一种基于BOTDA的分布式光纤应变、温度测量装置的制作方法

一种基于botda的分布式光纤应变、温度测量装置
技术领域
1.本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于botda的分布式光纤应变、温度测量装置。


背景技术：

2.与传统的传感器相比，光纤传感器具有重量轻、成本低、耐高温、耐腐蚀、防水防潮、多参数测量、抗电磁干扰等优势。分布式光纤传感器具有大范围连续测量、结构简单、性价比高等特点。分布式光纤传感系统按原理可以分为散射型、干涉型、偏振型等，各种类型所依据的原理不同。基于botda(brilouin optical time-domain analysis，布里渊光时域分析)的光纤传感器是一种散射型传感器，其依据布里渊散射。布里渊散射是光子与光纤中因为自发热运动而产生的声子发生非弹性碰撞产生的，布里渊频移与温度和应变都有关系。通过布里渊频移可以监测温度与应变信息。
3.通过光纤光栅进行温度和应变测量，测量点数有限，往往不能实现分布式测量，只能达到准分布式，同时温度与应变存在交叉敏感问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，针对现有光纤传感器难以解决温度应变交叉敏感、分布式测量的问题，本发明提供了一种基于botda的分布式光纤应变、温度测量装置，该测量装置可以在大范围内实现分布式测量，并且可以同时测量温度和应变。
5.本发明采用以下具体技术方案：
6.一种基于botda的分布式光纤应变、温度测量装置，该测量装置包括光源、隔离器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、强度型电光调制器、脉冲电源、相位型电光调制器、微波电源、光放大器、偏振控制器、第一环形器、第二环形器、第三环形器、第四环形器、第一传感光纤、第二传感光纤、第一fbg(光纤光栅)滤波器、第二fbg滤波器、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集卡以及处理器；
7.所述光源的出射端连接所述隔离器的入射端；所述隔离器的出射端连接所述第一耦合器的入射端；所述第一耦合器的第一出射端连接所述强度型电光调制器的入射端，第二出射端连接所述相位型电光调制器的入射端；所述脉冲电源连接所述强度型电光调制器，用于向所述强度型电光调制器施加脉冲电压；所述强度型电光调制器的出射端连接所述光放大器的入射端，用于将连续光调制成泵浦脉冲光；所述微波电源连接所述相位型电光调制器，用于向所述相位型电光调制器施加正弦电压；所述相位型电光调制器的出射端连接所述第三耦合器的入射端，用于对连续光进行移频和扫频，并将连续光调制成连续探测光；所述光放大器的出射端连接所述偏振控制器的入射端；所述偏振控制器的出射端连接所述第二耦合器的入射端；
8.所述第二耦合器的第一出射端连接所述第一环形器的输入端，第二出射端连接所述第二环形器的输入端；所述第一环形器的输出端通过用于测量温度信号的所述第一传感
光纤连接所述第三耦合器的第一出射端；所述第一环形器的隔离端连接所述第三环形器的输入端；所述第二环形器的输出端通过用于测量应变信号的所述第二传感光纤连接所述第三耦合器的第二出射端；所述第一传感光纤采用刚性封装结构；所述第二传感光纤采用由对温度不敏感的材料制成的柔性封装结构；
9.所述第二环形器的隔离端连接所述第四环形器的输入端；所述第三环形器的隔离端连接所述第一光电探测器的入射端，所述第三环形器的输出端连接第一fbg滤波器的入射端；所述第四环形器的隔离端连接所述第二光电探测器的入射端，所述第四环形器的输出端连接第二fbg滤波器的入射端；所述第一光电探测器的信号输出端和所述第二光电探测器的信号输出端均连接所述数据采集卡的信号输入端；所述第一光电探测器和所述第二光电探测器用于将光信号转换为电信号；所述处理器的信号输入端连接所述数据采集卡的信号输出端。
10.更进一步地，所述光放大器为掺铒光纤放大器，并包括掺铒光纤和980nm激光器。
11.更进一步地，所述第一耦合器的第一出射端和第二出射端的光分配比例为9:1；
12.所述第二耦合器和所述第三耦合器的两个出射端的光分配比例均为1:1。
