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      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

      文檔序號:5883465閱讀:231來源:國知局
      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)和波長調(diào)制傳感特點,結(jié)合“光波長時域 反射(0WTDR)”創(chuàng)新技術(shù)進行參量檢測和定位,獲得沿光纖沿線待測參量的空間場分布,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)測工程 結(jié)構(gòu)損傷,評估高危設(shè)備工作狀況,對于防止災(zāi)難性事故的突發(fā)、保護人民生命財產(chǎn)的安全 具有十分重要的意義。因而,光纖傳感技術(shù)近年來得到了迅速發(fā)展,也受到人們越來越多的 關(guān)注。其中,分布式光纖傳感(DOFS)更是成為了目前國際上研究的熱點。目前已經(jīng)報道的 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域反射(OTDR)技術(shù);②長距 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。基于光后向散射技術(shù)的分布式傳感利用光時域反射探測技術(shù)實現(xiàn)根據(jù)后向散射 光的特性(光強、偏振態(tài)、頻率等)改變確定待測參量大小,根據(jù)回波時間確定位置,由此獲 得待測參量的空間分布,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)簡單,但是后向散射光非常弱,單次探測靈敏度較低,多次平均測量則 實時性較差,對數(shù)據(jù)處理能力要求非常高。同時,光強度傳感表現(xiàn)為輸出信號光功率的變 化,在長距離探測中容易受到諸多因素的影響,測量準(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)實現(xiàn)上難度較高。將長程馬赫一澤德、薩格納克以及邁克爾遜等干涉儀混合使用,可對隨時間變化 的擾動進行分布式測量。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 測器和單光源雙探測器等類型。這類傳感器依靠正向傳輸?shù)墓庑盘柛缮鎮(zhèn)鞲泻吞囟ńY(jié)構(gòu)定 位,具有靈敏度高、動態(tài)信號檢測、傳感距離長、實時性好等優(yōu)點。但是干涉表現(xiàn)為輸出信號 光功率的變化,在長距離探測中容易受到諸多因素的影響,測量準(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 現(xiàn)多點同時檢測;結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此,干涉技術(shù)難以在長距離分布式傳感中實用化。FBG傳感表現(xiàn)為中心波長調(diào)制(或波長編碼),通過對FBG反射波長移動的監(jiān)測即 可測量外界參量的變化,探測能力不受光源功率波動、光纖彎曲損耗、探測器老化等因素的 影響,適合長期安全監(jiān)測。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,一個陣列一般只能復(fù)用15個左右的光柵,這對于長距離高密度 的分布式檢測是遠(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)目受光源和波長解調(diào)器帶寬限制的問題,但是仍然需要解調(diào)反射光 波長才能確定溫度最大值,而且最大的缺點是無法分辨發(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)問題是針對現(xiàn)有的分布式光纖傳感技術(shù)存在的問題,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)力和振動等參量的 長距離傳感報警中獲得廣泛應(yīng)用,本發(fā)明具有很高的檢測靈敏度和振動定位精度,該系統(tǒng) 容易實現(xiàn)、成本較低,而且運行可靠。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(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 測器,波長調(diào)諧控制電路和電光調(diào)制器輸出的控制信號與光探測器輸出的電信號共同進入 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
      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)個數(shù)量級,探測更為容易且測量精度更高,反射率可根據(jù)應(yīng)用要求靈活設(shè)計。其二,本發(fā)明探測的是波長變化,而不是強度變化,不受光源功率波動影響,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),各個位置的后向反射率極低,可 以滿足長距離檢測而不會遺漏任何位置的測量信息。因此,傳感距離和檢測密集度將得到 質(zhì)的提高。其四,本發(fā)明采用光波長時域反射(OWTDR)技術(shù),同時實現(xiàn)探測與定位,無需波長 解調(diào),實時性高,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.光探測器; 9.數(shù)據(jù)采集卡;10.數(shù)據(jù)分析設(shè)備;11.加有保護裝置的參考光柵;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警方法及其系統(tǒng)。
