一种基于光载微波干涉的多相流参数分布式光纤测量系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于光载微波干涉的多相流参数分布式光纤测量系统，其特征在于：包括宽带载波信号源(1)、光偏振器(2)、光偏振控制器(3)、宽带频率可调谐微波源(4)、电光调制器(5)、光放大器(6)、光环行器(7)、传输光纤(8)、分布式传感光纤(9)、光电探测器(10)、锁相放大器(11)、矢量微波探测器(12)、计算机(13)、测量管道(14)与多相流(15)，其中，分布式传感光纤(9)铺嵌于多相流管道内壁中。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光载微波干涉的多相流参数分布式光纤测量系统
本专利技术属于先进传感和复杂流动测试领域，具体为一种基于光载微波干涉的多相流参数分布式光纤测量系统。
技术介绍
多相流存于化工、水利、气象、能源、冶金、生物、食品加工、航空航天等国民经济重要的工业生产过程、系统和装备中，理解多相流的流动特性以及实现其流动参数的检测具有重要的研究意义和实用价值。多相流场本质是连续的，尤其对于相对复杂的多相流动结构而言，为了更准确地表达多相流动特征，更深入地研究多相流动特性，往往需要获得沿流动方向一定距离甚至全程范围内流动特征的高精度、多参量信息，而非仅仅某个位置处的单一参量信息。而现有的多相流检测技术主要是点式和准分布式传感器，仅能检测流场某处或某几处的变化信息，且可测量参量单一、也不能实现空间连续的长距离分布式测量，这些都严重制约了其在多相流检测领域的实际应用，为此需要一种适用于多相流测试领域的空间连续的分布式测量技术。现有分布式光纤传感技术一般采用单模光纤作为传感介质，可以对光纤沿线的被测场进行全分布式的温度、应变监测，并因具有测量距离长、空间分辨率高、响应时间快、抗电磁干扰等优势，被广泛应用于土木工程、石油化工、航空航天、电力工业以及核工业等领域。目前分布式光纤传感系统主要分为三种：基于瑞利散射的分布式光纤传感系统、基于拉曼散射的分布式光纤传感系统、基于布里渊散射的分布式光纤传感系统。其中基于瑞利散射的光时域反射技术主要用于光纤断点的检测，存在固有的弱散射现象，测量分辨率较低；基于拉曼散射的分布式光纤传感技术主要用于测量光纤某处温度的变化，仅对温度敏感；基于布里渊散射的分布式光纤传感技术主要有四种：布里渊光时域反射技术，布里渊光时域分析技术，布里渊光相关域分析技术，以及布里渊光相关域反射技术，存在空间分辨率和传感距离难以同时兼顾，测量精度易受功率波动以及光偏振态影响等问题。目前均难以应用于多相流动测试。同时，在多相流参数检测时，很多场合及环境中需要采用多模光纤。而上述光纤传感系统一般只能使用单模光纤，因多模光纤模式色散大，多模干涉引起的噪声会导致较低的信噪比。且在采用某些传感方案时，往往需要严格控制光束的偏振态，以避免偏振衰落问题，因此通常需要使用价格较贵的保偏光纤。基于此，有必要专利技术一种新的分布式测量系统，以解决现有两相及多相流参数的非侵入、高精度、长距离分布式测量以及流动分析难题。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术的缺点，提出了一种基于光载微波干涉的多相流参数分布式光纤测量系统，该系统能够实现对复杂流场的压力、温度等参量的非侵入、分布式测量。本专利技术是采用如下技术方案实现的：一种基于光载微波干涉的多相流参数分布式光纤测量系统，其特征在于：包括宽带载波信号源1、光偏振器2、光偏振控制器3、宽带频率可调谐微波源4、电光调制器5、光放大器6、光环行器7、传输光纤8、分布式传感光纤9、光电探测器10、锁相放大器11、矢量微波探测器12、计算机13、测量管道14与多相流15，其中，分布式传感光纤9铺嵌于多相流管道内壁中。