13.更进一步地，所述数据采集卡为高速数据采集卡。
14.更进一步地，所述处理器为计算机。
15.更进一步地，所述光源为1550nm波段保偏窄线宽激光器。
16.有益效果：
17.本发明的分布式光纤应变、温度测量装置包括强度型电光调制器、相位型电光调制器、第一传感光纤和第二传感光纤，通过强度型电光调制器和相位型电光调制器实现两种不同的调制方式，其中一路通过强度型电光调制器将连续光调制成泵浦脉冲光，另一路通过相位型电光调制器对连续光进行移频和扫频进而将连续光调制成连续探测光，从而在两个传感光纤的一端注入泵浦光、且在另一端注入探测光，当传感光纤中某一位置因温度或应变影响而发生布里渊散射，当满足受激布里渊散射的条件时，发生能量转移，使得后向布里渊散射光的光强增加，可被光电探测器探测到，并通过光电探测器将光信号转换为电信号，探测到的电压信号值与布里渊散射信号的中心波长有关；同时，第一传感光纤采用刚性封装结构，而第二传感光纤采用由对温度不敏感的材料制成的柔性封装结构，使得第一传感光纤对应变失敏而温度传递不受影响，能够用于温度测量，第二传感光纤使用温度不敏感的材料进行柔性封装，使得第二传感光纤对温度不敏感，从而实现对应变这一单一参数的测量。
18.因此，采用上述结构的分布式光纤应变、温度测量装置通过并行的第一传感光纤和第二传感光纤既可以对温度进行监控，也可以测量应变，能够对几百米至几百千米大范围内的应变、温度进行分布式测量，并且由于光纤传播速度快，使得系统响应时间仅为十几秒到几十秒，具有成本低、寿命长、抗电磁干扰等优点，在大型建筑或结构的监测领域具有很大的应用空间。
附图说明
19.图1为本发明的分布式光纤应变、温度测量装置的原理示意图；
20.图2为受激布里渊散射示意图。
21.其中，1-光源，2-隔离器，3-第一耦合器，4-第二耦合器，5-第三耦合器，6-强度型电光调制器，7-脉冲电源，8-相位型电光调制器，9-微波电源，10-光放大器，11-偏振控制器，12-第一环形器，13-第二环形器，14-第三环形器，15-第四环形器，16-第一传感光纤，17-第二传感光纤，18-第一fbg滤波器，19-第二fbg滤波器，20-第一光电探测器，21-第二光电探测器，22-数据采集卡，23-处理器，24-泵浦光，25-探测光
具体实施方式
22.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
23.如图1所示，本发明实施例提供了一种基于botda的分布式光纤应变、温度测量装置，该测量装置包括光源1、隔离器2、第一耦合器3、第二耦合器4、第三耦合器5、强度型电光调制器6、脉冲电源7、相位型电光调制器8、微波电源9、光放大器10、偏振控制器11、第一环形器12、第二环形器13、第三环形器14、第四环形器15、第一传感光纤16、第二传感光纤17、第一fbg滤波器18、第二fbg滤波器19、第一光电探测器20、第二光电探测器21、数据采集卡22以及处理器23；
24.光源1的出射端连接隔离器2的入射端；光源1为1550nm波段保偏窄线宽激光器；
25.隔离器2的出射端连接第一耦合器3的入射端；
26.第一耦合器3的第一出射端连接强度型电光调制器6的入射端，第二出射端连接相位型电光调制器8的入射端；第一耦合器3的第一出射端和第二出射端的光分配比例为9:1；
27.脉冲电源7连接强度型电光调制器6，用于向强度型电光调制器6施加脉冲电压；
28.强度型电光调制器6的出射端连接光放大器10的入射端，用于将连续光调制成泵浦脉冲光；光放大器10为掺铒光纤放大器，并包括掺铒光纤和980nm激光器；掺铒光纤的作用是对脉冲光实现光放大，980纳米激光器用于泵浦掺铒光纤；
29.微波电源9连接相位型电光调制器8，用于向相位型电光调制器8施加正弦电压；微波电源9可以向相位型电光调制器8施加10.8ghz的正弦电压；
30.相位型电光调制器8的出射端连接第三耦合器5的入射端，用于对连续光进行移频和扫频，并将连续光调制成连续探测光25；
31.光放大器10的出射端连接偏振控制器11的入射端；
32.偏振控制器11的出射端连接第二耦合器4的入射端；
33.第二耦合器4的第一出射端连接第一环形器12的输入端，第二出射端连接第二环形器13的输入端；第二耦合器4的两个出射端的光分配比例为1:1；
