文摘
独特的多参数传感器的分布式测量的温度和应变的基础上自发polyimide-coated光纤布里渊散射的提议,这是一个优秀的候选人的交叉敏感问题传统的布里渊传感网络。在实验部分,应变和温度的歧视是成功地证明了分析的不平等的感应系数不同的声学模式所产生的布里渊频移。主要的布里渊频移两座山峰都成功地测量了歧视的应变和温度精度19.68με在2.5公里和1.02°C传感范围。提出分布式布里渊光纤传感器可以同时测量温度和应变,从而开启了一扇门,实际应用如石油勘探的意义。
1。介绍
布里渊散射是一个最著名的光学效果。它已经被广泛的研究了几十年,在脉冲整形获得快速发展(时间域和频率域)1- - - - - -5),弱信号的放大6- - - - - -8),近年来在分布式应变/温度传感器(9,10]。分布式光纤传感系统的情况下,Brillouin-based分布式传感器已经深入调查由于他们扩展到数百公里的距离,高空间分辨率和高准确性。这使得Brillouin-based结构健康监测的分布式光纤传感器特别具有吸引力(SHM)民用基础设施、能源、或地球物理研究,如桥梁、核设施、隧道、电缆、石油探索、斜坡等。数据,分布式传感测量系统基于布里渊散射效应之前意识到使用一些技术(11- - - - - -14]:布里渊光相关域分析(BOCDA),布里渊光频域分析(BOFDA),布里渊光时域分析(BOTDA),布里渊光相关域反射计(BOCDR),布里渊光频域反射计(BOFDR)和布里渊光时域反射计(BOTDR)。其中,BOTDR被认为是最有前途的技术之一,可以获得分布式传感信息(如温度、应变、振动),单头注入和随机访问。温度和压力是最常见的Brillouin-based光纤传感器、测量参数,这些量的光学传感纤维天生敏感。然而,温度与应变交叉敏感问题很容易恶化的传感性能基于单模光纤(SMF)——布里渊传感器。为了有效地解决交叉敏感问题,许多学者做了大量的研究来完成同时测量温度和应变。有些团体结合受激布里渊散射(SBS)与受激拉曼散射(SRS)删除多个外部扰动的共同串扰效应通过比较不同(15]。其他组织把SBS效应与多芯光纤(MCF)分离温度和应变信息通过分析布里渊增益谱(英国)在不同的纤维芯(16]。显然,就像上面提到的,这些技术需要相当复杂的传感结构。
另一方面,翁et al。17)提出一个新方法基于few-mode纤维中的多个光学模式(FMF)实现单头同时应变和温度传感。FMF可以贡献至少两个石。徐et al。18)提出一个独特的多参数光导纤维传感器基于高阶受激散射声模式的轨道角动量(OAM)指导纤维。multipeak特性的英国地质调查局OAM指导纤维是由于引导模式和声学模式之间的耦合。通过选择任意两个布里渊山峰在英国地质调查局,该方法可以用来区分同时沿着光纤温度和应变测试(砰的一声)。随着激光源通常工作的基本模式,它可能添加额外的困难将基本模式转换成所需的空间模式。盛等。19]提出一种新颖的基于BOTDR技术方案中,有一个大有效面积非零色散位移光纤(叶)和布里渊四个山峰传感光纤解决交叉敏感问题。值得注意的是,大多数使用布里渊散射的分布式光纤传感器是基于标准SMF丙烯酸酯涂料,可维持最高温度的+ 85°C。这个有限的范围是不够的对许多结构传感应用。同时,同时基于自发的分布式测量温度和应变在polyimide-coated光纤布里渊散射(SpBS)效果似乎更少的报道。
在这项工作中,我们提出并实验报告一本小说BOTDR计划,我们相信是第一次有一个polyimide-coated光纤在不同的温度和应变系数在核心传感光纤监控分布式温度和应变同时在严酷的环境下(最高温度的+ 300°C)。这种方法只需要英国地质调查局的布里渊频移测量,可以同时实现高空间分辨率和精度的温度和应变测量无需修改传感砰的一声。的敏感性实验,基本声学模式1.16 MHz /°C和0.0646 MHz /με,分别。此外,通过分析温度和应变系数不同的声学模式,歧视温度和应变的成功证明了温度测量精度为1.02°C和应变测量精度为19.68με在2.5公里的感应范围,增强三倍比叶光纤方法(19]。
2。理论
根据前面的实验结果20.),英国地质调查局的multipeak结构传感砰的一声源于不同的声波速度和光学折射指数 ,这是由于不同的成分或掺杂浓度的核心。应该注意的是,和随温度或压力。结果,石的主要两个峰(峰1和峰2)相关的应变变化和温度的变化描述如下: 在哪里和由1 - BFS贡献的变化和二阶声学模式,分别。 , , ,和代表的应变和温度系数1 - polyimide-coated光纤和二阶声学模式,分别。因此,应变和温度的变化可以由以下方程:
很明显,该方法可用于解决串扰问题沿着砰的链接通过测量英国地质调查局的频率分析。此外,误差分析的测量温度和应变表示为(21]
3所示。实验装置
为了证明该方法的能力,在图中描述的实验装置1是组装的。光源是一个标准的分布反馈(DFB)激光器。标称功率大约是15 dBm真空发射波长为1550 nm和线宽接近10 kHz。连续波激光的输出分为两个分支的三分贝耦合器(OC1)。上分支,连续光形状30 ns高斯脉冲的电光调制器(EOM1) 45分贝高消光比(ER),这是由波形发生器(AWG)。探测器脉冲宽度是30 ns意味着空间分辨率是3米。需要两个偏振控制器(PC1和PC2)前EOM1和EOM2获得调制输出信号具有良好的性能,分别。放大后的掺铒光纤放大器(EDFA),高斯脉冲注入的另一端传感砰的一声(长飞光纤HT1510-B)通过循环泵(CIR)。高斯脉冲的峰值功率可以方便地控制的可变光衰减器(VOA)传感范围相匹配。背散射传感信号收集相同的访问。 The lower branch is used as the reference light. The reference light is modulated by EOM2 using the second channel (CH2) of AWG through a wide-band amplifier around zero-transmission bias point of the EOM2. As a result of this biasing, the carrier is suppressed at the optical output of the EOM2 and converted into two sidebands. The output of EOM2 is filtered by a fiber Bragg grating (FBG) with a 3 dB bandwidth of 0.4 nm to retain the lower sideband (Stokes component). Then, the reference light passes through a polarization scrambler (PS) and launches into one end of the polyimide-coated optical fiber. The polarization fading noise is avoided by the PS, which leads to higher signal-to-noise ratio (SNR), higher sampling rate, and simplified system configuration. Finally, the sensing signal of the back-scattered SpBS and the reference light are mixed by means of a 2 × 2 coupler (OC2), and then the beat light is collected by a balanced photodetector (PD) and a high-speed data acquisition (DAQ) card.