其中，宽带载波信号源1的信号输出端通过单模光纤跳线依次与光偏振器2、光偏振控制器3连接；光偏振控制器3的输出端与电光调制器5的输入端连接；宽带频率可调谐微波源4的信号输出端与电光调制器5的信号输入端连接；电光调制器5的输出端与光放大器6的输入端连接；光放大器6输出端通过光纤跳线与光环行器7的信号入射端连接；光环行器7的反射端与传输光纤8连接；传输光纤8与分布式传感光纤9连接；光环行器7的信号输出端通过光纤跳线与光电探测器10的入射端连接；光电探测器10的出射端通过高频电缆与锁相放大器11的信号输入端连接；锁相放大器11的参考信号输入端与宽带频率可调谐微波源4的参考信号输出端连接；锁相放大器11的信号输出端通过高频电缆与矢量微波探测器12的信号输入端连接，矢量微波探测器12的信号输出端与计算机13的信号输入端连接。优选地：分布式传感光纤9中连续刻有级联的法布里-珀罗腔，腔的具体尺寸、数量以及传感光纤总长度根据实际测量对象确定。法布里-珀罗腔对应的光程差需大于宽带载波信号源的相干长度，并小于微波源的相干长度。传输光纤8和分布式传感光纤9根据实际需求选择不同传输模式的单模光纤或者多模光纤，以及不同材料的石英光纤、塑料光纤、复合材料光纤，而且其长度都是可调的。矢量微波探测器12用于同时探测微波信号的振幅和相位信息。宽带载波信号源1选用超辐射发光二极管、ASE噪声源、物理随机码调制激光器或宽谱混沌半导体激光器。宽带载波信号源1输出的载波信号经光偏振器2和光偏振控制器3调制后进入电光调制器5；宽带频率可调谐微波源4输出的微波信号经电光调制器5调制后加载到载波信号上形成光载微波信号；电光调制器5输出的光载微波信号经光放大器6放大后输入到光环行器7，经光环行器7的反射端输出后进入传输光纤8；通过传输光纤8进入分布式传感光纤9；并在传感光纤内的法布里-珀罗腔处发生反射，反射的光载微波信号在相遇处发生干涉；干涉信号返回光环行器7，并从光环行器7的出射端输出后进入光电探测器10；经光电探测器10后转换为电信号；该电信号经锁相放大器11采集后被矢量微波探测器12接收，矢量微波探测器12将采集到的微波干涉信号输入到计算机13进行处理。通过对宽带频率可调谐微波源4进行扫频，即可得到干涉谱；因在不同的多相流流型流态下，分布式传感光纤9受到不同的外界因素作用，其对应位置处的法布里-珀罗腔的腔长会发生改变，从而导致其反射的光载微波信号的光程发生改变，因此其对应的干涉谱会发生频移；又因光程差变化量与其干涉谱的频移量存在对应关系，故通过干涉谱的频移信息可得到光程差的变化量，进而根据光程差变化量与外界因素的对应关系可得到待测的多相流特征参量，通过对测量段内分布式传感光纤所有级联的法布里-珀罗腔的微波干涉信息进行解调，实现对包括压力或温度在内的两相及多相流参数空间连续的分布式测量。所述的外界因素包括压力或温度，所述的多相流特征参量包括压力或温度。根据不同需求，用于包括气液两相流、液液两相流、油气水三相流在内的不同流型流态的连续分布式测量研究。与现有的多相流测试技术以及光纤传感技术相比，本专利技术的基于光载微波干涉的多相参数分布式光纤测量系统具有如下优点：一、本专利技术所述的一种基于光载微波干涉的多相流参数分布式光纤测量系统相比于现有的多相流检测技术，可以实现压力、温度等多相流特征参量空间连续的非侵入、长距离分布式测量。二、本专利技术所述的一种基于光载微波干涉的多相流参数分布式光纤测量系统兼具光和微波技术两者的优势，容易实现高的信号质量和测量分辨率。对于传统的全光分布式光纤传感技术，光电探测器的探测速度不足以解调很高的光频震荡，但微波可以在其基本震荡频率内解调。而且本专利技术采用相干检测，其中对信号的调制、检测和解调都同步到相同的微波频率。因此与传统的全光分布式光纤传感技术相比，本专利技术所述的基于光载微波干涉的分布式光纤传感技术具有更高的信噪比。