34.第一环形器12的输出端通过用于测量温度信号的第一传感光纤16连接第三耦合器5的第一出射端；第一环形器12的隔离端连接第三环形器14的输入端；
35.第二环形器13的输出端通过用于测量应变信号的第二传感光纤17连接第三耦合器5的第二出射端；第二环形器13的隔离端连接第四环形器15的输入端；第三耦合器5的两个出射端的光分配比例为1:1；
36.第一传感光纤16采用刚性封装结构；
37.第二传感光纤17采用由对温度不敏感的材料制成的柔性封装结构；
38.第三环形器14的隔离端连接第一光电探测器20的入射端，第三环形器14的输出端连接第一fbg滤波器18的入射端；
39.第四环形器15的隔离端连接第二光电探测器21的入射端，第四环形器15的输出端连接第二fbg滤波器19的入射端；
40.第一光电探测器20的信号输出端和第二光电探测器21的信号输出端均连接数据采集卡22的信号输入端；数据采集卡22为高速数据采集卡22；第一光电探测器20和第二光电探测器21用于将光信号转换为电信号；
41.处理器23的信号输入端连接数据采集卡22的信号输出端；处理器23为计算机。
42.上述分布式光纤应变、温度测量装置通过强度型电光调制器6和相位型电光调制器8实现两种不同的调制方式，其中一路通过强度型电光调制器6将连续光调制成泵浦脉冲光，另一路通过相位型电光调制器8对连续光进行移频和扫频进而将连续光调制成连续探测光25，从而在两个传感光纤的一端注入泵浦光24、且在另一端注入探测光25，当传感光纤中某一位置因温度或应变影响而发生布里渊散射，当满足受激布里渊散射的条件时，发生能量转移，使得后向布里渊散射光的光强增加，可被光电探测器探测到，并通过光电探测器将光信号转换为电信号，探测到的电压信号值与布里渊散射信号的中心波长有关；同时，第一传感光纤16采用刚性封装结构，而第二传感光纤17采用由对温度不敏感的材料制成的柔性封装结构，使得第一传感光纤16对应变失敏而温度传递不受影响，能够用于温度测量，第二传感光纤17使用温度不敏感的材料进行柔性封装，使得第二传感光纤17对温度不敏感，从而实现对应变这一单一参数的测量。
43.因此，采用上述结构的分布式光纤应变、温度测量装置通过并行的第一传感光纤16和第二传感光纤17既可以对温度进行监控，也可以测量应变，能够对几百米至几百千米大范围内的应变、温度进行分布式测量，并且由于光纤传播速度快，使得系统响应时间仅为十几秒到几十秒，具有成本低、寿命长、抗电磁干扰等优点，在大型建筑或结构的监测领域具有很大的应用空间。
44.上述分布式光纤应变、温度测量装置通过强度型电光调制器6和相位型电光调制器8实现两种不同的调制方式，其中一路通过强度型电光调制器6将连续光调制成为泵浦光24，调制后的泵浦光24再通过掺铒光纤进行放大；另一路中连续光通过相位型电光调制器8移频且完成扫频工作；如图2所示，在传感光纤的一端注入泵浦光24，另一端注入探测光25，第一传感光纤16中某一位置由于温度或应变影响，发生布里渊散射，当满足受激布里渊散射的条件时，发生能量转移，使得后向布里渊散射光的光强增加，可被光电探测器探测到；其中第一传感光纤16通过刚性封装，使其对应变失敏，而温度传递不受影响，用于温度测量；第二传感光纤17使用温度不敏感的材料进行柔性封装，实现对应变单一参数的测量，使两根光纤分别用于测量不同的参量；光电探测器所探测到的电压信号的值与布里渊散射信号的中心波长有关。
45.在满足受激布里渊散射的条件下，连续探测光25与脉冲泵浦光24在光纤中发生能量转移，其由受激布里渊散射引入的强度变化被光电探测器转换为时域电信号，进一步通过数据采集卡22采集该电信号，可以分析出布里渊增益沿光纤的分布。在不同的泵浦-探测光频率差下得到相应的布里渊增益曲线，增益曲线上的每一点反应了光纤上对应位置在该泵浦-探测光频率差下的布里渊增益。联合不同泵浦-探测光频率差下的布里渊增益曲线可以得到布里渊增益沿光纤的分布。对光纤不同位置测得的布里渊增益拟合(常用的有洛伦兹和二项式拟合)求解其峰值对应的频率，即可测得整条光纤上的布里渊频移分布，进而求
解出整条光纤上的温度及应力分布。
46.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。