用分布式传感器探测和/或测量物理量的方法技术

本发明专利技术涉及一种用分布式传感器探测和／或测量物理量在传感器的多个测量点处的变化的方法。传感器有一条光纤，光纤中有一个传导光波的光学芯，它具有众多沿光纤分布并各自位于一个测量点水平处的衍射光栅，衍射光栅在无应力作用情况下具有基本相同的反射中心波长，它包括下述步骤：从光纤的输入端射入一个探测光信号，其波长接近反射中心波长；确定随时间变化的反射光信号的功率，称为实测反射功率；将随时间变化的实测反射功率与物理量未发生变化时的随时间变化的反射功率（空载反射功率）进行比较；当实测反射功率与空载反射功率不同时，则探测到物理量的变化。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用分布式传感器，特别是借助光纤进行探测的分布式传感器，探测和/或测量物理量变化的方法，这个物理量可以是温度，压力，机械变形，电场，磁场等等。我们知道，光纤是传导光波的通道，它的中心部分以二氧化硅为材料，称为光学芯，用以传导大部分光波，光学芯的周围包着光学套，也是以二氧化硅为材料，用以传导没有被光学芯传导的那部分光波。众所周知，由于其结构的特点，光纤对所处的环境十分敏感，特别当温度变化时(例如温度下降)，将使纤维收缩，结果导致它的传导特性发生很容易探测到的变化(光学信号的衰减增加)。当光纤受到使其变形的机械应力，压力变化，以及与光纤所传导的光波的电磁场交互作用的电场或磁场变化时，也会发生前述的变化。因此，在许多已知的传感器中，用光纤探测物理量的变化。在一部分这种传感器中使用了一些特殊的光纤，光纤上设有衍射光栅，比较典型地称为Bragg光栅。例如在专利US-4996419中就描述了这类传感器。以下我们将衍射光栅称为Bragg光栅，但并不是将本专利技术的应用仅仅限于Bragg光栅。首先要知道，位于光纤芯上的衍射光栅由其给定长度上(沿着光纤轴线方向)的一系列的光纤芯的折射率的周期性变化而形成。这些变化在光纤传导的光信号上的累积效应是将这些信号的相当一部分反射到入射端，并且在称为衍射光栅的反射中心波长的附近，这个波长是衍射光栅的间距和光纤芯初始折射率(即设置光栅之前的折射率)的函数。对于信号的其它部分，衍射光栅几乎是透明的。这样，设置在光纤芯上的衍射光栅对于从光纤芯中通过的光学信号就象一个窄阻带光学滤波器。在Bragg光栅反射光谱上，这种特性表现为位于一个区间内的尖峰，区间的中心对应于反射的中心波长并且区间相对较窄，而在传导光谱上，该特性表现为一个对应该波长的凹陷。附图说明图1中的曲线10示意性地表示了一个Bragg光栅的反射光谱，即Bragg光栅反射的信号的功率P随波长λ而变化。λ0为Bragg光栅的反射的中心波长。确定λ0的两个参数(折射率和Bragg光栅的间距)直接依赖于温度，它们的变化一方面改变折射率(热光学效应)，另一方面产生热膨胀或热收缩。这两个参数同样也依赖于作用在光纤上的机械应力，这个应力将使光纤沿长度变形以导致Bragg光栅间距的变化，同时也由于光弹性效应而改变折射率。最后，确定λ0的参数直接依赖于流体静压力。这样，具有Bragg光栅的光纤的自身特点使其具有温度，压力和变形(也就是应力)探测器的功能。对于电场或磁场变化这一类情况，可以在具有一个或数个Bragg光栅的光纤上设置适当的装置，例如由压电或磁致收缩材料制成的外壳，当受监测的场发生变化时，它将使光纤产生变形，这样可以将这些量的所有变化与反射的中心波长λ0的变化联系起来。上述已知现象已在传感器中应用了。为了探测一个物理量的变化，我们在光纤中连续地发射光信号，并观测传导光谱或反射光谱，以确定反射信号的波长。如果这个波长不是在正常情况(＂空的＂，即处于受监测的物理量未发生变化)下测得的波长，我们就探测到了在光栅周围受监测的物理量的变化。通过适当的标定，我们还可以根据测得的反射波长估算变化的幅度。专利US-4996419中提出了一种分布式传感器，它有一条光纤，上面按预定的间隔设置着许多Bragg光栅，它们的特性在空载时(正常情况)基本上一致，即具有基本上一致的反射中心波长。Bragg光栅的分布构成了一个分布式传感器，即一个具有许多分开的探测和/或测量点的传感器，以便监测一个分布较广的区域。例如，一个这样的传感器可以用在一个很长的动力电缆附近，以便确定发生有害的温度升高的区域。