基于多模光纖的用于溫度和應(yīng)變同時測量的方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于多模光纖的用于溫度和應(yīng)變同時測 量的方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 分布型光纖傳感器除了具有一般光纖傳感器抗電磁干擾、耐腐蝕W及電絕緣性好 等優(yōu)點，還具有只需一次測量即可獲取沿整個光纖被測場分布信息，測量精度高、定位準 確、傳感距離可達上百公里等獨特優(yōu)點，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。其中基于光纖布里淵散 射的分布型傳感技術(shù)在溫度測量上所達到的測量精度、測量范圍W及空間分辨率均高于其 它傳感技術(shù)，因此該種技術(shù)引起了廣泛的關(guān)注。目前，基于光纖布里淵散射的分布型傳感技 術(shù)的研究方向主要有；①基于布里淵光時域反射炬OTDR)的分布型光纖傳感技術(shù)；②基于 布里淵光時域分析炬OTDA)的分布型光纖傳感技術(shù)；⑨基于布里淵光頻域分析炬OFDA)的 分布型光纖傳感技術(shù)。
[0003] 由于光纖中布里淵頻移同時受到溫度和應(yīng)變的影響，因此僅靠單一的布里淵頻移 無法分辨該頻移是由溫度還是應(yīng)變引起的，該就造成了布里淵分布型光纖傳感中的交叉敏 感問題，從而也制約了布里淵分布型光纖傳感器在實際中的應(yīng)用。最初解決交叉敏感問題 的方法是在傳感光纖旁邊布置處于松弛狀態(tài)的參考光纖，使參考光纖對應(yīng)變不敏感，從而 對傳感光纖進行溫度補償，達到測量雙參量的目的，但該種布置光纖的方法在實際中很難 應(yīng)用。但由于拉曼散射光功率小，難W實現(xiàn)長距離傳感。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對上述問題，本發(fā)明提出了一種基于多模光纖的用于溫度和應(yīng)變同時測量的方 法及系統(tǒng)。
[00化]一種基于多模光纖的用于溫度和應(yīng)變同時測量的方法，包括：
[0006] 步驟1、根據(jù)布里淵頻移與入射光波長、W及累浦光和斯托克斯光之間的夾角關(guān) 系，建立布里淵散射斯托克斯光相對于入射光的頻移關(guān)系式；
[0007] 步驟2、根據(jù)光纖折射率受到熱光效應(yīng)和彈光效應(yīng)而發(fā)生變化的關(guān)系，建立光纖的 布里淵頻移與溫度W及應(yīng)變的函數(shù)；
[000引步驟3、根據(jù)多模光纖存在多種光的傳導模式特性，建立不同模式下的布里淵頻移 與溫度W及應(yīng)變的函數(shù)；
[0009] 步驟4、測量多模光纖多個具有不同布里淵頻移-溫度系數(shù)和布里淵頻移-應(yīng)變系 數(shù)的傳導模式，找出兩個頻移相差最大的傳導模式，建立兩種傳導模式下溫度系數(shù)、應(yīng)變系 數(shù)與布里淵頻移之間的系數(shù)矩陣，實現(xiàn)溫度與應(yīng)變的同時測量。
[0010] 所述步驟1中布里淵散射斯托克斯光相對于入射光的頻移關(guān)系式為：
[0011]
【主權(quán)項】
1. 一種基于多模光纖的用于溫度和應(yīng)變同時測量的方法，其特征在于，包括： 步驟1、根據(jù)布里淵頻移與入射光波長、以及泵浦光和斯托克斯光之間的夾角關(guān)系，建 立布里淵散射斯托克斯光相對于入射光的頻移關(guān)系式； 步驟2、根據(jù)光纖折射率受到熱光效應(yīng)和彈光效應(yīng)而發(fā)生變化的關(guān)系，建立光纖的布里 淵頻移與溫度以及應(yīng)變的函數(shù)； 步驟3、根據(jù)多模光纖存在多種光的傳導模式特性，建立不同模式下的布里淵頻移與溫 度以及應(yīng)變的函數(shù)； 步驟4、測量多模光纖多個具有不同布里淵頻移-溫度系數(shù)和布里淵頻移-應(yīng)變系數(shù)的 傳導模式，找出兩個頻移相差最大的傳導模式，建立兩種傳導模式下溫度系數(shù)、應(yīng)變系數(shù)與 布里淵頻移之間的系數(shù)矩陣，實現(xiàn)溫度與應(yīng)變的同時測量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述步驟1中布里淵散射斯托克斯光相對于 入射光的頻移關(guān)系式為：
式中，％為布里淵頻移，v〇為入射光，vs為斯托克斯光頻率，vas為反斯托克斯光頻率；n為介質(zhì)折射率，Va為光纖中的聲速，A^為入射光波長，0為泵浦光和斯托克斯光之間的夾 角；其中聲速^的計算公式為
式中，E為介質(zhì)的楊氏模量，y為介質(zhì)的泊松比，P為介質(zhì)的密度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述步驟2中光纖的布里淵頻移與溫度以及 應(yīng)變的函數(shù)為：
式中，vBS布里淵頻移，T為溫度，e為應(yīng)變，n為介質(zhì)折射率，A^為入射光波長，0為 泵浦光和斯托克斯光之間的夾角，E為介質(zhì)的楊氏模量，y為介質(zhì)的泊松比，P為介質(zhì)的密 度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述步驟3具體過程包括： 對于漸變折射率多模光纖，光在其中傳輸存在多個傳導模式，每個傳導模式用LP胃來 表示，其中m表示場量沿圓周方向分布的整個駐波的個數(shù)，也表示貝塞爾函數(shù)的階數(shù)，q表 示場量沿半徑方向最大值的個數(shù)，m和q決定了相應(yīng)模式在橫截面上的場分布；對于弱導波 光纖，有效折射率
