专利名称：一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种分布式光纤传感测量装置，尤其是涉及一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置及方法。
背景技术：
光纤传感技术一种新型的传感技术，具有测量精度高、抗电磁干扰、本质安全、分布式测量等优点，在电力、石化、结构、消防等领域具有广泛应用。基于布里渊散射的分布式光纤传感器是近年来发展迅速的光纤传感器，其通过检测光纤各位置背向自发或受激布里渊散射光相对入射光的频移量来实现分布式传感器对各种参数的测量，如对电缆的温度和应变的测量，尤其是基于受激布里渊散射效应的布里渊光时域分析仪(Brillouin OpticalDomain Analysis, B0TDA),米用环路光纤的光路结构，因受激散射信号被放大，测量距离可 达数十公里，远高于其它类型的分布式光纤传感器，是目前分布式光纤传感器中最具应用前景的一种。但是，由于布里渊频移量对温度和应变同时敏感，且二者是线性相关的，因此在实际应用过程中会存在温度和应变交叉敏感的问题，因此很难从最终得到的布里渊频移量中分离出温度和应力各自引起的变化量，严重阻碍了此类传感器的应用推广。目前已报道的能同时测量温度和应变的相关解决技术有以下几种I.散射光强度和频移的双参量法(J. Smith et al.，" Simultaneousdistributed strain and temperature measurement, " Appl. Opt, 38 :5372-5377,1999)这类方法同时测量背向散射光强度和频移量，联立方程解出温度和应力变化量。但布里渊光强度的测量限制了传感器的探测距离，而且光强度检测易受到外界扰动，光源输出功率抖动以及偏振态漂移等问题的影响。2.特殊光纤法(X. Bao, Q. Yu and L. Chen, " Simultaneous strain andtemperature measurements with polarization-maintaining fibers and their erroranalysis by use of a distributed Brillouin loss system," Optics letters,29 (12)1342-1344,2004):这类方法采用保偏光纤、光子晶体光纤、大有效面积光纤等特殊光纤区分温度应力两物理量，但由于特殊光纤大都价格昂贵，因此用于长距离传感应用成本过高。3.申请号为201010229960. 7的发明专利公开了一种使用分布式光纤传感器同时测量温度和应力的装置和方法，将两根温度系数和应变系数不同的测量光纤并列设置，通过光开关切换装置的切换得到每根测量光纤的布里渊频移值，再联立方程即可同时得出温度和应力变化量。但该方案需要实现4根光纤以实现2个光纤环路。4.专利号为US 7599047B2的美国专利公开了一种新的装置和方法，采用折射率不同的两根光纤，将两根折射率不同光纤利用分路器连接或直接焊接在一起形成一个光纤环路，通过分别测量两光纤在同一位置的布里渊频移量，联立方程可同时解出该位置温度和应变变化量。但由于光纤存在损耗，光纤尾端的散射信号弱，从而导致布里渊频移测量噪声大，进而影响解调的温度和应变的测量精度，因此利用该方案可实现的测量距离有限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种适合长距离、高测量精度的能同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置及方法。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置，包括布里渊光时域分析�？�、探测光缆模块，还包括光开关�？椋龅牟祭镌ü馐庇蚍治瞿？樯柚糜新龀寮す馐涑龆丝诤捅闷旨す馐涑龆丝冢龅墓饪啬？樯柚糜辛礁龉庑藕攀淙攵丝诤土礁龉庑藕攀涑龆丝冢龅奶讲夤饫履？榘礁祭镌ㄆ狄莆露认凳蛘�/和布里渊频移应变系数不同的第一单模光纤和第二单模光纤，所述的第一单模光纤和所述的第二单模光纤末端连接，所述的布里渊光时域分析�？榈穆龀寮す馐涑龆丝诤退龅谋闷旨す馐涑龆丝诜直鹩胨龅墓饪啬？榈牧礁龉庑藕攀淙攵丝诹� 接，所述的光开关�？榈牧礁龉庑藕攀涑龆丝诜直鹩胨龅牡谝坏ツ９庀撕偷诙ツ９庀说氖淙攵肆印２祭镌ü馐庇蚍治瞿？