本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域，尤其涉及全分布式光纖的傳感器方面，更具體地說(shuō)，涉及一種用于檢測(cè)全分布式光纖的溫度及振動(dòng)位置的傳感器。

背景技術(shù)：

當(dāng)光在光纖中傳播時(shí)，如果外界環(huán)境發(fā)生變化，光在光纖中的一些參量會(huì)因此而改變，比如光速，相位，甚至光的偏振態(tài)也會(huì)因此而變化。通過(guò)測(cè)量傳輸光纖中的這些光參量便可以獲得相應(yīng)的物理量，我們將這種利用光纖來(lái)做傳感器的技術(shù)，稱之為光纖傳感技術(shù)。

全分布式光纖傳感技術(shù)，是以光纖作為傳感原件的，光纖本身就是傳遞信息的媒介，而且又同時(shí)具有傳感的功能，因此具有傳統(tǒng)電量型傳感器所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。光纖的覆蓋面廣，可以用于測(cè)量整個(gè)傳感光纖覆蓋范圍內(nèi)的溫度和振動(dòng)等變化。

傳統(tǒng)的傳感器大多是電量型的，測(cè)量范圍小，并網(wǎng)困難，而且點(diǎn)式傳感器在測(cè)量大范圍，長(zhǎng)距離的時(shí)候，需要很高的維護(hù)成本。相比之下，光纖傳感器的傳感器是光纖，光纖本身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗電磁干擾、耐腐蝕、體積小、價(jià)格低廉，此外光纖的覆蓋面廣，可以對(duì)大范圍，空間分布廣的系統(tǒng)做測(cè)量?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，全分布式光纖傳感與20世紀(jì)70年代末以來(lái)，得到了廣泛的發(fā)展，出現(xiàn)了基于時(shí)域光反射的，瑞利時(shí)域光反射(otdr)、拉曼時(shí)域光反射(rotdr)、相位敏感時(shí)域光反射(φ-otdr)等，目前基于拉曼時(shí)域光反射(rotdr)已經(jīng)十分成熟。其中對(duì)于振動(dòng)的測(cè)量也有很多方法，近年將干涉技術(shù)和相位敏感時(shí)域光反射技術(shù)(φ-otdr)相結(jié)合的振動(dòng)傳感技術(shù)是一種研究熱點(diǎn)。

1)光在光纖中傳播會(huì)受到外界的因素的影響，此時(shí)光的相關(guān)物理量會(huì)發(fā)生變化，利用這一變化可以測(cè)出相應(yīng)的參量。當(dāng)相干光光源經(jīng)調(diào)制后，射出的脈沖光射入傳感光纖時(shí)，如果光纖上有振動(dòng)產(chǎn)生，那么傳感光纖上相應(yīng)位置會(huì)發(fā)生一些物理變化，如光纖折射率，長(zhǎng)度等，利用自干涉技術(shù)，當(dāng)傳感光纖受到振動(dòng)的影響時(shí)，在干涉儀輸出的干涉信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)相位載波技術(shù)可以將其完全解調(diào)出來(lái)，利用相位敏感時(shí)域光反射技術(shù)，可以實(shí)時(shí)定位振動(dòng)發(fā)生的位置。因此自干涉技術(shù)可以對(duì)振動(dòng)進(jìn)行全分布實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2)拉曼時(shí)域光反射(rotdr)技術(shù)是向光纖中注入脈沖光，光在光纖中傳播過(guò)程中，產(chǎn)生后向拉曼散射光譜的溫度效應(yīng)。當(dāng)入射的光量子與光纖物質(zhì)分子產(chǎn)生碰撞時(shí)，產(chǎn)生彈性碰撞和非彈性碰撞。彈性碰撞時(shí)，光量子和物質(zhì)分子之間沒(méi)有能量交換，光量子的頻率不發(fā)生任何改變，表現(xiàn)為瑞利散射光保持與入射光相同的波長(zhǎng)；在非彈性碰撞時(shí)，發(fā)生能量交換，光量子可以釋放或吸收聲子，表現(xiàn)為產(chǎn)生一個(gè)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的斯托克斯光和一個(gè)波長(zhǎng)較短的反斯托克斯光。由于反斯托克斯光受溫度影響比較敏感，系統(tǒng)采用以斯托克斯光通道作為參考通道，反斯托克斯光通道作為信號(hào)通道，有兩者的比值可以消除光源信號(hào)波動(dòng)、光纖彎曲等非溫度因素，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信息的采集。