在上述的专利中，为了探测和/或测量受监测物理量的变化，人们将光纤的一端与一个光源连接，这个光源的波长可以在一个足够宽的范围内调谐，以便包含由于物理量的变化而变化的Bragg光栅的所有反射波长，然后，向光纤内射入光信号，以扫描波长的频谱。反射信号用上述的方法进行探测和分析，并根据信号往返的时间来确定受监测的物理量发生变化的地点。在这个专利中还指出，每一个Bragg光栅的反射系数(即反射光信号的功率和入射光信号的功率之比)应在0.01左右，以避免对不同光栅之间多重反射的传输产生不良的后果。上述专利中描述的方法并不完全令人满意。实际上，按推荐的方法，必须在一个相当宽的频谱上扫描，并且在Bragg光栅的反射中心波长上尽可能细地调谐。由于Bragg光栅的反射光谱窄，调谐需要更加精细。因此，需要使用一个高精度的可调光源，这样将要使用一个复杂而昂贵的仪器。另外，了解所有测量点的情况所需的时间相对较长，因为需要在一个足够宽的频谱上扫描，而每次改变所用光源的波长也需要较长的时间，约为秒的数量级(使光源在新的波长上稳定的时间)。此外，使用稳定时间相对较长的可调光源使整体化十分困难，以致来自距传感器输入端最远的Bragg光栅的响应信号无法与接受器本身的噪声区分开来。此外，为实施专利US-4996419中的方法的传感器在使用上也不能另人满意。实际上，如果希望传感器的范围很大，例如10公里左右，就必须在上面设置相当多的Bragg光栅，例如，要每两米设置一个测点，就需要5000个光栅。如果我们选择传统的反射系数，即上述专利所建议的(0.01)，由Bragg光栅导致的光纤针对反射中心波长(例如选择1.55微米左右)的衰减率约为22分贝/公里，这大大高于光纤本身的衰减率(波长1.55微米时为0.3分贝/公里)。这样，从光纤端部的传感器上反射回来的信号由于衰减得太多而无法检测。另外，我们知道，为了在光纤上形成Bragg光栅，要使光纤芯透过光学套暴露在两束紫外光线产生的干涉条纹的照射下，并且，所希望的反射系数越高，则该过程的时间也越长，所需能量强度也越高。此外，用专利US-4996419的方法，最好选用窄的Braag光栅的反射频谱，例如，可选择宽为0.1纳米数量级的频谱。由于Bragg光栅的反射频谱的频宽与光栅的长度成反比，因此这个方法需使用相对较长的Bragg光栅，实际上，当频谱宽为0.1纳米时，光栅长为十几毫米。而在光纤上形成一个Bragg光栅所需的功率是光栅长度的函数。这样，为了得到一个专利US-4996419中公开的传感器，需要设置大量的频宽较窄及反射系数为0.01的Bragg光栅，这需要大约1焦耳/平方厘米的能量强度。为了在有限的时间内(10纳秒的数量级)提供这些能量，特别是为了在生产线上制作Bragg光栅时不影响光纤的操作，就必须使用大型的，高功率的激光器，这使得这种光栅的工业化生产变得复杂。本专利技术的目的是制订一种使用具有衍射光栅(如Bragg光栅)的分布式传感器的方法，以避免上述的缺陷。为此，本专利技术提出了一种用分布式传感器探测和/或测量一个物理量在所述传感器的多个测量点处的变化的方法，所述传感器有一条光纤，光纤有一个传导大部分光波的光学芯，所述光学芯具有众多沿着所述光纤分布并各自位于一个所述测量点水平处的衍射光栅，所述衍射光栅在无应力作用的情况下具有基本相同的反射中心波长，其特征在于，它包括下述步骤一从光纤的称为输入端的一端射入一个探测光信号，其波长接近所述的反射中心波长，-确定随时间变化的反射光信号的功率，称为实测反射功率，-将随时间变化的实测反射功率与所述物理量本文档来自技高网...

【技术保护点】
用分布式传感器探测和／或测量一个物理量在所述传感器的多个测量点处的变化的方法，所述传感器有一条光纤，光纤有一个传导大部分光波的光学芯，所述光学芯具有众多沿着所述光纤分布并各自位于一个所述测量点水平处的衍射光栅，所述衍射光栅在无应力作用的情况下具有基本相同的反射中心波长，其特征在于，它包括下述步骤：－从光纤的称为输入端的一端射入一个探测光信号，其波长接近所述的反射中心波长，－确定随时间变化的反射光信号的功率，称为实测反射功率，－将随时间变化的实测反射功率与所述物 理量未发生变化时的随时间变化的反射功率，即空载反射功率，进行比较，－当所述实测反射功率与所述空载反射功率不同时，则探测到所述物理量的变化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德尔泰迪，
申请(专利权)人：阿尔卡塔尔电缆公司，
类型：发明
国别省市：FR[法国]