[实用新型]一种基于BOTDA和定点应变光缆的分布式位移传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种传感器，尤其是一种基于BOTDA和定点应变光缆的分布式位移传感器。

背景技术

由于桥梁、隧道、路基路面等基础设施构筑物监测距离长，使用传统的点式传感器很难对整个结构的状态进行监测，而且随着布设传感器数量的增加，系统的复杂度和成本将会急剧增加。因此需要具有分布式监测能力、低成本的传感器作为结构监测系统的传感原件。与传统电学传感器相比，光纤传感器体积小、重量轻，便于与结构作为一体；抗腐蚀、易弯曲、抗电磁干扰，适合在空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用；光纤本身既是传感器又是信号传输通道，具有很高的灵敏度。

光在光纤中传输会产生散射现象，包括由光纤折射率变化引起的瑞利散射，由光学声子引起的拉曼散射和由声学声子引起的布里渊散射三种散射。瑞利散射是光纤的一种固有特性，当光波在光纤中传输时，遇到光纤纤芯折射率在微观上随机起伏而引起的线性散射，散射光的频率与入射光相同。拉曼散射是入射光波的一个光子被一个声子散射成为另一个低频光子，同时声子完成其两个振动态之间的跃迁，属于非线性散射，散射光频率相对入射光发生偏移。基于瑞利散射和拉曼散射发展出两大类多种分布式光纤传感技术，如瑞利分布式温度应变传感技术和拉曼分布式温度传感技术。但与这两类传感技术相比，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术具有空间分辨率高，传感距离远，可实现动态测量等优势,因此在土木工程监测领域得到最广泛的研究与应用。

BOTDA(布里渊光时域分析技术)的传感原理是利用传感光纤中布里渊频移与温度和应变之间的线性关系，通过解调布里渊散射光频率变化进而得到光纤沿线的温度和应变。BOTDA技术利用光纤中的受激布里渊散射(SBS)效应，在光纤两端分别注入相向传输的两束光，一束为脉冲泵浦光，另一束为连续探测光。通过系统调制使两束光的频率差接近光纤的布里渊频移，此时连续探测光信号被脉冲泵浦光放大，产生受激布里渊散射。当光纤受到应变和温度作用时，布里渊频移会发生改变。BOTDA系统通过调制连续探测光频率进行扫频，改变脉冲泵浦光与连续探测光的频率差，得到光纤各点在不同频率下的布里渊增益信号强度，即布里渊增益谱。通过对布里渊增益谱进行洛伦兹拟合，得到布里渊增益谱峰值对应的频率，即该点的布里渊频移，进而得到该点的应变和温度。

现有监测方案中，传感光缆需考虑布设环境的影响，土壤滑动等因素会对测量数据有一定的影响，导致测量结果准确性不高；传统的技术方案单段测量距离有限，有时不能一次完成测量任务，需要多次分段测量，汇总后整体测量结果误差较大，空间分辨率较低，无法满足健康监测领域长距离位移监测定位的需求。

综上，在实际的土工工程监测中,急需一款可以实现精确定位,长距离监测和空间分辨率高的光纤位移传感器。

发明内容

针对实际测量需求，提出一种基于BOTDA和定点应变光缆的分布式位移传感器。

本实用新型为解决上述问题采取的技术方案是：一种基于BOTDA和定点应变光缆的分布式位移传感器，其特征在于，包括传感光缆、定点、光纤熔接保护盒、多芯光缆、光纤通道扩展架和布里渊光时域分析仪，所述布里渊光时域分析仪包括激光器、第一光纤耦合器、第一偏振控制器、第一电光调制器、掺铒光纤放大器、光纤环形器、光电探测器、高速采集卡、任意函数发生器、第二偏振控制器、第二电光调制器、微波发生器、光纤光栅滤波器、光学隔离器和待测光纤；

所述传感光缆预埋在待测区域，所述传感光缆通过定点交替连接形成线路，所述线路两端接于光纤熔接保护盒上，所述光纤熔接保护盒和光纤通道扩展架之间通过多芯光缆连接，所述布里渊光时域分析仪与光纤通道扩展架间通过多芯光缆连接；

所述激光器的输出端连接第一光纤耦合器的输入端，所述第一光纤耦合器的输出端分别连接第一偏振控制器和第二偏振控制器的输入端；

所述第一偏振控制器的输出端连接第一电光调制器的输入端，所述任意函数发生器输出端连接第一电光调制器的输入端，所述第一电光调制器的输出端连接掺铒光纤放大器的输入端，所述掺铒光纤放大器的输出端连接光纤环形器的一端口，所述光纤环形器的二端口连接在待测光纤一端；

所述第二偏振控制器的输出端连接第二电光调制器的输入端，所述微波发生器的输出端连接第二电光调制器的输入端，所述第二电光调制器的输出端连接光纤光栅滤波器的输入端，所述光纤光栅滤波器的输出端连接光学隔离器的输入端，所述光学隔离器的输出端连接在待测光纤另一端。