度rD;然后由布里淵散射譜的頻移& (7 = ufl (r。， e。 )+C x (r - r。 )+c> s可知該溫度下、無應力狀態(tài)引起的布里淵頻移量^(7^，0),并由此可知標準具相對出射激光的頻率上移值a u。, (r) = w (rD ， o) - w (r。， o)。在本發(fā)明中，可以由頻移量Au。，,與腔長增量a/的關系=-* ，以及標準具相對出射激光的頻率上移值Au。,(r)-i^(r。，o)-A(7;，o)可知溫度值對應的腔長增量。通過調(diào)制Fabry-Perot標準具中壓電陶瓷驅動器的電壓值，可以將腔長精確到O.lnm，對應頻率誤差0.71MHz (對應應力測定誤差約31/zs)。伹是，實際測量中，通過測量出射光在參考通道上的透過率值可知出射激光相對標準具中心的頻率，從而消除該項誤差。
本發(fā)明光適用于光纖分布式溫度和應力傳感裝置的探測方法的特點1. 本發(fā)明裝置和已有的光纖分布式傳感相干檢測系統(tǒng)相比，其結構簡單，穩(wěn)定性好，可避免相干檢測時諸多潛在噪聲源(相干檢測時，光源出射功率，光源出射頻率，聲光調(diào)制或電光調(diào)制頻率的不穩(wěn)定性都將直接引入測量誤差)；采用差分直接檢測技術鑒頻，對光源的頻率漂移，信號強度的起伏不敏感。2. 無需頻率掃描，時間分辨率髙(lOHz)，適用瞬變環(huán)境檢測。3. 測量動態(tài)范圍大(40(TC溫度范圍、應力測量范圍2000/^)。4. 后期數(shù)據(jù)處理簡單，無需大量復雜計算。5. Fabry-Perot標準具的口徑50mm，而單路入射到標準具的光束直徑小于 5mm，從而可以在同一個標準具上安裝約20路的光纖傳感光路。便于實現(xiàn)多路光纖網(wǎng)絡同時傳感溫度和應力。
權利要求
1、一種適用于光纖分布式溫度和應力傳感裝置的探測方法，其特征在于所述光纖分布式溫度和應力傳感裝置中的溫度測定是以探測光纖(33)在光纖長度L處相對參考溫度25℃的溫度變化為<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mi>ΔT</mi> <mi>R</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>L</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>ΔI</mi> <mi>R</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>L</mi> <mo>)</mo></mrow><msubsup> <mi>C</mi> <mi>R</mi> <mi>T</mi></msubsup><msub> <mi>ΔT</mi> <mi>R</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>L</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu>式中，ΔIR(L)是光纖長度L處的拉曼后向散射相對瑞利后向散射的功率比變化，CRT是溫度響應系數(shù)；所述光纖分布式溫度和應力傳感裝置中的應力測量為(A)布里淵散射譜的頻移是以探測光纖(33)所承受溫度T和軸向應力ε的函數(shù)，記為υB(T，ε)，且<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mi>&upsi;</mi> <mi>B</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>T</mi> <mo>,</mo> <mi>ϵ</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>&upsi;</mi> <mi>B</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>T</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub><mi>ϵ</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msubsup> <mi>C</mi> <mi>&upsi;</mi> <mi>T</mi></msubsup><mo>×</mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>T</mi> <mo>-</mo> <msub><mi>T</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msubsup> <mi>C</mi> <mi>&upsi;</mi> <mi>ϵ</mi></msubsup><mo>×</mo><mi>ϵ</mi><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu>式中，υB(T0，ε0)＝11.2GHz為參考溫度T0＝25℃和無應力狀態(tài)ε0＝0測得布里淵散射譜的頻移量，CυT是探測光纖(33)的布里淵頻移的溫度響應系數(shù)，且Cυε是探測光纖(33)的布里淵頻移的應力響應系數(shù)，且<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msubsup> <mi>C</mi> <mi>&upsi;</mi> <mi>ϵ</mi></msubsup><mo>=</mo><mn>0.077</mn><mi>MHz</mi><mo>/</mo><mi>μϵ</mi><mo>;</mo> </mrow></math>]]></math-cwu>(B)布里淵散射譜寬是探測光纖(33)所承受溫度T和軸向應力ε的函數(shù)，記為ΔυB(T，ε)，且<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mi>Δ&upsi;</mi> <mi>B</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>T</mi> <mo>,</mo> <mi>ϵ</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>Δ&upsi;</mi> <mi>B</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>T</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub><mi>ϵ</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msubsup> <mi>C</mi> <mi>b</mi> <mi>T</mi></msubsup><mo>×</mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>T</mi> <mo>-</mo> <msub><mi>T</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msubsup> <mi>C</mi> <mi>b</mi> <mi>ϵ</mi></msubsup><mo>×</mo><mi>ϵ</mi><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu>式中，ΔυB(T0，ε0)＝71MHz為參考溫度T0＝25℃和無應力狀態(tài)ε0＝0測得布里淵散射譜的譜寬，CbT是探測光纖33的布里淵散射譜譜寬的溫度響應系數(shù)，且Cbε是探測光纖33的布里淵散射譜譜寬的應力響應系數(shù)，且<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msubsup> <mi>C</mi> <mi>b</mi> <mi>ϵ</mi></msubsup><mo>=</mo><mn>0.058</mn><mi>MHz</mi><mo>/</mo><mi>μϵ</mi><mo>;</mo> </mrow></math>]]></math-cwu>(C)采用差分測量技術，將溫度的應力引起的布里淵散射譜的頻移和譜展寬轉變?yōu)椴祭餃Y散射信號在鑒頻器(2)上的，通過測量該透過率達到反演應力信息；該反演過程與布里淵散射信號的強度無關，故將布里淵散射譜的峰值歸一化；歸一化后的布里淵后向散射譜函數(shù)記為SB(υ，T，ε)，且SB(υ，T，ε)＝ΔυB(T，ε)2/{4[υ-υB(T，ε)]2+ΔυB(T，ε)2}，式中，υ為入射光頻率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于光纖分布式溫度和應力傳感裝置的探測方法，光纖分布式溫度和應力傳感裝置主要包括有光源(1)、鑒頻器(2)、恒溫溫箱(3)這三個模塊，各模塊之間全部采用保偏光纖連接。本發(fā)明探測方法是基于光纖拉曼散射作為溫度信息載波、布里淵散射作為應力信息載波、利用瑞利散射測定出射激光相對鑒頻器頻率并進行頻率偏置的、利用Fabry-Perot標準具進行鑒頻的、同時分布式傳感溫度和應力的直接探測方法。其結構簡單，穩(wěn)定性好，可避免相干檢測時光源出射功率、光源出射頻率、聲光調(diào)制或電光調(diào)制頻率的不穩(wěn)定性都將直接引入測量誤差，采用差分直接檢測技術鑒頻，對光源的頻率漂移，信號強度的起伏不敏感。
文檔編號G01D5/26GK101158591SQ20071017586
公開日2008年4月9日申請日期2007年10月15日優(yōu)先權日2007年10月15日
發(fā)明者夏海云, 楊遠洪, 牟宏謙申請人:北京航空航天大學

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