槭抢檬芗げ祭镌ㄉ⑸湫вΧ瞥傻牟祭镌ㄐ土植际焦庀舜衅鳎媚？榻龀寮す夂捅闷旨す庀嘞蛉肷涞焦庀瞬饬炕仿飞希迪止庀朔植际轿露�、应变测量。探测光缆模块的第一单模光纤和第二单模光纤的始端作为探测光缆�？榈氖淙攵丝冢谝坏ツ９庀撕偷诙ツ９庀说哪┒送ü劢踊蛘呤逝淦髁樱谝坏ツ９庀撕偷诙ツ９庀斯餐钩刹祭镌ü馐庇蚍治瞿？榈囊桓龉庀瞬饬炕仿�。通过控制光开关�？椋沟貌祭镌ü馐庇蚍治瞿？榈穆龀寮す庋≡裣韧ü讲夤饫履？榈牡谝坏ツ９庀嘶故窍韧ü诙ツ９庀�。一种使用上述的分布式光纤传感装置同时测量温度和应变的方法，它包括以下步骤(I)测量第一单模光纤的布里渊频移分布通过控制光开关�？椋沟貌祭镌ü馐庇蚍治瞿？榈穆龀寮す庋≡裣韧ü谝坏ツ９庀耍貌祭镌ü馐庇蚍治瞿？椴饬康玫降谝坏ツ９庀说牟祭镌ㄆ狄品植糀va(Z)。(2)测量第二单模光纤的布里渊频移分布通过控制光开关�？椋沟貌祭镌ü馐庇蚍治瞿？榈穆龀寮す庋≡裣韧ü诙ツ９庀耍貌祭镌ü馐庇蚍治瞿？椴饬康玫降诙ツ９庀说牟祭镌ㄆ狄品植糀vb(Z)。(3)计算沿探测光缆分布的温度和应变值根据步骤(I)、(2)得到的第一单模光纤和第二单模光纤的布里渊频移分布AVA(Z)、AvB(z)，联立方程组计算沿探测光缆分布的温度值T(Z)和应变值e (z)T⑷=气(t 宁，)
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.、S-^Ava (z) - K-^Avb (z)g⑵二TTAB式中#、rf分别为第一单模光纤的布里渊频移温度系数和应变系数，4、分别为第二单模光纤的布里渊频移温度系数和应变系数。与现有技术相比，本发明的优点在于通过一个具有两个光信号输入端口和两个光纤输出端口的光开关�？榈那谢豢刂疲直鹗迪至礁哂胁煌祭镌ㄆ莆露认凳蛘卟祭镌ㄆ朴Ρ湎凳牡ツ９庀说牟祭镌ㄆ狄撇饬浚ü⒎匠痰玫窖靥讲夤饫路植嘉露群陀Ρ渲担颖局噬辖饩隽瞬祭镌ü馐庇蚍治瞿？槲露扔胗Ρ浣徊婷舾形侍猓峁辜虻�。由于两根单模光纤的布里渊频移测量时均为光纤环路的前端，布里渊散射信号强，信噪比高，有效的保证了在远距离光纤探测时的测量精度，增加了光纤的有效测量距离。
图I为本发明一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置结构图。图2为本发明温度和应变同时测量方法的基本流程框图。
具体实施例方式以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。如图I所示，一种可同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置，包括布里渊光 时域分析�？�1，光开关�？�2和探测光缆�？�3。其中布里渊光时域分析�？镮采用受激布里渊散射效应研制的分布式光纤传感�？椋臼道∮媚ㄅ党酃獾缱灾餮蟹⒌牟種TB-50，其设置有两个输出端口 11和12，其中端口 11输出脉冲激光(probe)，端口 12输出泵浦激光(pump)，脉冲激光和泵浦激光相向入射到传感光纤后，利用受激布里渊散射效应可实现沿光纤分布的布里渊频移量，从而可以实现分布式温度应变测量；光开关�？�2采用2X2微机械光开关，其具有4个端口，分别为输入端口 21和22、输出端口 23和24，通过电路控制可选择两种光路，分别为平行光路21 — 23,22 — 24以及交叉光路21 — 24、22 — 23 ;探测光缆�？�3包含有两根具有不同类型的第一单模光纤31和第二单模光纤32，其中这两根单模光纤的一端33和34作为探测光缆�？�3的两个输入端，分别与光开关模块2的输出端23和24相连，这两根光纤的另一端35和36利用光纤接续盒37熔接在一起，本实施例中第一单模光纤31选用美国Corning公司的G652光纤,该光纤的布里渊偏移温度系数和应变系数分别为I. 23MHz/K、0. 050MHz/ii e，第二单模光纤32选用美国Corning公司的G655光纤，该光纤的布里渊偏移温度系数和应变系数分别为I. 51MHz/K、0. 053MHz/U ￡，第一单模光纤31和第二单模光纤32的布里渊频移温度系数和应变都不同。首先，通过电路控制开光开�？�2，选择平行光路21 — 23和22 — 24，此时布里渊光时域分析�？镮的端口 11输出的脉冲激光经光开关的端口 21和23，入射到探测光缆�？�3的33端口，先经过第一单模光纤31 (G652光纤)，然后经端口 35、光纤接续盒37、端口36、第二单模光纤32(G655光纤)以及光开关�？�2的端口 24和22,最后入射到布里渊光时域分析模块I的泵浦激光器端口 12，构成一个完整的光纤回路。由于脉冲激光先经过第一单模光纤31 (G652光纤)，因此光开关�？�2处于平行光路时，测量得到的是第一单模光纤31 (G652光纤)的布里渊频移分布。
