本實用新型涉及一種傳感器，尤其是一種基于BOTDA和定點應(yīng)變光纜的分布式位移傳感器。

背景技術(shù)：

由于橋梁、隧道、路基路面等基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)筑物監(jiān)測距離長，使用傳統(tǒng)的點式傳感器很難對整個結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進行監(jiān)測，而且隨著布設(shè)傳感器數(shù)量的增加，系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本將會急劇增加。因此需要具有分布式監(jiān)測能力、低成本的傳感器作為結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的傳感原件。與傳統(tǒng)電學(xué)傳感器相比，光纖傳感器體積小、重量輕，便于與結(jié)構(gòu)作為一體；抗腐蝕、易彎曲、抗電磁干擾，適合在空間受嚴格限制及強電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用；光纖本身既是傳感器又是信號傳輸通道，具有很高的靈敏度。

光在光纖中傳輸會產(chǎn)生散射現(xiàn)象，包括由光纖折射率變化引起的瑞利散射，由光學(xué)聲子引起的拉曼散射和由聲學(xué)聲子引起的布里淵散射三種散射。瑞利散射是光纖的一種固有特性，當(dāng)光波在光纖中傳輸時，遇到光纖纖芯折射率在微觀上隨機起伏而引起的線性散射，散射光的頻率與入射光相同。拉曼散射是入射光波的一個光子被一個聲子散射成為另一個低頻光子，同時聲子完成其兩個振動態(tài)之間的躍遷，屬于非線性散射，散射光頻率相對入射光發(fā)生偏移?；谌鹄⑸浜屠⑸浒l(fā)展出兩大類多種分布式光纖傳感技術(shù)，如瑞利分布式溫度應(yīng)變傳感技術(shù)和拉曼分布式溫度傳感技術(shù)。但與這兩類傳感技術(shù)相比，基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)具有空間分辨率高，傳感距離遠，可實現(xiàn)動態(tài)測量等優(yōu)勢,因此在土木工程監(jiān)測領(lǐng)域得到最廣泛的研究與應(yīng)用。

BOTDA(布里淵光時域分析技術(shù))的傳感原理是利用傳感光纖中布里淵頻移與溫度和應(yīng)變之間的線性關(guān)系，通過解調(diào)布里淵散射光頻率變化進而得到光纖沿線的溫度和應(yīng)變。BOTDA技術(shù)利用光纖中的受激布里淵散射(SBS)效應(yīng)，在光纖兩端分別注入相向傳輸?shù)膬墒?，一束為脈沖泵浦光，另一束為連續(xù)探測光。通過系統(tǒng)調(diào)制使兩束光的頻率差接近光纖的布里淵頻移，此時連續(xù)探測光信號被脈沖泵浦光放大，產(chǎn)生受激布里淵散射。當(dāng)光纖受到應(yīng)變和溫度作用時，布里淵頻移會發(fā)生改變。BOTDA系統(tǒng)通過調(diào)制連續(xù)探測光頻率進行掃頻，改變脈沖泵浦光與連續(xù)探測光的頻率差，得到光纖各點在不同頻率下的布里淵增益信號強度，即布里淵增益譜。通過對布里淵增益譜進行洛倫茲擬合，得到布里淵增益譜峰值對應(yīng)的頻率，即該點的布里淵頻移，進而得到該點的應(yīng)變和溫度。

現(xiàn)有監(jiān)測方案中，傳感光纜需考慮布設(shè)環(huán)境的影響，土壤滑動等因素會對測量數(shù)據(jù)有一定的影響，導(dǎo)致測量結(jié)果準確性不高；傳統(tǒng)的技術(shù)方案單段測量距離有限，有時不能一次完成測量任務(wù)，需要多次分段測量，匯總后整體測量結(jié)果誤差較大，空間分辨率較低，無法滿足健康監(jiān)測領(lǐng)域長距離位移監(jiān)測定位的需求。

綜上，在實際的土工工程監(jiān)測中,急需一款可以實現(xiàn)精確定位,長距離監(jiān)測和空間分辨率高的光纖位移傳感器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對實際測量需求，提出一種基于BOTDA和定點應(yīng)變光纜的分布式位移傳感器。

