一种基于光纤腔衰荡技术的分布式光纤传感器制造技术

本实用新型专利技术涉及一种基于光纤腔衰荡技术的分布式光纤传感器，其特征在于：激光光源与光纤分路器相连，光纤分路器连接若干可调光衰减器；第一个光纤环直接与可调光衰减器连接，其他光纤环均经过相应的光纤延迟线后与相应的可调光衰减器连接；若干光纤环的输出端连接光纤合路器，光纤合路器再与高速光电探测器、高速Ａ／Ｄ转换和信号处理模块依次相互连接；所述的光纤环是在一个环状光纤的上下两端分别连接光纤耦合器，左右两侧分别连接单模光纤和光纤传感元件。有益效果是：将对强度或波长的测量转化为对光纤环衰荡时间的测量，实现一次测量的时间也只要毫秒量级，解调方法简单，容易实现分布式传感，可对多个物理量进行同时测量。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种基于光纤腔衰荡技术的分布式光纤传感器，属于光纤传感器 领域，是一种分布式光纤传感器的设计及其解调方法。
技术介绍
光纤传感技术是上世纪七十年代随着光纤和光纤通信技术的发展而迅速发展起来 的一种以光为载体，光纤为媒质，感知和传输外界信号的新型传感技术。与传统的机 械类和电子类传感器相比，光纤传感器具有如下几方面的优势(1)灵敏度高，动态 范围大；(2)抗电磁干扰，电绝缘性好，抗腐蚀，能在高温高压和易燃易爆等恶劣环 境下工作；(3)传感头结构简争，尺寸小，重量轻，适合埋入大型结构中；(4)传输 损耗小，可实现远距离检测；(5)光纤轻巧柔软，易复用和形成传感网络，易于实现 分布式传感等等。因此光纤传感器一问世就受到了世界各国的普遍重视并开展了广泛 的研究，目前其己在军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药 卫生、计量测试、建筑、家用电器等方面获得了广泛应用。自1989年Morey等人首次报道将光纤光栅用作传感以来，光纤光栅传感作为光 纤传感的一个重要的分支，己成为光纤传感器研究领域中的一大热点，光纤光栅传感器除了具有普通光纤传感器的优点外，还具有自己独特的优点，如测量信息是波长编码的，避免了光源强度起伏、光纤微弯和耦合损耗等因素对测量结果造成影响；具 有很高的可靠性和稳定性；便于构成各种形式的光纤传感网络，进行大面积的多点测 量；可实现绝对测量等。目前光纤光栅传感器主要用于对结构内部应变、压力、温度、 振动、载荷疲劳和结构损伤等参数进行监测，分布式光纤光栅传感器主要应用于应变 传感方面。传统的测量光纤光栅波长漂移的方法是通过光谱仪进行直接观测，但普通光谱仪的分辨率只有0.01nm,且体积大、价格高，常用于实验室解调，达不到工程应用化和 产业化的要求。经研究人员多年努力，人们已提出了多种用于光纤光栅波长变化的解调技术。目前较常用的解调方法分为干涉法和滤波法两大类，主要有非平衡马赫-曾德(Mach-Zehnder， M-Z)光纤干涉仪解调法、非平衡迈克尔逊(Michelson)干涉 仪解调法和塞纳克(Sagnac)光纤干涉仪解调法以及可调谐光纤法布里-珀罗 (Fabry-P6rot， F-P)滤波器解调法、边沿滤波法、匹配滤波法、可调谐激光器波长匹 配解调法、光栅色散法和啁啾光栅检测法等，这些技术各有优缺点，适用于不同条件 的传感系统。近年来人们提出了一种新型的基于光纤腔衰荡技术的光纤光栅解调方法，该方法 将波长的解调转换为对光纤腔衰荡时间的测量，提高了解调的精度和速度。2002年 Gupta M等人在论文《Cavity-enhanced spectroscopy in optical fibers》(Optics Letters, 2002,27(21):1878-1880)中利用10m长的端面镀高反膜的单模光纤光腔进行了介质折 射率传感研究；2004年Tarsa P B等人在论文《Cavity ringdown strain gauge》(Optics Letters, 2004, 29(12):1339-1341)中利用端面镀高反射膜的单模光纤光腔和作为传感元 件的双锥形光纤进行了拉力传感研究，但以上两种方法要在光纤端面镀高反射膜，加 工工艺比较困难，另外反射膜的高反射区一般只有十几个nm，大大限制了所用激光波 长的范围。2004年Chuji Wang等在论文《Fiber ringdown pressure sensors》(Optics Letters, 2004, 29(4):352-254)禾口《Fiber loop ringdown for physical sensor development: pressure sensor》(Applied Optics, 2004, 43(35):6458-6464)中提出利用光纤环结构在0-9.8xl06Pa 范围内对单模光纤的压力传感进行了研究，并于2007年7月10日获得美国专利授权， 专利号为7,241,986,B2。