同时测量温度和应变的分布式通过使用常见的通信光纤布里渊频移

文摘

一个多参数测量布里渊光纤分布式应变和温度传感器信息基于自发散射在公共通信光纤(g . 652。提出了D商业纤维)和实验证明。受益于温度和应变灵敏度的差异与不同的声学模式从不同的布里渊山峰,我们提出传感配置可以用来区分环境温度和应变同时应用,这是一个优秀的候选人来解决交叉敏感问题的经典的布里渊系统。在实验部分,使用21.8公里传感通信光纤的长度,温度精度为1.13°C和应变精度为21.46με同时得到。考虑到性能我们现在实现,提出创新和实验设置会有一些潜在的应用领域的光纤传感器。

1。介绍

分布式光纤传感器,长途的特点和测量环境变量(如温度、应变和振动),都进行了广泛的调查最近在无损健康监测的遥感应用工程设施(1- - - - - -4),人体运动检测(5),和岩土工程6]。与传统电子传感系统相比,光纤分布式传感网络提供了一个有趣的解决方案由于以下主要优点:成本低、紧凑、灵敏度高,免疫external-electromagnetic干扰,内在化学惰性,和长时间的感应范围,同时纤维作为询问信号传输介质和大量密集的感应点。到目前为止,已研制出许多不同的技术,其中包括拉曼分布式温度传感器(RDTS) (7,8),布里渊反射计(光学相关域(BOCDR),光学频域(BOFDR),光学时域(BOTDR)) (9- - - - - -14),布里渊分析仪(BOCDA BOFDA, BOTDA) (15- - - - - -17),和瑞利反射计(光学频域(OFDR)) (18]。在这些技术中,BOTDR,这是基于自发的布里渊散射(SpBS)效应,被认为是最可能的传感技术,可以同时获取分布式温度和应变信息的单端测试纤维(砰的一声)体系结构和随机访问。这种传感技术依赖于测量布里渊频移的值(BFS)沿传感解调其应变和温度信息砰的一声。然而,BFS在分布式布里渊scattering-based光纤传感器已被证实能取决于应变和温度特性变化的组合自1993年(19]。自那时以来,许多新方法已经提出了解决这个温度与应变交叉敏感问题在过去的几年中。包等。20.)纤维的一半作为参考适用于分离菌株对温度测量的影响。戴维斯et al。21报告基于布里渊传感元素的集成光纤布喇格光栅(FBG)和砰的一声。与此同时,一些研究者将受激布里渊散射(SBS)与其他非线性效应,例如,受激拉曼散射(SRS)解决这个问题通过温度补偿交叉敏感问题(12,22]。其他研究人员演示一个多参数测量装置基于受激散射效应与循环体系结构通过多芯光纤(MCF)分离温度和应变BFS个人贡献的砰的一声通过测量布里渊增益谱(bgs)砰的一声不同渠道的核心23]。最近,邢et al。24应用g . 652。D商用光纤作为传感元件基于SBS效应消除串扰引起的温度和压力。很明显,上述方法需要相当复杂的测量配置。

此外,一个有效的技术的温度和应变信息恢复使用多个光学模式few-mode纤维(FMF)提出的李et al。252015年)。few-mode纤维可以提供至少两个石。同年,徐et al。26展示一个概念验证多参数Brillouin-based光纤传感的想法基于SBS效应。在他们提出的方案中,一个轨道角动量(OAM)指导纤维与高阶声学模式采用砰的一声。引导模式和声学模式的耦合导致的生成multipeak英国地质调查局的OAM纤维。通过选择任意两个布里渊峰值测量地质调查局,独特的报道方法能够解调分布式温度和应变信息同时砰的一声。然而,辐射源一般在基本运作模式,它将带来extratechnical困难将基本模式转换为所需的模式。针对above-proposed方法,使用常见的通信光纤(g . 652。D)与多个布里渊山峰作为传感介质的重视与低成本实现简单的光纤传感器网络。与此同时,结合分布式传感与通信使用BFS解调光纤,一个SpBS传感器通信光纤温度和应变同时监控可以开发。因此,它是一个不错的选择,以满足实际工程应用。

这里,提出了一种多参数布里渊传感和实验证明,利用纤维共同沟通multipeak,对应于多个声学模式,与不平等的布里渊增益系数同时监测温度和应变信息的核心基于SpBS效果。这种方法只需要测量布里渊光谱的中心频率的变化,可以同时实现温度和应变信息测量没有取代砰的一声。此外,相应的结果还表明,报道方法同时适用于实现温度和应变传感在一个相对简单的单头配置,和测量精度为21.46με和1.13°C是在21.8公里的感应范围,分别。

2。理论

测量的石纤维在很大程度上依赖于固有的折射率(RI) ,声波速度 ,和事件的中心波长探测波 。为了一个共同的通信光纤在室温下(T= 20°C), BFS是11时GHz是1550海里27]。基于前面的理论分析,对于与多个声学模式,砰的一声和随温度的变化或应变 。BFS相关的变化和可以由以下公式描述: 在哪里和布里渊增益系数(例如,应变和温度)的吗米订单声学模式g . 652。D,分别。BFS表示运动的贡献所致米订单声学模式。

因此,温度和应变传感信息的变化可以从方程(1),描述为下面的公式:

很明显,该方法与多个声学模式共同沟通光学光纤布里渊散射有能力解决交叉敏感问题在整个传感链接通过监视的布里渊光谱的频率分析。此外,温度和应变的测量误差分析可以被描述为(28]