然而目前的傳感器一般是單獨(dú)測(cè)量振動(dòng)位置或者單獨(dú)測(cè)量溫度，當(dāng)想要測(cè)量者兩個(gè)物理量時(shí)，采用兩套獨(dú)立的系統(tǒng)分別進(jìn)行測(cè)量，如此需要的儀器的成本高昂。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)上述的現(xiàn)有基于光纖的傳感器在測(cè)量振動(dòng)位置以及溫度時(shí)分別采用兩套獨(dú)立的系統(tǒng)分別進(jìn)行測(cè)量造成的成本高昂的技術(shù)缺陷，提供了用于檢測(cè)全分布式光纖的溫度及振動(dòng)位置的傳感器。

根據(jù)本發(fā)明的其中一方面，本發(fā)明為解決其技術(shù)問(wèn)題，提供了一種用于檢測(cè)全分布式光纖的溫度及振動(dòng)位置的傳感器，包含：

用于產(chǎn)生連續(xù)光的激光器；

用于產(chǎn)生脈沖的脈沖發(fā)生器；

用于利用所述脈沖對(duì)所述連續(xù)光進(jìn)行調(diào)制，形成脈沖信號(hào)的聲光調(diào)制器，聲光調(diào)制器的輸入端分別連接激光器以及脈沖發(fā)生器的輸出端，其中脈沖信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)具有電平大小不一的第一電平脈沖信號(hào)及第二電平脈沖信號(hào)；

用于允許聲光調(diào)制器產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)而隔離返回至聲光調(diào)制器的信號(hào)的隔離器，隔離器的輸入端連接聲光調(diào)制器的輸出端；

用于對(duì)隔離器輸入的信號(hào)進(jìn)行放大的摻餌光纖放大器，摻餌光纖放大器的輸入端連接隔離器的輸出端；

環(huán)形器，包括輸入端、第一端口及第二端口，環(huán)形器的輸入端連接摻餌光纖放大器的輸出端，第一端口連接拉曼波分復(fù)用器的第三端口以輸出摻餌光纖放大器輸入的信號(hào)至拉曼波分復(fù)用器，并接收拉曼波分復(fù)用器發(fā)送來(lái)的瑞利散射光，第二端口連接瑞利散射光處理單元以將所述瑞利散射光傳送至瑞利散射光處理單元；

拉曼波分復(fù)用器，包括所述第三端口、第四端口、第五端口以及第六端口，第四端口用于連接全分布式光纖以輸出環(huán)形器輸入的信號(hào)至全分布式光纖，并采集全分布式光纖返回的拉曼散射光及所述瑞利散射光，第五端口以及第六端口分別用于提取從所述拉曼散射光中提取出反斯托克斯光以及斯托克斯光；

雪崩二極管，分別連接所述第五端口以及第六端口以反將斯托克斯光以及斯托克斯光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；

用于將所述瑞利散射光轉(zhuǎn)換為延時(shí)光和調(diào)制光，將二者進(jìn)行干涉，并將干涉后信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的瑞利散射光處理單元；

數(shù)據(jù)采集器，分別連接雪崩二極管的輸出端以及瑞利散射光處理單元的輸出端以分別獲取雪崩二極管的所述電信號(hào)和瑞利散射光處理單元的所述電信號(hào)并傳輸至中央處理單元，其中，中央處理單元控制數(shù)據(jù)采集器在第一電平脈沖信號(hào)時(shí)采集的雪崩二極管的電信號(hào)和在第二電平脈沖信號(hào)時(shí)采集瑞利散射光處理單元的電信號(hào)，以進(jìn)行處理后分別獲取全分布式光纖的溫度及振動(dòng)位置。