本實用新型為解決上述問題采取的技術(shù)方案是：一種基于BOTDA和定點應(yīng)變光纜的分布式位移傳感器，其特征在于，包括傳感光纜、定點、光纖熔接保護盒、多芯光纜、光纖通道擴展架和布里淵光時域分析儀，所述布里淵光時域分析儀包括激光器、第一光纖耦合器、第一偏振控制器、第一電光調(diào)制器、摻鉺光纖放大器、光纖環(huán)形器、光電探測器、高速采集卡、任意函數(shù)發(fā)生器、第二偏振控制器、第二電光調(diào)制器、微波發(fā)生器、光纖光柵濾波器、光學(xué)隔離器和待測光纖；

所述傳感光纜預(yù)埋在待測區(qū)域，所述傳感光纜通過定點交替連接形成線路，所述線路兩端接于光纖熔接保護盒上，所述光纖熔接保護盒和光纖通道擴展架之間通過多芯光纜連接，所述布里淵光時域分析儀與光纖通道擴展架間通過多芯光纜連接；

所述激光器的輸出端連接第一光纖耦合器的輸入端，所述第一光纖耦合器的輸出端分別連接第一偏振控制器和第二偏振控制器的輸入端；

所述第一偏振控制器的輸出端連接第一電光調(diào)制器的輸入端，所述任意函數(shù)發(fā)生器輸出端連接第一電光調(diào)制器的輸入端，所述第一電光調(diào)制器的輸出端連接摻鉺光纖放大器的輸入端，所述摻鉺光纖放大器的輸出端連接光纖環(huán)形器的一端口，所述光纖環(huán)形器的二端口連接在待測光纖一端；

所述第二偏振控制器的輸出端連接第二電光調(diào)制器的輸入端，所述微波發(fā)生器的輸出端連接第二電光調(diào)制器的輸入端，所述第二電光調(diào)制器的輸出端連接光纖光柵濾波器的輸入端，所述光纖光柵濾波器的輸出端連接光學(xué)隔離器的輸入端，所述光學(xué)隔離器的輸出端連接在待測光纖另一端。

進一步的，所述布里淵光時域分析儀內(nèi)部由激光器所發(fā)出的光與第一光纖耦合器端口相對，所述第一光纖耦合器將光分為兩束，一束為泵浦光，另一束為探測光，所述泵浦光通過第一偏振控制器調(diào)制成偏振光進入第一電光調(diào)制器，所述任意函數(shù)發(fā)生器控制第一電光調(diào)制器輸出脈沖波形，所述通過第一電光調(diào)制器的光通過摻鉺光纖放大器放大，所述放大后的光經(jīng)過光纖環(huán)形器，進入待測光纖，所述探測光通過第二偏振控制器調(diào)制成偏振光，通過第二電光調(diào)制器，所述微波發(fā)生器產(chǎn)生微波信號加載到探測光上，通過光纖光柵濾波器、光學(xué)隔離器后進入待測光纖，光沿待測光纖傳播，所述泵浦光和探測光在待測光纖中發(fā)生受激布里淵散射現(xiàn)象，產(chǎn)生的斯托克斯光經(jīng)過光纖環(huán)形器進入光電探測器轉(zhuǎn)換成電信號，通過高速采集卡采集數(shù)據(jù)。

進一步的，所述第一光纖耦合器的耦合比為50：50，所述第二光纖耦合器的耦合比為50：50。

進一步的，所述激光器為單頻窄線寬光纖激光器，所述激光器為分布反饋式半導(dǎo)體激光器，所述激光器為外腔式半導(dǎo)體激光器，所述激光器為單模光纖輸出，所述激光器將單邊帶調(diào)制器產(chǎn)生的邊頻光作為探測光。

進一步的，所述第一光纖耦合器為單模光纖型。

進一步的，所述待測光纖兩端采用偏振控制器調(diào)節(jié)偏振態(tài)。

進一步的，所述待測光纖采用差分探測器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。

進一步的，所述傳感光纜通過地錨固定定點的方式預(yù)埋在待測區(qū)域。

本實用新型的有益效果是：

一、由于傳感光纜采用定點光纜，可以有效定位監(jiān)測區(qū)域，并且相對傳統(tǒng)傳感光纜可以屏蔽掉土壤滑動對測量結(jié)果的影響，光纖外包高強度金屬加強件抗拉性，延展性也有提高，因此結(jié)果更為精準；