3所示。实验装置

基于上述理论分析,实验安排如图1。连续波探测光从13 dBm, 10 kHz线宽,1550 nm波长分布反馈激光器(足协)是由一个耦合器分为两个分支(OC1, 90: 10)对布里渊散射信号的生成(梁2)和参考光信号(梁1)。上面的分支是发射到定制的电光调制器(加工:iXblue MXER-LN-20) 40分贝高消光比生成30 ns高斯探测脉冲。30 ns脉冲宽度表明,空间分辨率大约是3 m。定制的加工是由一个任意波形发生器(AWG)。调制脉冲是由掺铒光纤放大器放大(EDFA1),然后注入21.8公里长砰的一声测量通过一个光学循环器(CIR)。10%的光耦合器使我们能够监控输入连续波功率外差检测阶段。较低的分支是保留梁1进行相干检测。此外,自从击败强度严重相关极化的状态(SOP)梁1和梁2,我们爬梁1使用极化偏振扰频器(PS)消除极化的减弱噪声(29日]。疲软的布里渊后向散射传感信号从第三端口CIR由EDFA2放大。双芯布喇格光栅(FBG)光学过滤器(FBG1和FBG2)是用来防止进一步传播的杂散光自发发出EDFA1 EDFA2,分别。最后,光束通过3 dB 2和梁1混合耦合器(OC2),然后是布里渊打信号转化为电信号,13.5 GHz光电探测器(PD)。捕获的电子信号由低噪声放大器(LAN)了。增强的传感信号降频转换器通过混合与本地振荡器(LO)。扫频率是通过调整输出频率的损失。中频信号通过带通滤波器过滤(瘘)是由对数检波器接收并最终采样的数据采集卡(采集)后续数据处理完成解调的应变和温度信息。

3.1。实验结果和讨论

常见的通信采用光纤检索应变和温度传感信息,在长江光缆制造有限公司有限公司(长飞光纤,PH1010-A)。值得注意的是制造工艺和掺杂浓度的g . 652。D将略有不同在不同的生产。因此,相应的实验结果可能不同。英国地质调查局分布沿整个长度测量获取BFS砰的一声,及其应对周围环境温度和应变特征,分别。

测量三维地图沿着通信光纤的增益谱在室温下(26°C)突出显示在图2(一个),红色表示更高的布里渊放大系数。图2 (b)说明了分布的测量地质调查局沿着砰的一声,石的增加在加热区域可以被发现。如图2所示,三个布里渊峰的中心频率是10.875 GHz, 11.020 GHz,分别为峰1 - 3和11.115 GHz。因此,不同的布里渊频移的山峰在通信光纤可以计算通过监测英国地质调查局在不同的环境条件。节中描述2利用通信光纤(g . 652。与multipeaks D),同时分布式应变和温度测量设备可以被开发,基于多个声学模式自发散射效应。温度系数测量,5米远端部分是沉浸在温控水浴锅(JOANLAB HH-2)和温度增加从40°C到80°C与每一步10°C。值得注意的是,加热段的长度是5米以上的空间分辨率(3米)。为了有效地消除串扰的影响,压力不变时,温度系数进行监视。英国地质调查局的通信光纤在不同温度下测量和绘制在图3。与此同时,洛伦兹拟合最小二乘法的基础上应用于测量地质调查局。

如图3,当环境温度发生变化时,获得频谱也变化,移到一个更高的频率与环境温度的增加。更重要的是,其他的布里渊增益谱的峰值也转移到一个更高频率的同时,虽然第一布里渊增益系数小于峰值(或称为主峰)。从数据,温度系数的石 , ,和被确定为1.16 MHz /°C, 1.21 MHz /°C,和1.26 MHz /°C,分别通过线性拟合方法,绘制图吗4。

图5突出了通信光纤的传感测量结果(∼21.8公里)在室温下通过自制的单端网络(26°C)。砰的一声被应用于测量轴向应变的逐渐改变线性与200年阶段με的每一步,强调位置传感砰的一声约5米。bfs可以通过同样的过程如上所述。数据分析的结果证明了石的应变敏感性, , ,和确定64.64千赫/με50.96千赫/με,42.76千赫/με,分别。由于不同的应变和温度系数的三个布里渊峰值测量砰的一声,砰的一声上的交叉敏感的影响可以同时歧视。所有的这些都是由于不同的声学模式的核心。与此同时,温度和应变的测量精度是解决由方程(3)和(4)。的帮助下实验数据的前两个布里渊峰值信噪比高的数字4和5温度和应变的各自的错误计算1.13和21.46°Cμε,分别。相比使用few-mode光纤作为传感系统测量砰的一声,歧视精度的两个传感系统是相似的25]。考虑到多个布里渊高峰时可以很容易地实现入射光的模式是一个基本模式。因此,传感方案似乎是简单的和更有利于大型动态分布式传感。

4所示。结论

同时在这里,一个新颖的方法来实现分布式应变和温度监测提出了基于自发散射效应,利用纤维共同沟通multipeak,对应于多个声学模式,与不平等的布里渊增益系数的核心。受益于温度和应变灵敏度的差异与不同的声学模式从不同的布里渊山峰,应变和温度信息的同步解调成功演示了应变精度为21.46με和温度精度为1.13°C测量范围在21.8公里。,我们相信,提出创新和实验装置,以其出色的表演,将会有一些潜在的应用领域的核设施在未来和超导电缆。除此之外,两个以上的布里渊山峰被合理的优化选择,并提出方法能够适用于多参数测量的情况下超过两个参数必须是有区别的。

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 KDW03012003),泰山系列人才项目(批准号2017 tscycx-05),中国国家自然科学基金(批准号61901426)。

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