[发明专利]基于多芯光纤的分布式温度、振动同时检测传感器

说明书

本发明公开了一种基于多芯光纤的分布式温度、振动同时检测传感器，多芯光纤利用其空分复用特性将拉曼传感系统和偏振光时域反射仪进行集成，实现温度、振动双参量同时检测。具体为中间芯实施拉曼分布式传感，获取分布式的温度信息；偏心纤芯实施偏振光时域反射仪，获取分布式的振动信息。由于多芯光纤均匀、紧凑的纤芯空间分布结构，中间芯和偏心芯所受温度是一样的，拉曼传感系统只对温度敏感，而偏振光时域反射仪对温度敏感度较低，对振动具有较大响应，因此利用这种空分复用的拉曼‑偏振光时域反射仪传感系统可以实现温度、振动双参量同时并可区分测量。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于多芯光纤的分布式温度、振动同时检测传感器。

背景技术

光纤传感器相对于传统传感器具有体积小，频带宽，灵敏度高，不受电磁干扰，耐腐蚀，耐高温，抗高压，能适应恶劣环境等优点。正是因为这些特点，光纤传感一直受到各国相关学术界和研究机构的高度重视。从上世纪至今，已经研制出上百余种的光纤传感器。目前已经证明，光纤传感器能够实现对应变、位移、压力、速度、加速度、转矩、角速度、温度、电流、电压、浓度、流量、流速以及磁、声、光、射线等70多种物理量的检测。它的应用渗透到了医学和生物、工农矿业、能源环保、国防军事、智能结构等领域。

分布式光纤传感系统可以定义为：能在整个连续的光纤长度上，以距离的连续函数的形式传感出被测参数随光纤长度方向变化的仪器或者系统。分布式温度、振动传感系统通常是将光纤沿温度场、振动场排布，测量光在光纤中传输时产生的携带温度、振动信息的散射光，同时采用OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)技术，就可以对沿光纤传输路径上的温度、振动空间分布和随时间变化的信息进行测量和监控。

当光进入到光纤中时，光子与光纤介质互相作用引起光线改变方向即光的散射，当光子与光纤中的二氧化硅分子互相作用时，会发生两种情况，有能量交换和没有能量交换。

当光子与光纤戒指发生弹性碰撞无能量交换时，此过程为瑞利散射过程，基于瑞利散射的光时域反射仪是发展最早至今为止最为成熟的技术。偏振光时域反射仪(POTDR)是在瑞利散射技术的基础上，通过提取光纤链路中瑞利散射光的偏振态信息以解调振动信息。

当光子与光纤介质发生非弹性碰撞并且有能量交换，这个过程产生拉曼(Raman)散射效应。基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器是国外最先商用化的产品，同时它具备了目前最有可能实用化的技术。多集中在基于光时域拉曼散射反射仪(ROTDR)的分布式光纤温度传感器，它通过向光纤发送一个短激光脉冲，然后测得背向散射的拉曼光，该光信号就包含了沿光纤的损耗和温度分布信息。

现有的绝大多数温度-振动同时检测传感器多采用电类传感器，其多为点式传感器，存在易损坏、无法抗电磁干扰等问题；随着光纤传感器的发展，基于光纤光栅温度-振动传感器被广泛研究，将光栅所受应力响应通过相关算法解调为振动信号，但也属于点式传感，而且需要对光纤刻写光栅，工艺相对复杂。由于光栅对温度也敏感，即使采用相对应的算法解调，但误差加大，所以也较难实现温度-振动精确的同时可区分测量。近年来，基于拉曼-相位敏感OTDR(Phase-sensitive OTDR,φ-OTDR)系统被研究用于温度-振动同时检测，但由于φ-OTDR对温度非常敏感，所以无法做到温度-振动可区分性检测，实际应用中误报率极高。

发明内容