進(jìn)一步的，在本發(fā)明的用于檢測(cè)全分布式光纖的溫度及振動(dòng)位置的傳感器，中央處理單元連接脈沖發(fā)生器獲取所述脈沖以同步所述第一電平脈沖信號(hào)及第二電平脈沖信號(hào)。

進(jìn)一步的，在本發(fā)明的用于檢測(cè)全分布式光纖的溫度及振動(dòng)位置的傳感器，瑞利散射光處理單元包括：

用于將所述瑞利散射光一分為二，形成第一瑞利散射光和第二瑞利散射光的耦合器，耦合器連接所述環(huán)形器的第二接口以獲取所述瑞利散射光；

用于產(chǎn)生相位載波信號(hào)的相位載波信號(hào)調(diào)制器；

壓電陶瓷片，連接所述相位載波信號(hào)調(diào)制器，以利用相位載波信號(hào)將所述第二瑞利散射光調(diào)制成具有一定頻率的信號(hào)；

兩個(gè)法拉第反射鏡，分別反射第一瑞利散射光以及調(diào)制后的第二瑞利散射光至所述耦合器，以在所述耦合器中發(fā)生干涉；

將干涉后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電檢測(cè)器，光電檢測(cè)器的輸入連接所述耦合器，光電檢測(cè)器的輸入連接所述數(shù)據(jù)采集器。

進(jìn)一步的，在本發(fā)明的用于檢測(cè)全分布式光纖的溫度及振動(dòng)位置的傳感器，激光器的工作波長(zhǎng)為1550.12nm，線寬為10khz。

進(jìn)一步的，在本發(fā)明的用于檢測(cè)全分布式光纖的溫度及振動(dòng)位置的傳感器，環(huán)形器還連接有一用于消除由摻餌光纖放大器帶入環(huán)形器中自發(fā)輻射噪聲的布拉格光纖光柵。

進(jìn)一步的，在本發(fā)明的用于檢測(cè)全分布式光纖的溫度及振動(dòng)位置的傳感器，布拉格光纖光柵的帶寬為3db，反射率為99％。

進(jìn)一步的，在本發(fā)明的用于檢測(cè)全分布式光纖的溫度及振動(dòng)位置的傳感器，第五端口和第六端口分別為中心波長(zhǎng)為1450nm及1663nm的兩個(gè)具有一定波長(zhǎng)帶寬的濾波端口。

進(jìn)一步的，在本發(fā)明的用于檢測(cè)全分布式光纖的溫度及振動(dòng)位置的傳感器，第一電平脈沖信號(hào)的寬度為50ns，脈沖間隔20μs，大小為800mv；所述第二電平脈沖信號(hào)的寬度為50ns，脈沖間隔20μs，大小為800mv，大小為420mv。

進(jìn)一步的，在本發(fā)明的用于檢測(cè)全分布式光纖的溫度及振動(dòng)位置的傳感器，中央處理單元為電腦。

本發(fā)明的用于檢測(cè)全分布式光纖的溫度及振動(dòng)位置的傳感器，結(jié)合了干涉技術(shù)、相位敏感時(shí)域光反射和拉曼時(shí)域光反射技術(shù)，同時(shí)利用結(jié)合干涉和φ-otdr技術(shù)的振動(dòng)傳感技術(shù)以及rotdr溫度傳感技術(shù)，可以在同一根光纖上實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)溫度和振動(dòng)的監(jiān)測(cè)，整體成本比兩個(gè)系統(tǒng)的單獨(dú)疊加小很多，且測(cè)量精度高，測(cè)量方便快捷。

附圖說(shuō)明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中：

圖1是本發(fā)明的用于檢測(cè)全分布式光纖的溫度及振動(dòng)位置的傳感器在使用時(shí)的原理圖。

具體實(shí)施方式

為了對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對(duì)照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

