專利名稱：基于弱布拉格反射結(jié)構(gòu)光纖的分布式傳感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別是針對(duì)弱布拉格反射周期結(jié)構(gòu)光纖在分布式傳感 中的應(yīng)用。其基于分布式光纖的連續(xù)后向散射效應(yīng)和波長(zhǎng)調(diào)制傳感特點(diǎn)，結(jié)合“光波長(zhǎng)時(shí)域 反射(0WTDR)”創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)行參量檢測(cè)和定位，獲得沿光纖沿線待測(cè)參量的空間場(chǎng)分布，構(gòu) 成基于弱布拉格反射結(jié)構(gòu)光纖的分布式傳感報(bào)警系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
材料與結(jié)構(gòu)的智能化是21世紀(jì)具有挑戰(zhàn)性的課題。利用智能結(jié)構(gòu)分析監(jiān)測(cè)工程 結(jié)構(gòu)損傷，評(píng)估高危設(shè)備工作狀況，對(duì)于防止災(zāi)難性事故的突發(fā)、保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)的安全 具有十分重要的意義。因而，光纖傳感技術(shù)近年來(lái)得到了迅速發(fā)展，也受到人們?cè)絹?lái)越多的 關(guān)注。其中，分布式光纖傳感(DOFS)更是成為了目前國(guó)際上研究的熱點(diǎn)。目前已經(jīng)報(bào)道的 分布式光纖傳感技術(shù)主要有三類①基于光纖后向散射的光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)；②長(zhǎng)距 離干涉技術(shù)(Interferometer)；③基于光纖布拉格光柵(FBG)復(fù)用的準(zhǔn)分布傳感技術(shù)等?；诠夂笙蛏⑸浼夹g(shù)的分布式傳感利用光時(shí)域反射探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)根據(jù)后向散射 光的特性(光強(qiáng)、偏振態(tài)、頻率等)改變確定待測(cè)參量大小，根據(jù)回波時(shí)間確定位置，由此獲 得待測(cè)參量的空間分布，空間分辨率由脈沖寬度決定。這類傳感器光收、發(fā)在光纖的同一 端，單光源工作，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但是后向散射光非常弱，單次探測(cè)靈敏度較低，多次平均測(cè)量則 實(shí)時(shí)性較差，對(duì)數(shù)據(jù)處理能力要求非常高。同時(shí)，光強(qiáng)度傳感表現(xiàn)為輸出信號(hào)光功率的變 化，在長(zhǎng)距離探測(cè)中容易受到諸多因素的影響，測(cè)量準(zhǔn)確性和可靠性很難保證；光偏振態(tài)傳 感要求采用保偏光纖，成本高，且提取偏振態(tài)演化信息在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上難度較高。將長(zhǎng)程馬赫一澤德、薩格納克以及邁克爾遜等干涉儀混合使用，可對(duì)隨時(shí)間變化 的擾動(dòng)進(jìn)行分布式測(cè)量。例如，薩格納克/馬赫一澤德、薩格納克/邁克耳遜、薩格納克/ 薩格納克、馬赫一澤德/馬赫一澤德以及差分環(huán)/環(huán)等雙干涉儀結(jié)構(gòu)，其中包括單光源單探 測(cè)器和單光源雙探測(cè)器等類型。這類傳感器依靠正向傳輸?shù)墓庑盘?hào)干涉?zhèn)鞲泻吞囟ńY(jié)構(gòu)定 位，具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)信號(hào)檢測(cè)、傳感距離長(zhǎng)、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。但是干涉表現(xiàn)為輸出信號(hào) 光功率的變化，在長(zhǎng)距離探測(cè)中容易受到諸多因素的影響，測(cè)量準(zhǔn)確性和可靠性很難保證; 作為傳感光纖的通信光纜中的偏振衰落現(xiàn)象難以解決；相位調(diào)制型的干涉原理導(dǎo)致難以實(shí) 現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)檢測(cè)；結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此，干涉技術(shù)難以在長(zhǎng)距離分布式傳感中實(shí)用化。