，其中h是真空中的波數(shù)，
^為入射光波長，不同的 傳導模式，其傳輸常數(shù)和散射角分別表示為0胃和0胃，而A^與入射光有關(guān)，楊氏模量E、 泊松比U和密度P與光纖本身的材料有關(guān)，不受模式的影響，則不同模式對應(yīng)的布里淵頻 移表示為
對于布里淵散射，不同模式布里淵頻移都是溫度和應(yīng)變的函數(shù)表示為VBmq(T，e)，其計 算公式如下
式中，vBS布里淵頻移，T為溫度，e為應(yīng)變，n為介質(zhì)折射率，A^為入射光波長，0為 泵浦光和斯托克斯光之間的夾角，E為介質(zhì)的楊氏模量，y為介質(zhì)的泊松比，P為介質(zhì)的密 度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述方法，其特征在于，所述步驟4的具體過程包括： 實際測量多模光纖多個具有不同布里淵頻移-溫度系數(shù)和布里淵頻移-應(yīng)變系數(shù)的 傳導模式，找出其中兩個頻移相差最大模式，分別用模式x，y來表示，且模式x的溫度系數(shù) C/和應(yīng)變系數(shù)為C/，模式y(tǒng)的溫度系數(shù)C/和應(yīng)變系數(shù)為C/，
其中和分別為模式x*y引起的布里淵頻移，ST和Se分別為溫度和應(yīng)變 的變化量，則通過解方程（5)得
最終實現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時測量。
6. -種基于多模光纖的用于溫度和應(yīng)變同時測量的系統(tǒng)，其特征在于，包括：激光器、 第一親合器、偏振控制器、電光調(diào)制器、脈沖發(fā)生器、第一光放大器、第一環(huán)形器、第一光柵、 多模環(huán)形器、多模光纖、第二光放大器、第二環(huán)形器、第二光柵、第二親合器、擾偏器、光電檢 測器、數(shù)據(jù)采用和處理模塊、計算機顯示模塊； 其中，激光器與第一親合器相連，第一親合器出口分為兩路，第一路出口通過偏振控 制器與電光調(diào)制器相連，脈沖發(fā)生器與電光調(diào)制器相連，電光調(diào)制器通過第一光放大器與 第一環(huán)形器和第一光柵組成的第一光濾波器相連，第一環(huán)形器再與多模環(huán)行器的第一口相 連，多模環(huán)行器的第二口與多模光纖相連，多模環(huán)行器的第三口通過第二光放大器與第二 環(huán)形器和第二光柵組成的第二光濾波器相連，第二環(huán)形器再與第二耦合器相連；第一耦合 器的第二路出口通過擾偏器與第二耦合器相連；第二耦合器依次通過光電檢測器、數(shù)據(jù)采 集與處理模塊與計算機顯示模塊相連。
7. -種根據(jù)權(quán)利要求6所述系統(tǒng)的工作方式，其特征在于，包括：激光器發(fā)射激光通過 第一耦合器分成兩路，第一光路通過偏振控制器后注入到電光調(diào)制器，通過脈沖發(fā)生器控 制電光調(diào)制器將連續(xù)光調(diào)制成脈沖光；脈沖光通過第一光放大器放大并通過第一環(huán)形器和 第一光柵組成的第一光濾波器濾除自發(fā)輻射噪聲；去噪后的脈沖光通過多模環(huán)行器的第一 口注入到多模光纖中，光在多模光纖中傳輸，會產(chǎn)生多個傳輸模式，光纖中的光學光子和光 纖中的聲學聲子發(fā)生非彈性碰撞而產(chǎn)生斯托克斯光同樣激發(fā)了多個傳導模式，多個模式的 布里淵散射光沿著光纖反向傳輸通過多模環(huán)形器的第二口，到達多模環(huán)形器的第三口，散 射光在多模環(huán)形器里單向傳輸通過第三口輸出，輸出的背向散射光包含多個模式，信號較 弱，再通過第二光放大器進行放大；第二光放大器放大微弱的背向布里淵散射光但會給系 統(tǒng)引入自發(fā)輻射噪聲，需要經(jīng)過帶寬等于光源譜寬的第二光濾波器來濾除該噪聲信號，第 二光濾波器由第二環(huán)形器和第二光柵組成；最后背向散射光經(jīng)耦合器進入光電檢測器；第 一耦合器出來的第二光路首先通過擾偏器再通過耦合器也進入光電檢測器，兩路光信號通 過光電檢測器進行外差檢測轉(zhuǎn)化成電信號，并經(jīng)過數(shù)據(jù)采集和處理后顯示在計算機上。
【專利摘要】本發(fā)明屬于測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多模光纖的用于溫度和應(yīng)變同時測量的方法及系統(tǒng)，包括：激光器、第一耦合器、偏振控制器、電光調(diào)制器、脈沖發(fā)生器、第一光放大器、第一環(huán)形器、第一光柵、多模環(huán)形器、多模光纖、第二光放大器、第二環(huán)形器、第二光柵、第二耦合器、擾偏器、光電檢測器、數(shù)據(jù)采用和處理模塊、計算機顯示模塊；通過測量多模光纖兩個具有不同布里淵頻移-溫度系數(shù)和布里淵頻移-應(yīng)變系數(shù)的模式，構(gòu)成系數(shù)矩陣，可實現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時測量，解決了布里淵分布型光纖傳感中的交叉敏感問題，測量精度高、定位準確、成低。
【IPC分類】G01D21-02
【公開號】CN104568019
【申請?zhí)枴緾N201510063502
【發(fā)明人】趙麗娟, 李永倩, 徐志鈕
【申請人】華北電力大學（保定）
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年2月6日