如圖1所示，其為本發(fā)明的用于檢測(cè)全分布式光纖的溫度及振動(dòng)位置的傳感器在使用時(shí)的原理圖。在本實(shí)施例的所述的傳感器包括：激光器1、聲光調(diào)制器2、隔離器3、摻餌光纖放大器4、布拉格光纖光柵5、環(huán)形器6、拉曼波分復(fù)用器7、雪崩二極管8、數(shù)據(jù)采集器10、脈沖發(fā)生器17以及瑞利散射光處理單元19，瑞利散射光處理單元19包括：相位載波信號(hào)調(diào)制器11、光電探測(cè)器12、壓電陶瓷片13、耦合器14、法拉第反射鏡15、法拉第反射鏡16。

聲光調(diào)制器2的輸入端分別連接激光器1的輸出端以及脈沖發(fā)生器2的輸出端，隔離器3的輸入端連接聲光調(diào)制器2的輸出端，摻餌光纖放大器4的輸入端連接隔離器3的輸出端，環(huán)形器6包括輸入端(圖中環(huán)形器6的左邊連線處)、第一端口(圖中環(huán)形器6的右邊連線處)及第二端口(圖中環(huán)形器6的下方連線處)，環(huán)形器6的輸入端連接摻餌光纖放大器4的輸出端，第一端口連接拉曼波分復(fù)用器7的第三端口，第二端口連接瑞利散射光處理單元19連接耦合器14的輸入端，拉曼波分復(fù)用器7包括上述的第三端口(圖中拉曼波分復(fù)用器7的左邊連線處)、第四端口(圖中拉曼波分復(fù)用器7的右邊連線處)、第五端口以及第六端口(圖中拉曼波分復(fù)用器7的下邊的左、右兩條連線處)，第四端口連接全分布式光纖18，第五端口以及第六端口分別連接至雪崩二極管8的輸入端，雪崩二極管8的輸出端連接至數(shù)據(jù)采集器10，耦合器14的兩個(gè)輸出端分別連接至法拉第反射鏡15及法拉第反射鏡16，其中耦合器14的其中一個(gè)輸出端與法拉第反射鏡16連接的裝置上設(shè)置有壓電陶瓷片13，耦合器14還連接光電探測(cè)器12，壓電陶瓷片13連接相位載波信號(hào)調(diào)制器11，光電探測(cè)器12以及相位載波信號(hào)調(diào)制器11均與數(shù)據(jù)采集器10連接，電腦19分別連接數(shù)據(jù)采集器以及脈沖發(fā)生器17。

工作時(shí)，激光器1產(chǎn)生連續(xù)光，脈沖發(fā)生器17產(chǎn)生脈沖，脈沖在一個(gè)周期內(nèi)具有電平大小不一的第一電平脈沖及第二電平脈沖，激光器1產(chǎn)生的連續(xù)光以及脈沖發(fā)生器17產(chǎn)生的脈沖輸入至聲光調(diào)制器2，聲光調(diào)制器2利用上述脈沖對(duì)上述連續(xù)光進(jìn)行調(diào)制，形成脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)具有電平大小不一的第一電平脈沖信號(hào)及第二電平脈沖信號(hào)。激光器的工作波長(zhǎng)λ為1550.12nm，線寬為10khz。發(fā)出的激光通過(guò)聲光調(diào)制器2調(diào)制成高低脈沖激光，高、低電平脈沖信號(hào)寬度為50ns，脈沖間隔20μs，高電平為800mv，低電平為420mv。調(diào)制成的脈沖信號(hào)傳送至隔離器3的輸入端，并經(jīng)過(guò)隔離器3的輸出端到達(dá)摻餌光纖放大器4，其中隔離器3允許聲光調(diào)制器2產(chǎn)生的脈沖信號(hào)到達(dá)摻餌光纖放大器4，而隔離摻餌光纖放大器4返回至聲光調(diào)制器2的信號(hào)。摻餌光纖放大器4將脈沖信號(hào)放大后，傳輸至環(huán)形器6的輸入端。