4所示。实验结果和讨论
在实验中,使用polyimide-coated光纤损耗系数的测量。图2说明了polyimide-coated光纤衰减之间的关系和传感范围。可以看出,砰的一声包含三个部分的总长度2.5公里。与此同时,它的功能损失系数为0.76 dB /公里,大约4.2倍衰减与SMF纤维(0.18∼dB /公里)。因此,值得一提的是,2.5公里传感砰的一声只是用于演示传感功能,此外,它能够提高传感范围多达数十公里的精致的光功率。
充分展示提出了BOTDR传感系统的性能,温度和应变的测量是由放置的一部分polyimide-coated光纤成热绝缘烤箱(DF / 8700 bs)施加实验温度和修复传感光纤的另一段一双microstages (Zolix MC600)改变环境的压力。图3强调了测量multipeak英国地质调查局在加热部分的一个位置,当环境温度为100°C和施加应变约为0με。作为显示在图3,测量布里渊中央四个峰值10.935 GHz频率,11.085 GHz, 11.175 GHz,和11.225 GHz 1∼4峰值,峰值分别。因此,BFS不同的布里渊山峰polyimide-coated光纤可以通过测量获得英国地质调查局在不同环境压力和温度。就像前面提到的2,利用polyimide-coated与multipeaks传感光纤,光纤分布式温度和应变同时测量系统可以实现,基于多个声学模式SpBS效果。值得注意的是,我们认为这是可能的解调的应变和温度任意两个山峰,引入方程(1)和(2)。这里,峰1和峰2选择强度高、能够提供高信噪比。因此,可以减少测量误差的歧视,因此提出的光纤传感器的性能可以得到改善。
为了有效地削弱的影响交叉敏感问题,即应变和温度、应变的传感位置是免费的,当监测温度系数保持不变,反之亦然。加热段的长度是4米以上的空间分辨率(3米)。砰的一声的这一部分放入烤箱热绝缘,和温度增加从100°C到300°C 20°C的每一步。然后,温度之间的关系和BFS polyimide-coated传感光纤是绘制在图4执行,线性回归获得温度敏感性,分别。从数据,温度敏感性的石和被确定为1.16 MHz /°C和1.21 MHz /°C,分别。此外,它可以观察到从图4BFS是改变当温度变化和移动到更高的频率随着温度的增加。
随后,进行了一个实验来测量应变系数。英国地质调查局的详细测量过程如上所述相同。轴向应变被逐渐应用于polyimide-coated光纤线性与200年阶段με每一步,砰的一声和强调的部分大约是5米。砰的一声测量实验结果(∼2.5公里)在室温下通过自制的BOTDR系统如图所示5。正如所料,bfs显示强烈依赖于应变。因此,砰的一声测量的应变系数0.0646 MHz /με和0.0510 MHz /με,分别。作为两个主要的应变和温度系数峰值由不同的声学模式不同于对方,砰的一声上的应变和温度的影响可以同时歧视。同时,温度和应变的测量精度计算歧视通过求解方程(4)和(5)。应变和温度的各自的错误使用实验结果数据4和5计算1.02°C和19.68吗με。
5。结论
总之,一个方法同时实现温度和应变的分布式测量,提出了基于polyimide-coated光纤有多个声学模式在不同的温度和应变系数SpBS效果。结果,温度和应变同时歧视成功演示了通过分析bfs的系数由不同的声学模式引入温度精度为1.02°C和应变精度为19.68με在2.5公里的传感范围。的帮助下提出了技术和实验设置,一些有前途的工作也可以在核设施和石油未来的探索。此外,通过理性选择的两个以上的山峰在英国地质调查局,该方法可能会适用于以上两个参数的情况下是需要的。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现没有提供,因为我们集团是保密单位,和实验数据主要用于相关仪器的发展。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者欣然承认提供的金融支持科技在电子测试与测量实验室基础上(批准号41 q1313-5)和泰山系列人才项目(批准号2017 tscycx-05)。