2006年Chuji Wang等又在论文《An alternative method to developfibre grating temperature sensors using the fibre loop ringdown scheme》(Measurement Science and Technology, 2006, 17:1741-1751)中利用光纤环结构对光纤布拉格光栅 (Fiber Bragg Grating, FBG)和长周期光纤光栅(Long-period fiber grating, LPFG) 进行了温度传感实验，并于2008年1月29日获得美国专利授权，专利号为 7,323,677,B1; 2007年Ni N等人在论文《Cavity ring-down long-period fibre grating strain sensor》(Measurement Science and Technology, 2007, 18:3135-3138)中利用光纤环和 LPFG进行了应力传感实验。但以上几篇文献中所用的方法一次都只能解调一个光纤 光栅传感器，不能满足分布式传感的要求。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本技术提出一种基于光纤腔衰荡技术的分布 式光纤传感器，可以满足基于光纤腔衰荡解调方法的光纤光栅传感器难以满足分布式 传感的需求技术方案一种基于光纤腔衰荡技术的分布式光纤传感器，其特征在于包括脉冲激光光源1、光纤分路器2、若干可调光衰减器3^、若干光纤延迟线4^w、若干光纤环5卜n、 光纤合路器6、高速光电探测器7、高速模数(A/D)转换和信号处理模块8;激光光 源1与光纤分路器2相连，光纤分路器2连接若干可调光衰减器3Wl;第一个光纤环 5,直接与可调光衰减器3,连接，其他光纤环52,均经过相应的光纤延迟线4一^后与 相应的可调光衰减器32— 连接；若干光纤环5^的输出端连接光纤合路器6，光纤合 路器6再与高速光电探测器7、高速A/D转换和信号处理模块依次相互连接；所述的 光纤环。是上下两端的光纤耦合器9和11与左右两侧的单模光纤10和光纤传感元件12顺序连接，其中光纤耦合器9的低分光比的端口作为输入端，光纤耦合器ll的 低分光比的端口作为输出端。所述的光纤分路器2为与若干可调光衰减器3n数量相等的若干个1x2光纤耦合 器2h及折射率匹配液2n+1串联而成；与其相适应的光纤合路器6是nxl光纤合束器。所述的光纤延迟线的长度丄「5(71+7"2+……+Ti)c/"e#，其中i为0 n-l， z;为光纤环 5i内的脉冲激光的衰荡时间，c为光速，"^为光纤的有效折射率。所述的光纤传感元件12是光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅、法布里-珀罗光 纤腔、光纤微弯器或单模光纤。所述的光纤耦合器9和11为1x2光纤耦合器，其分光比大于90%:10%。所述的单模光纤10的长度取值范围在i与^之间，其中tp为脉冲激光器的工 "w脉冲宽度。 有益效果本技术的有益效果是基于光纤腔衰荡技术的光纤传感器将对强度或波长的 测量转化为对光纤环衰荡时间的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光纤腔衰荡技术的分布式光纤传感器，其特征在于：包括脉冲激光光源（１）、光纤分路器（２）、若干可调光衰减器（３↓［１～ｎ］）、若干光纤延迟线（４↓［１～ｎ－１］）、若干光纤环（５↓［１～ｎ］）、光纤合路器（６）、高速光电探测器（７）、高速模数Ａ／Ｄ转换和信号处理模块（８）；激光光源（１）与光纤分路器（２）相连，光纤分路器（２）连接若干可调光衰减器（３↓［１～ｎ］）；第一个光纤环（５↓［１］）直接与可调光衰减器（３↓［１］）连接，其他光纤环（５↓［２～ｎ］）均经过相应的光纤延迟线（４↓［１～ｎ－１］）后与相应的可调光衰减器（３↓［２～ｎ］）连接；若干光纤环（５↓［１～ｎ］）的输出端连接光纤合路器（６），光纤合路器（６）再与高速光电探测器（７）、高速Ａ／Ｄ转换和信号处理模块依次相互连接；所述的光纤环（５↓［１～ｎ］）是上下两端的光纤耦合器（９）和（１１）与左右两侧的单模光纤（１０）和光纤传感元件（１２）顺序连接，其中光纤耦合器（９）的低分光比的端口作为输入端，光纤耦合器（１１）的低分光比的端口作为输出端；所述的光纤分路器（２）为与若干可调光衰减器（３↓［１～ｎ］）数量相等的若干个１×２光纤耦合器（２↓［１～ｎ］）及折射率匹配液（２↓［ｎ＋１］）串联而成。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：姜亚军，杨德兴，赵建林，张毓灵，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：实用新型
国别省市：87[中国|西安]