      本發(fā)明在長距離光纖上內(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WBRS為參考單元(圖1中的11),置于環(huán)境保持恒定的保護裝置內(nèi),其中心 波長作為參考波長,其他WBRS的中心波長均以此為標(biāo)準(zhǔn)來判斷波長漂移量。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,由波長調(diào)諧控制電路驅(qū)動,程控輸 出波長按設(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,可以達到很 高的調(diào)諧性能調(diào)諧帶寬30nm,信道間隔1pm,波長轉(zhuǎn)換時間100ns,線寬4MHz。SG-DBR激 光器輸出的窄帶直流光通過由脈沖函數(shù)發(fā)生器驅(qū)動的電光調(diào)制器變成脈沖光,經(jīng)過光隔離 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光環(huán)形 器耦合進入光探測器。波長調(diào)諧控制電路、脈沖函數(shù)發(fā)生器和探測器的輸出電信號經(jīng)過數(shù) 據(jù)采集及信號分析,測算出分布式傳感檢測結(jié)果,并發(fā)出異常報警信號。本發(fā)明采用高速多路同步數(shù)據(jù)采集卡采集波長調(diào)諧控制電路、脈沖函數(shù)發(fā)生器和 探測器的輸出電信號,然后將三路信號送入計算機進行數(shù)據(jù)分析。波長調(diào)諧控制電路的輸 出信號反映激光器激射波長隨時間的變化,脈沖函數(shù)發(fā)生器的輸出信號反映入射WBF的脈 沖序列隨時間的分布,探測器的輸出信號反映WBF中后向散射光信號隨時間的變化。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)波長調(diào)諧周期為Td=HiTtl,每一個波 長保持時間為I。波長調(diào)諧速率和脈沖調(diào)制重復(fù)頻率一致,即在每個Ttl內(nèi)只發(fā)射一個光脈 沖。以脈沖發(fā)射時間為基準(zhǔn),如果WBRPS能夠?qū)Πl(fā)射的光脈沖反射,則光探測器應(yīng)分別在 延遲、、τι、τ2、…、τ η的時間位置探測到反射光脈沖。在這種情況下,WBRPS的中心波 長和空間位置都與時間有關(guān),因此雖然光探測器探測到的反射信號光強只隨時間變化,但 實質(zhì)是與WBRPS中心波長和位置息息相關(guān)的。在每個Ttl內(nèi),分別記錄反射信號在^、T1, τ2、…、τη時間位置的光強值,則在波長的整個調(diào)諧周期Td內(nèi),將會測得每個WBRPS對波 長λ i λ m的反射率,于是得到每個WBRPS的反射譜。由于每只WBRPS受到的外界參量作 用不同,相應(yīng)的反射譜中心波長不同。將傳感單元WBRPS的中心波長Ari (i=l、2、3…η)與 參考單元WBRPS的中心波長λ r0作比較即可測算出每只WBRPS的中心波長漂移,從而獲得 場分布。由此提出“光波長時域反射(0WTDR)”概念,即根據(jù)光信號在波長域和時間域二維 空間中的數(shù)據(jù)分析傳感并定位待測參量的分布。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 的光纖濾波器,在受到外界環(huán)境的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變或振動的影響時,其窄 帶弱反射譜的中心波長發(fā)生線性移動。以應(yīng)力傳感為例,WBRS的中心波長 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)上還接有光探測器(8),波長調(diào)諧控制電路(2)和電 光調(diào)制器(4)輸出的控制信號與光探測器(8)輸出的電信號共同進入數(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)上還接有光探測器(8),波長調(diào)諧控制電路(2)和電光調(diào)制器(4)輸出的控制信號與光探測器(8)輸出的電信號共同進入數(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)明實現(xiàn)溫度、應(yīng)力和振動等參量的長距離分布式傳感報警,具有很高的檢測靈敏度和定位精度,而且容易實現(xiàn)、成本較低,運行可靠。
      文檔編號G01D5/353GK102102998SQ20101059035
      公開日2011年6月22日 申請日期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 申請人:華中科技大學(xué)
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