二、由于采用BOTDA技術(shù)實現(xiàn)光纖信號的解調(diào)，并使用定點光纖作為傳輸材質(zhì)同時還可傳輸信號，因此可實現(xiàn)長距離溫度和應(yīng)變監(jiān)測；

三、由于采用差分脈沖對布里淵時域分析技術(shù)，因此大大提高了空間分辨率，滿足傳感器監(jiān)測定位需求；

附圖說明

圖1是布里淵光時域分析儀裝置圖；

圖2是結(jié)構(gòu)實施圖；

具體實施方式 具體實施方式一：結(jié)合圖1和圖2所示，本實用新型公開的一種基于BOTDA和定點應(yīng)變光纜的分布式位移傳感器。其特征在于，包括傳感光纜1、定點2、光纖熔接保護盒3、多芯光纜4、光纖通道擴展架5和布里淵光時域分析儀6，所述布里淵光時域分析儀6包括激光器601、第一光纖耦合器602、第一偏振控制器603、第一電光調(diào)制器604摻鉺光纖放大器605光纖環(huán)形器606、光電探測器607、高速采集卡608、任意函數(shù)發(fā)生器609、第二偏振控制器610、第二電光調(diào)制器611、微波發(fā)生器612、光纖光柵濾波器613、光學(xué)隔離器614和待測光纖615；

所述傳感光纜1布設(shè)在待測區(qū)域，所述傳感光纜1通過定點2交替連接形成線路，所述線路兩端接于光纖熔接保護盒3上，所述光纖熔接保護盒3和光纖通道擴展架5之間通過多芯光纜4連接，所述布里淵光時域分析儀6與光纖通道擴展架5間通過多芯光纜4連接；

所述傳感光纜1布設(shè)在待測區(qū)域施工流程主要分為：測量，機械開挖，傳感光纜布設(shè)，光纖完好性檢測，路基回填。具體施工過程如下：通過現(xiàn)場測繪，確定定點光纜埋設(shè)區(qū)域；而后通過機械開挖出傳感光纖的布設(shè)溝位，開挖深度30cm；先修整機械開挖溝的平整度，然后墊5cm細沙，按照先縱后橫的順序布傳感光纜，并再用5cm細沙覆蓋，在定點位置釘入鐵架固定，使之只能隨著土體上下運動，隔絕土體橫向運動對定點的影響；在傳感光纜布設(shè)完成后，對光纜完好程度進行統(tǒng)一檢測，確保傳感光纜全部完好存活，同時將路基回填，并采用機械平整，保證光纖監(jiān)測系統(tǒng)的布設(shè)對路基沒有影響；將傳感光纜通過光纖熔接保護盒匯總于一根多芯光纜中，后通過光纖通道擴展架在擴展成多束光纖接入布里淵光時域分析儀對信號進行解調(diào)。

所述布里淵光時域分析儀6中激光器601的輸出端連接第一光纖耦合器602的輸入端，所述第一光纖耦合器602的輸出端分別連接第一偏振控制器603和第二偏振控制器610的輸入端；

所述第一偏振控制器603的輸出端連接第一電光調(diào)制器604的輸入端，所述任意函數(shù)發(fā)生器609輸出端連接第一電光調(diào)制器604的輸入端，所述第一電光調(diào)制器604的輸出端連接摻鉺光纖放大器605的輸入端，所述摻鉺光纖放大器605的輸出端連接光纖環(huán)形器606的一端口，所述光纖環(huán)形器606的二端口連接在待測光纖615一端；

所述第二偏振控制器610的輸出端連接第二電光調(diào)制器611的輸入端，所述微波發(fā)生器612的輸出端連接第二電光調(diào)制器611的輸入端，所述第二電光調(diào)制器611的輸出端連接光纖光柵濾波器613的輸入端，所述光纖光柵濾波器613的輸出端連接光學(xué)隔離器614的輸入端，所述光學(xué)隔離器614的輸出端連接在待測光纖615另一端。

