[发明专利]一种基于布里渊散射的分布式应变和温度光纤传感器

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于布里渊散射的分布式应变和温度光纤传感器。

背景技术

布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程，布里渊散射与入射光之间具有一定的频差，该频差与温度和应变之间具有良好的线性关系，同时其功率与温度成正比关系。光纤作为传感介质，具有体积小、重量轻、抗电磁干扰以及易于组网等优点。通过测量光纤中的布里渊频谱可以实现环境中温度和应变的分布式传感，这在桥梁、隧道、水库水坝、高速公路、大型设施等建筑物的传感中受到越来越多的重视，许多基于光纤布里渊散射的分布式传感技术应运而生，并且在传感距离和传感精度上都有很大突破。

然而传统的基于布里渊散射的传感器，由于受到所用传感光纤自身结构的限制，虽然它对温度和应变都敏感，但是很难通过单次测量实现温度和应变的分离，使得这种传感技术的实用场合受到很大限制，这种现象，称为布里渊传感器的“交叉敏感”问题。为了解决这一问题，已经进行了多种尝试。例如同时采用两根光纤作为传感介质，使其中一根参考光纤始终处于松弛状态，然后分别测量两根光纤的布里渊频谱，通过对比两次测量的结果，实现温度和应变的分离，这种方法，需要两根状态不同的光纤，并且需要两次测量，不仅耗费时间长而且实际应用中光纤铺设也比较困难。另外一种是同时考虑布里渊频谱功率和频率变化的方法，该方法涉及到功率的测量，因此对激光器功率稳定性要求非常高，而且测量精度较低。此外，现有技术中还公开采用了特种光纤（如光子晶体光纤，非零色散位移光纤等）产生多个布里渊散射峰来解决应变和温度的交叉问题，它利用了光场直径大于所用光纤的纤芯的物理直径的特点，由于光场范围内光纤径向的有效折射率有变化，不同的折射率对应不同的布里渊频移，因此会产生多个布里渊峰。对于诸如色散位移光纤等普通的纤芯小的单模光纤而言，由于光场的大部分能量都会集中在高折射率的纤芯部分，因此扩散到纤芯附近低折射率部分的光能量很弱，其对应的布里渊峰也非常弱。而对于基于空气孔的光子晶体光纤，其空气孔在一定程度上是抑制了产生后向布里渊散射的声光效应，因此除分布在玻璃材质纤芯内的光场产生的布里渊峰较强外，其它布里渊峰的功率都非常弱，被测布里渊散射信号的信噪比较差，降低了系统的分辨率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于布里渊散射的分布式应变和温度光纤传感器，该光纤传感器能够很好的解决布里渊频移中应变和温度之间的交叉敏感问题。即本发明方法的光纤传感器通过单次测量就能同时获得高分辨率及高精度的温度和应变。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种基于布里渊散射的分布式应变和温度光纤传感器，包括光源、电光调制器、脉冲信号源、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、环形器、第一光耦合器、第二光耦合器、双平衡探测器、信号处理系统和传感光纤；

所述光源与第一光耦合器输入端连接，第一光耦合器输出端口通过电光调制器与第一掺铒光纤放大器连接；第一掺铒光纤放大器和环形器相连；环形器一端接入到光纤，另一端与滤波器相连；滤波器通过第二掺铒光纤放大器与第二光耦合器的输入端连接；第一光耦合器的输出端和第二掺铒光纤放大器分别与第二光耦合器输入端相连；第二光耦合器输出端通过双平衡探测器与信号处理系统连接；所述脉冲信号源与电光调制器连接；

所述传感光纤中包含有一个长周期光纤光栅，所述传感光纤为全固光子晶体带隙光纤。

优选的，所述光源为窄线宽激光光源。

优选的，所述第二光耦合器为50：50的耦合器。

优选的，所述传感光纤中的长周期光纤光栅是通过CO₂激光器写入的。

优选的，所述传感光纤中写入的长周期光纤光栅的共振频率和传感光纤的入射光频率相同。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

（1）本发明采用带有长周期光纤光栅的全固光子晶体带隙光纤代替普通的光纤作为传感光纤，由于全固光子晶体带隙光纤的纤芯和包层材料的热效应不同，故纤芯和包层对温度和应变的响应不一样，因此两种材料中所激发的布里渊散射对温度和应变具有不同的响应，且全固光子晶体带隙光纤中的长周期光纤光栅将入射光同时耦合到传感光纤的纤芯模和包层模中，使得传输到包层模部分的光能量明显变强，从而可以在包层模和纤芯模中得到较强的布里渊散射峰，使得本发明的光纤传感器通过单次测量就可以获得高分辨率的温度和应变，很好的解决布里渊传感器测量时存在的交叉敏感问题。