FBG傳感表現(xiàn)為中心波長(zhǎng)調(diào)制(或波長(zhǎng)編碼)，通過(guò)對(duì)FBG反射波長(zhǎng)移動(dòng)的監(jiān)測(cè)即 可測(cè)量外界參量的變化，探測(cè)能力不受光源功率波動(dòng)、光纖彎曲損耗、探測(cè)器老化等因素的 影響，適合長(zhǎng)期安全監(jiān)測(cè)。但基于FBG的分布式傳感面臨的一大難題是系統(tǒng)復(fù)用容量受到 光源和濾波器帶寬的限制，一個(gè)陣列一般只能復(fù)用15個(gè)左右的光柵，這對(duì)于長(zhǎng)距離高密度 的分布式檢測(cè)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此光纖光柵復(fù)用技術(shù)的研究受到廣泛關(guān)注，該方法解決了 波分復(fù)用技術(shù)中復(fù)用數(shù)目受光源和波長(zhǎng)解調(diào)器帶寬限制的問(wèn)題，但是仍然需要解調(diào)反射光 波長(zhǎng)才能確定溫度最大值，而且最大的缺點(diǎn)是無(wú)法分辨發(fā)生超溫的具體位置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有的分布式光纖傳感技術(shù)存在的問(wèn)題，提 供一種基于弱布拉格反射結(jié)構(gòu)光纖的分布式傳感系統(tǒng)，使其在溫度、應(yīng)力和振動(dòng)等參量的 長(zhǎng)距離傳感報(bào)警中獲得廣泛應(yīng)用，本發(fā)明具有很高的檢測(cè)靈敏度和振動(dòng)定位精度，該系統(tǒng) 容易實(shí)現(xiàn)、成本較低，而且運(yùn)行可靠。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用以下的技術(shù)方案
基于弱布拉格反射結(jié)構(gòu)光纖的分布式傳感系統(tǒng)，包括SG-DBR可調(diào)諧激光器、電光調(diào)制 器、光隔離器、光環(huán)形器、弱布拉格反射周期結(jié)構(gòu)光纖，它們依次相連；SG-DBR可調(diào)諧激光 器由波長(zhǎng)調(diào)諧控制電路控制，電光調(diào)制器由脈沖函數(shù)發(fā)生器控制，光環(huán)行器上還接有光探 測(cè)器，波長(zhǎng)調(diào)諧控制電路和電光調(diào)制器輸出的控制信號(hào)與光探測(cè)器輸出的電信號(hào)共同進(jìn)入 數(shù)據(jù)采集卡，處理后送入數(shù)據(jù)分析設(shè)備。所述弱布拉格反射周期結(jié)構(gòu)光纖包括依次相連的加有保護(hù)裝置的參考光柵和全 同弱布拉格反射周期結(jié)構(gòu)，光環(huán)行器接至加有保護(hù)裝置的參考光柵。所述弱布拉格反射結(jié)構(gòu)光纖包括外層的紫外透明涂覆層和內(nèi)層的光纖纖芯，光纖 纖芯上序列分布弱布拉格反射結(jié)構(gòu)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具有以下優(yōu)點(diǎn)
其一，本發(fā)明采用弱布拉格反射結(jié)構(gòu)(WBRS)作為傳感單元，反射率比后向散射技術(shù)要 高出數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，探測(cè)更為容易且測(cè)量精度更高，反射率可根據(jù)應(yīng)用要求靈活設(shè)計(jì)。其二，本發(fā)明探測(cè)的是波長(zhǎng)變化，而不是強(qiáng)度變化，不受光源功率波動(dòng)影響，性能 上更為可靠。其三，本發(fā)明采用全同弱布拉格反射結(jié)構(gòu)(WBRS)，各個(gè)位置的后向反射率極低，可 以滿足長(zhǎng)距離檢測(cè)而不會(huì)遺漏任何位置的測(cè)量信息。因此，傳感距離和檢測(cè)密集度將得到 質(zhì)的提高。其四，本發(fā)明采用光波長(zhǎng)時(shí)域反射(OWTDR)技術(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)探測(cè)與定位，無(wú)需波長(zhǎng) 解調(diào)，實(shí)時(shí)性高，成本低。本發(fā)明能夠突破現(xiàn)行光纖傳感技術(shù)的困境，大幅度提高傳感系統(tǒng)容量以及傳感距 離，可廣泛應(yīng)用于橋梁安全控制、輸變電線路監(jiān)控、區(qū)域周界安全警戒、核電站安全監(jiān)測(cè)和 海底監(jiān)視等監(jiān)控領(lǐng)域。