其次，通过电路控制开光开�？�2，选择交叉光路21 — 24和22 — 23，此时布里渊光时域分析�？镮的端口 11输出的脉冲激光经光开关的端口 21和24，入射到探测光缆�？�3的34端口，先经过第二单模光纤32 (G655光纤)，然后经端口 36、光纤接续盒37、端口35、第一单模光纤31 (G652光纤)以及光开关�？�2的端口 23和22,最后入射到布里渊光时域分析�？镮的泵浦激光器端口 12，构成一个完整的光纤回路。由于脉冲激光先经过第二单模光纤32(G655光纤)，因此光开关�？�2处于交叉光路时，测量得到的是第二单模光纤32 (G655光纤)的布里渊频移分布。最后，利用第一单模光纤31 (G652光纤)和第二单模光纤32(G655光纤)的布里渊频移分布以及这两种光纤的布里渊偏移温度系数和应变系数可计算得到沿探测光缆3分布的温度值T(Z)和应变值e (z)
、 k\Kva(z)-r；4AvB(z)T(Z)= - J ；
权利要求
1.一种同时測量温度和应变的分布式光纤传感装置，包括布里渊光时域分析�？�、探测光缆�？椋涮卣髟谟谠谒龅牟祭镌ü馐庇蚍治瞿？楹退龅奶綔y光缆�？橹渖柚糜泄饪啬？椋龅牟祭镌ü馐庇蚍治瞿？樯柚糜新龀寮す馐涑龆丝诤捅闷旨す馐涑龆衰恚龅墓饪啬？樯柚糜辛礁龉庑藕攀淙攵丝诤土礁龉庑藕攀涑龆衰恚龅奶讲夤饫履？榘礁祭镌ㄆ狄莆露认凳蛘�/和布里渊频移应变系数不同的第一单模光纤和第二单模光纤，所述的第一单模光纤和所述的第二单模光纤末端连接，所述的布里渊光时域分析�？榈穆龀寮す馐涑龆丝诤退龅谋闷旨す馐涑龆衰矸直鹩胨龅墓饪啬？榈牧礁龉庑藕攀淙攵衰砹樱龅墓饪啬？榈牧礁龉庑藕攀涑龆衰矸直鹩胨龅牡谝坏ツ９庀撕偷诙ツ９庀说氖淙攵肆�。
2.如权利要求I所述的ー种同时測量温度和应变的分布式光纤传感装置，其特征在于 所述的第一单模光纤和所述的第二单模光纤末端通过熔接或者光纤适配器连接。
3.如权利要求I所述的ー种同时測量温度和应变的分布式光纤传感装置，其特征在于通过控制所述的光开关�？椋沟盟龅牟祭镌ü馐庇蚍治瞿？榈穆龀寮す庋≡裣韧ü龅牡谝坏ツ９庀嘶故窍韧ü龅牡诙ツ９庀�。
4.ー种使用权利要求I所述的分布式光纤传感装置同时测量温度和应变的方法，其特征在于它包括以下步骤 (1)測量所述的第一单模光纤的布里渊频移分布 通过控制所述的光开关�？椋沟盟龅牟祭镌ü馐庇蚍治瞿？榈穆龀寮す庋≡裣韧ü龅牡谝坏ツ９庀耍盟霾祭镌ü馐庇蚍治瞿？椴饬康玫剿龅牡谝坏ツ９庀说牟祭镌ㄆ狄品植鸡� VA (Z)。
(2)測量所述的第二单模光纤的布里渊频移分布 通过控制所述的光开关�？椋沟盟龅牟祭镌ü馐庇蚍治瞿？榈穆龀寮す庋≡裣韧ü龅牡诙ツ９庀耍盟龅牟祭镌ü馐庇蚍治瞿？椴饬康玫剿龅牡诙ツ９庀说牟祭镌ㄆ狄品植鸡� νΒ (Z)。
(3)计算沿探测光缆分布的温度和应变值 根据步骤(I)、(2)得到的所述的第一单模光纤和所述的第二单模光纤的布里渊频移分布ΛνΑ(ζ)、ΛνΒ(ζ)，联立方程组计算沿探测光缆分布的温度值T(Z)和应变值ε (ζ)
全文摘要
本发明公开了一种同时测量温度和应变的分布式光纤传感装置，包括布里渊光时域分析模块、探测光缆�？楹凸饪啬？椋祭镌ü馐庇蚍治瞿？樯柚糜新龀寮す馐涑龆丝诤捅闷旨す馐涑龆丝冢饪啬？樯柚糜辛礁龉庑藕攀淙攵丝诤土礁龉庑藕攀涑龆丝冢讲夤饫履？榘礁祭镌ㄆ狄莆露认凳蛘�/和布里渊频移应变系数不同的两根末端连接的单模光纤，脉冲激光输出端口和泵浦激光输出端口分别与光开关�？榈牧礁龉庑藕攀淙攵丝诹樱饪啬？榈牧礁龉庑藕攀涑龆丝诜直鹩肓礁ツ９庀说氖淙攵肆樱ü饪啬？榈那谢豢刂疲直鸩饬苛礁庀说牟祭镌ㄆ狄品植迹佣迪痔讲夤饫挛露群陀Ρ涞耐辈饬浚祭镌ㄉ⑸湫藕徘浚旁氡雀撸行Р饬烤嗬氤�。
文档编号G01L1/24GK102706477SQ201210192560
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月8日 优先权日2012年6月8日
发明者刘航杰, 戴世勋, 李浩泉, 涂勤昌, 阮祥磊 申请人:宁波诺驰光电科技发展有限公司
专业数控铣床产品供应商
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