所述布里淵光時域分析儀6內(nèi)部由激光器601所發(fā)出的光與第一光纖耦合器602端口相對，所述第一光纖耦合器602將光分為兩束，一束為泵浦光，另一束為探測光，所述泵浦光通過第一偏振控制器603調(diào)制成偏振光進入第一電光調(diào)制器604，所述任意函數(shù)發(fā)生器609控制第一電光調(diào)制器604輸出脈沖波形，所述通過第一電光調(diào)制器604的光經(jīng)過摻鉺光纖放大器605放大，所述放大后的光經(jīng)過光纖環(huán)形器606進入待測光纖615，所述探測光通過第二偏振控制器610調(diào)制成偏振光通過第二電光調(diào)制器611，所述微波發(fā)生器612產(chǎn)生微波信號加載到探測光上，通過光纖光柵濾波器613、光學(xué)隔離器614進入待測光纖615，光沿待測光纖615傳播，所述泵浦光和探測光在待測光纖615中發(fā)生受激布里淵散射現(xiàn)象，產(chǎn)生的斯托克斯光經(jīng)過光纖環(huán)形器606進入光電探測器607轉(zhuǎn)換成電信號，通過高速采集卡608采集數(shù)據(jù)。

所述第一光纖耦合器602的耦合比為50：50。

工作原理：

測量信號的解調(diào)通過布里淵光時域分析儀完成，其具體工作如下：激光器601輸出的連續(xù)光，經(jīng)過50:50的光纖耦合器602被分成能量相同的兩束光分別為泵浦光和探測光，上路的泵浦光經(jīng)過偏振控制器603被調(diào)制成偏振光，進入電光調(diào)制器604，在任意函數(shù)發(fā)生器609控制下，電光調(diào)制器604輸出脈沖波形被摻鉺光纖放大器605放大，經(jīng)過光纖環(huán)形器606進入待測光纖615。下路的探測光偏振控制器610被調(diào)制成偏振光，進入電光調(diào)制器611，電光調(diào)制器611的作用是將微波發(fā)生器612產(chǎn)生的微波信號加載到探測光上，在原載波光基礎(chǔ)上產(chǎn)生頻差為布里淵頻移ν_B的上下邊頻光，其頻率分別為ν₀±ν_B，其中ν₀為原激光器頻率。經(jīng)過光纖光柵濾波器后濾出上邊頻ν₀+ν_B，經(jīng)過光纖光柵濾波器613和光纖隔離器614后，進入待測光纖615。泵浦光和探測光在待測光纖615中發(fā)生受激布里淵散射現(xiàn)象，產(chǎn)生的斯托克斯光經(jīng)過環(huán)形器606，進入光電探測器607轉(zhuǎn)換成電信號，使用高速采集卡608采集數(shù)據(jù)。

具體實施方式二：本實施方式在具體實施方式一的基礎(chǔ)上進一步限定，所述激光器601為單頻窄線寬光纖激光器，所述激光器601為分布反饋式半導(dǎo)體激光器，所述激光器601為外腔式半導(dǎo)體激光器，所述激光器601為單模光纖輸出，所述激光器601將單邊帶調(diào)制器產(chǎn)生的邊頻光作為探測光。

具體實施方式三：本實施方式在具體實施方式一的基礎(chǔ)上進一步限定，所述第一光纖耦合器602為單模光纖型。

具體實施方式四：本實施方式在具體實施方式一的基礎(chǔ)上進一步限定，所述待測光纖615兩端采用偏振控制器調(diào)節(jié)偏振態(tài)。

具體實施方式五：本實施方式在具體實施方式一的基礎(chǔ)上進一步限定，所述待測光纖615采用差分探測器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。

具體實施方式六：本實施方式在具體實施方式一的基礎(chǔ)上進一步限定，所述傳感光纜1通過地錨固定定點的方式預(yù)埋在待測區(qū)域。

以上實施例只是對本專利的示例性說明，并不限定它的保護范圍，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以對其局部進行改變，只要沒有超出本專利的精神實質(zhì)，都在本專利的保護范圍內(nèi)。