圖1為基于弱布拉格周期結(jié)構(gòu)光纖的分布式傳感報(bào)警系統(tǒng)原理示意圖。圖2是本發(fā)明的弱布拉格反射周期結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)示意圖。圖中圖中1.取樣光柵 分布布拉格反射(SG-DBR)可調(diào)諧激光器；2.波長(zhǎng)調(diào)諧控制電路；3.脈沖函數(shù)發(fā)生器；4.電 光調(diào)制器；5.光隔離器；6.光環(huán)形器；7.弱布拉格反射周期結(jié)構(gòu)光纖(WBF) ;8.光探測(cè)器； 9.數(shù)據(jù)采集卡；10.數(shù)據(jù)分析設(shè)備；11.加有保護(hù)裝置的參考光柵；12.全同弱布拉格反射 周期結(jié)構(gòu)(WBRS) ;13.紫外透明涂覆層；14.弱布拉格反射周期結(jié)構(gòu)；15.光纖纖芯。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了基于弱布拉格反射周期結(jié)構(gòu)光纖的分布式傳感報(bào)警方法及其系統(tǒng)。
本發(fā)明在長(zhǎng)距離光纖上內(nèi)刻一系列全同弱布拉格反射結(jié)構(gòu)(WBRS)，作為系統(tǒng)的傳 感單元。第一個(gè)WBRS為參考單元(圖1中的11)，置于環(huán)境保持恒定的保護(hù)裝置內(nèi)，其中心 波長(zhǎng)作為參考波長(zhǎng)，其他WBRS的中心波長(zhǎng)均以此為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷波長(zhǎng)漂移量。采用取樣光柵 分布布拉格反射(SG-DBR)可調(diào)諧激光器作為系統(tǒng)光源，由波長(zhǎng)調(diào)諧控制電路驅(qū)動(dòng)，程控輸 出波長(zhǎng)按設(shè)定好的信道間隔和轉(zhuǎn)換速率變化。SG-DBR屬于電流注入型激光器，可以達(dá)到很 高的調(diào)諧性能調(diào)諧帶寬30nm，信道間隔1pm，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換時(shí)間100ns，線寬4MHz。SG-DBR激 光器輸出的窄帶直流光通過(guò)由脈沖函數(shù)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)的電光調(diào)制器變成脈沖光，經(jīng)過(guò)光隔離 器和光環(huán)形器入射弱布拉格反射周期結(jié)構(gòu)光纖(WBF)。WBRS的后向散射脈沖光通過(guò)光環(huán)形 器耦合進(jìn)入光探測(cè)器。波長(zhǎng)調(diào)諧控制電路、脈沖函數(shù)發(fā)生器和探測(cè)器的輸出電信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù) 據(jù)采集及信號(hào)分析，測(cè)算出分布式傳感檢測(cè)結(jié)果，并發(fā)出異常報(bào)警信號(hào)。本發(fā)明采用高速多路同步數(shù)據(jù)采集卡采集波長(zhǎng)調(diào)諧控制電路、脈沖函數(shù)發(fā)生器和 探測(cè)器的輸出電信號(hào)，然后將三路信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。波長(zhǎng)調(diào)諧控制電路的輸 出信號(hào)反映激光器激射波長(zhǎng)隨時(shí)間的變化，脈沖函數(shù)發(fā)生器的輸出信號(hào)反映入射WBF的脈 沖序列隨時(shí)間的分布，探測(cè)器的輸出信號(hào)反映WBF中后向散射光信號(hào)隨時(shí)間的變化。光纖 上間隔地內(nèi)刻n+1只WBRS，其中第一只為參考單元。設(shè)波長(zhǎng)調(diào)諧周期為Td=HiTtl，每一個(gè)波 長(zhǎng)保持時(shí)間為I。波長(zhǎng)調(diào)諧速率和脈沖調(diào)制重復(fù)頻率一致，即在每個(gè)Ttl內(nèi)只發(fā)射一個(gè)光脈 沖。以脈沖發(fā)射時(shí)間為基準(zhǔn)，如果WBRPS能夠?qū)Πl(fā)射的光脈沖反射，則光探測(cè)器應(yīng)分別在 延遲、、τι、τ2、…、τ η的時(shí)間位置探測(cè)到反射光脈沖。在這種情況下，WBRPS的中心波 長(zhǎng)和空間位置都與時(shí)間有關(guān)，因此雖然光探測(cè)器探測(cè)到的反射信號(hào)光強(qiáng)只隨時(shí)間變化，但 實(shí)質(zhì)是與WBRPS中心波長(zhǎng)和位置息息相關(guān)的。在每個(gè)Ttl內(nèi)，分別記錄反射信號(hào)在^、T1, τ2、…、τη時(shí)間位置的光強(qiáng)值，則在波長(zhǎng)的整個(gè)調(diào)諧周期Td內(nèi)，將會(huì)測(cè)得每個(gè)WBRPS對(duì)波 長(zhǎng)λ i λ m的反射率，于是得到每個(gè)WBRPS的反射譜。