環(huán)形器6將放大后的脈沖信號(hào)傳輸至拉曼波分復(fù)用器7的第三端口，拉曼波分復(fù)用器7的第四端口將放大后的脈沖信號(hào)發(fā)送至全分布式光纖18，全分布式光纖18散射回來(lái)的拉曼散射信號(hào)，由拉曼波分復(fù)用器7的第五端口以及第六端口分別分離出反斯托克斯光和斯托克斯光后，通過(guò)雪崩二極管8將反斯托克斯光和斯托克斯光后的模擬信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后傳入數(shù)據(jù)采集器10采集，再經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)9處理可獲得相應(yīng)的溫度信息；全分布式光纖18散射回來(lái)的瑞利散射光，經(jīng)環(huán)形器6傳入耦合器14的輸入端，然后耦合器14將其一分為二，由法拉第反射鏡15、法拉第反射鏡1516反射回來(lái)，并在耦合器14中發(fā)生干涉，最后由耦合器14傳入光電探測(cè)器12，光電探測(cè)器12將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集器10采集數(shù)據(jù)，交由計(jì)算機(jī)處理，獲得相應(yīng)的振動(dòng)位置。其中，光由耦合器14→法拉第反射鏡15→耦合器14與光由耦合器14→法拉第反射鏡16→耦合器14存在一定的長(zhǎng)度差，這個(gè)差值的大小取決于，w*c/(2*n)，其中w為兩個(gè)低脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔，c為真空中的光速，n為光纖折射，由于長(zhǎng)度差的存在導(dǎo)致二者的傳輸時(shí)間不一致，故耦合器14最終接收到的一個(gè)反射光為延時(shí)光；光由耦合器14→法拉第反射鏡16的裝置上設(shè)置有壓電陶瓷片13，相位載波信號(hào)調(diào)制器11產(chǎn)生具有一定頻率的相位載波信號(hào)，通過(guò)壓電陶瓷片13來(lái)調(diào)制由耦合器14→法拉第反射鏡16的光，故耦合器14最終接收到的法拉第反射鏡16反射的光為調(diào)制光。耦合器14與連接的法拉第反射鏡15和法拉第反射鏡16是存在一長(zhǎng)度差，這個(gè)差值的大小取決于，w*c/(2*n)，其中w為兩個(gè)低脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔，c為真空中的光速，n為光纖折射。

相位載波信號(hào)調(diào)制器11的相位載波信號(hào)接受電腦9的控制，控制指令經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集器10轉(zhuǎn)發(fā)至相位載波信號(hào)調(diào)制器11。在本實(shí)施例中，拉曼波分復(fù)用器7的第五端口以及第六端口分別為中心波長(zhǎng)為1450nm及1663nm的兩個(gè)具有一定波長(zhǎng)帶寬的濾波端口，以分別提取出反斯托克斯光和斯托克斯光。

在本實(shí)施例中，電腦9在高電平脈沖時(shí)間段內(nèi)只采集和處理雪崩二極管8轉(zhuǎn)換而來(lái)的電信號(hào)，在低電平脈沖時(shí)間段內(nèi)只采集和處理光電探測(cè)器12轉(zhuǎn)換而來(lái)的電信號(hào)。電腦9連接脈沖發(fā)生器17獲取脈沖，通過(guò)上述的脈沖，電腦9可以得知本傳感器是在高電平脈沖時(shí)間段內(nèi)還是在低電平脈沖時(shí)間段內(nèi)。由于在高電平脈沖信號(hào)時(shí)，高電平可以獲得高信噪比的自發(fā)拉曼散射信號(hào)，但同時(shí)會(huì)產(chǎn)生非線性效應(yīng)導(dǎo)致振動(dòng)位置測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)，因此在不同的電平脈沖信號(hào)時(shí)間段內(nèi)處理不同的信號(hào)，避免相互干擾。

上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。