三、本专利技术所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光载微波干涉的多相流参数分布式光纤测量系统，其特征在于：包括宽带载波信号源(1)、光偏振器(2)、光偏振控制器(3)、宽带频率可调谐微波源(4)、电光调制器(5)、光放大器(6)、光环行器(7)、传输光纤(8)、分布式传感光纤(9)、光电探测器(10)、锁相放大器(11)、矢量微波探测器(12)、计算机(13)、测量管道(14)与多相流(15)，其中，分布式传感光纤(9)铺嵌于多相流管道内壁中；/n宽带载波信号源(1)的信号输出端通过单模光纤跳线依次与光偏振器(2)、光偏振控制器(3)连接；光偏振控制器(3)的输出端与电光调制器(5)的输入端连接；宽带频率可调谐微波源(4)的信号输出端与电光调制器(5)的信号输入端连接；电光调制器(5)的输出端与光放大器(6)的输入端连接；光放大器(6)输出端通过光纤跳线与光环行器(7)的信号入射端连接；光环行器(7)的反射端与传输光纤(8)连接；传输光纤(8)与分布式传感光纤(9)连接；光环行器(7)的信号输出端通过光纤跳线与光电探测器(10)的入射端连接；光电探测器(10)的出射端通过高频电缆与锁相放大器(11)的信号输入端连接；锁相放大器(11)的参考信号输入端与宽带频率可调谐微波源(4)的参考信号输出端连接；锁相放大器(11)的信号输出端通过高频电缆与矢量微波探测器(12)的信号输入端连接，矢量微波探测器(12)的信号输出端与计算机(13)的信号输入端连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于光载微波干涉的多相流参数分布式光纤测量系统，其特征在于：包括宽带载波信号源(1)、光偏振器(2)、光偏振控制器(3)、宽带频率可调谐微波源(4)、电光调制器(5)、光放大器(6)、光环行器(7)、传输光纤(8)、分布式传感光纤(9)、光电探测器(10)、锁相放大器(11)、矢量微波探测器(12)、计算机(13)、测量管道(14)与多相流(15)，其中，分布式传感光纤(9)铺嵌于多相流管道内壁中；
宽带载波信号源(1)的信号输出端通过单模光纤跳线依次与光偏振器(2)、光偏振控制器(3)连接；光偏振控制器(3)的输出端与电光调制器(5)的输入端连接；宽带频率可调谐微波源(4)的信号输出端与电光调制器(5)的信号输入端连接；电光调制器(5)的输出端与光放大器(6)的输入端连接；光放大器(6)输出端通过光纤跳线与光环行器(7)的信号入射端连接；光环行器(7)的反射端与传输光纤(8)连接；传输光纤(8)与分布式传感光纤(9)连接；光环行器(7)的信号输出端通过光纤跳线与光电探测器(10)的入射端连接；光电探测器(10)的出射端通过高频电缆与锁相放大器(11)的信号输入端连接；锁相放大器(11)的参考信号输入端与宽带频率可调谐微波源(4)的参考信号输出端连接；锁相放大器(11)的信号输出端通过高频电缆与矢量微波探测器(12)的信号输入端连接，矢量微波探测器(12)的信号输出端与计算机(13)的信号输入端连接。


2.根据权利要求1所述的基于光载微波干涉的多相流参数分布式光纤测量系统，其特征在于：分布式传感光纤(9)中连续刻有级联的法布里-珀罗腔，腔的具体尺寸、数量以及传感光纤总长度根据实际测量对象确定。


3.根据权利要求2所述的基于光载微波干涉的多相流参数分布式光纤测量系统，其特征在于，法布里-珀罗腔对应的光程差需大于宽带载波信号源的相干长度，并小于微波源的相干长度。


4.根据权利要求1所述的基于光载微波干涉的多相流参数分布式光纤测量系统，其特征在于：传输光纤(8)和分布式传感光纤(9)根据实际需求选择不同传输模式的单模光纤或者多模光纤，以及不同材料的石英光纤、塑料光纤、复合材料光纤，而且其长度都是可调的。


5.根据权利要求1所述的基于光载微波干涉的多相流参数分布式光纤测量系统，其特征在于：矢量微波...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛婷，李铸平，吴斌，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12