由于每只WBRPS受到的外界參量作 用不同，相應(yīng)的反射譜中心波長(zhǎng)不同。將傳感單元WBRPS的中心波長(zhǎng)Ari (i=l、2、3…η)與 參考單元WBRPS的中心波長(zhǎng)λ r0作比較即可測(cè)算出每只WBRPS的中心波長(zhǎng)漂移，從而獲得 場(chǎng)分布。由此提出“光波長(zhǎng)時(shí)域反射(0WTDR)”概念，即根據(jù)光信號(hào)在波長(zhǎng)域和時(shí)間域二維 空間中的數(shù)據(jù)分析傳感并定位待測(cè)參量的分布。WBRS是一種傳輸方向相反的模式之間發(fā)生耦合而反射特定波長(zhǎng) 的光纖濾波器，在受到外界環(huán)境的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變或振動(dòng)的影響時(shí)，其窄 帶弱反射譜的中心波長(zhǎng)發(fā)生線性移動(dòng)。以應(yīng)力傳感為例，WBRS的中心波長(zhǎng) 4與應(yīng)力Γ的線性變化關(guān)系為
權(quán)利要求
1.基于弱布拉格反射結(jié)構(gòu)光纖的分布式傳感系統(tǒng)，其特征在于其包括SG-DBR可調(diào)諧 激光器(1)、電光調(diào)制器(4)、光隔離器(5)、光環(huán)形器(6)、弱布拉格反射周期結(jié)構(gòu)光纖(7)， 它們依次相連；SG-DBR可調(diào)諧激光器(1)由波長(zhǎng)調(diào)諧控制電路(2)控制，電光調(diào)制器(4)由 脈沖函數(shù)發(fā)生器(3)控制，光環(huán)行器(6)上還接有光探測(cè)器(8)，波長(zhǎng)調(diào)諧控制電路(2)和電 光調(diào)制器(4)輸出的控制信號(hào)與光探測(cè)器(8)輸出的電信號(hào)共同進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡(9)，處理 后送入數(shù)據(jù)分析設(shè)備(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式傳感系統(tǒng)，其特征在于弱布拉格反射周期結(jié)構(gòu)光纖 (7)包括依次相連的加有保護(hù)裝置的參考光柵(11)和全同弱布拉格反射周期結(jié)構(gòu)(12)，光 環(huán)行器(6 )接至加有保護(hù)裝置的參考光柵(11)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式傳感系統(tǒng)，其特征在于弱布拉格反射結(jié)構(gòu)光纖(7)包 括外層的紫外透明涂覆層(13)和內(nèi)層的光纖纖芯(15)，光纖纖芯(15)上序列分布弱布拉 格反射結(jié)構(gòu)(14)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于弱布拉格反射結(jié)構(gòu)光纖的分布式傳感系統(tǒng)，其包括SG-DBR可調(diào)諧激光器(1)、電光調(diào)制器(4)、光隔離器(5)、光環(huán)形器(6)、弱布拉格反射周期結(jié)構(gòu)光纖(7)，它們依次相連；SG-DBR可調(diào)諧激光器(1)由波長(zhǎng)調(diào)諧控制電路(2)控制，電光調(diào)制器(4)由脈沖函數(shù)發(fā)生器(3)控制，光環(huán)行器(6)上還接有光探測(cè)器(8)，波長(zhǎng)調(diào)諧控制電路(2)和電光調(diào)制器(4)輸出的控制信號(hào)與光探測(cè)器(8)輸出的電信號(hào)共同進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡(9)，處理后送入數(shù)據(jù)分析設(shè)備(10)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)力和振動(dòng)等參量的長(zhǎng)距離分布式傳感報(bào)警，具有很高的檢測(cè)靈敏度和定位精度，而且容易實(shí)現(xiàn)、成本較低，運(yùn)行可靠。
文檔編號(hào)G01D5/353GK102102998SQ20101059035
公開(kāi)日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2010年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月16日
發(fā)明者劉德明, 孫琪真, 張滿亮, 李曉磊, 沃江海, 王梓 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)