[发明专利]时分复用的分布式光纤振动传感器

说明书

技术领域

    本发明涉及一种用于振动信息测量的光纤传感器，尤其涉及一种时分复用的分布式光纤振动传感器。

背景技术

振动量测量在工程领域具有潜在的运用价值，如结构健康监测、航空航天、石油化工、电力系统等安全监测；传统的振动测量方法（如机械式测量法、电测量法）都存在灵敏度低、装置体积大、测量范围受放大器件限制等问题，并且传统的振动测量方法只能进行点式测量，在实际运用中受到限制，因此研制高性能的振动测量系统势在必行。

分布式光纤传感技术是指沿光纤传输路径上的外部信号以一定的方式对光纤中的光波进行不断的调制，以实现对被测量场的连续空间进行实时测量，光纤既是导光介质，同时作为传感元件，感应外界振动信号。

现有技术中基于光纤技术的振动传感系统研究已经非常广泛，但现有的测量手段一般都存在振动频率测量和振动位置测量难以兼顾的问题，如果要同时对振动频率和振动位置进行监测，则必须在测量空间内布置两套系统，一套用于振动频率测量，另一套用于振动位置测量，为了实现对大范围区域进行全分布式监测，势必需要传感光纤的长度足够长，如果同时布置两套测量系统，需要的传感光纤长度将达到单套系统的两倍，造成系统成本大量增加。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种时分复用的分布式光纤振动传感器，包括：基于后向瑞利散射原理的第一分布式光纤传感装置和基于Mach-Zehnder干涉原理的第二分布式光纤传感装置，其中，第一分布式光纤传感装置通过对应的传感光纤获取被测空间内的振动位置信息，第二分布式光纤传感装置通过对应的传感光纤获取被测空间内的振动频率信息，其特征在于：所述第一分布式光纤传感装置和第二分布式光纤传感装置共用同一条传感光纤，第一分布式光纤传感装置和第二分布式光纤传感装置通过时分复用机制错时工作。

采用后向瑞利散射原理获取振动位置信息以及采用Mach-Zehnder干涉原理获取振动频率信息均是本领域中常用的测量手段，现有技术中，在具体应用前述两种测量手段时，需要为其各自铺设一条传感光纤，也即在空间尺寸一定的条件下，需要铺设的光纤的总长度为单套测量装置的2倍，这对于空间尺寸较大的被测空间而言，如果要将其全面覆盖，需要铺设的光纤总长度将十分惊人，这不仅会使材料成本大幅上升，同时还会使铺设光纤的人工成本和工作量也随之大幅增加，另外，相应的光源提供装置、滤波装置、混频装置等设备也均需为两种测量装置分别单独设置；本发明的改进点在于将振动频率测量装置和振动位置测量装置通过时分复用机制有机的结合起来，使两种测量装置可以共用传感光纤，从而提高传感光纤的利用率，降低系统搭建的成本，并且使单套系统即可完成对两种振动信息的监测。

基于前述方案，本发明还提出了如下的优选实施方式：分布式光纤振动传感器由光源、第一耦合器、第一声光调制器、掺铒光纤放大器、光滤波器、三端口环形器、长距离传感光纤（也即前文所述的为两种测量装置所共用的传感光纤）、第二耦合器、平衡光电探测器、第二声光调制器、隔离器、高通滤波器、混频器、函数发生器、低通滤波器和数据采集卡组成；其中，第一耦合器为1×3耦合器，第二耦合器为2×2耦合器；其具体结构为：

光源与第一耦合器的输入端光路连接，第一耦合器将输入光分为三路，第一路光作为振动位置检测信号输入第二声光调制器，第二路光作为振动频率检测信号输入第一声光调制器，第三路光作为参考信号输入第二耦合器的第一输入端；

第二声光调制器的输出端与隔离器的输入端光路连接，隔离器的输出端与长距离传感光纤的首端光路连接（隔离器的作用为防止反向传输的光信号对光源造成干扰），长距离传感光纤的末端与三端口环形器的收发复用端光路连接，三端口环形器的输出端与第二耦合器的第二输入端光路连接；

第一声光调制器的输出端与掺铒光纤放大器的输入端光路连接，掺铒光纤放大器的输出端与光滤波器的输入端光路连接，光滤波器的输出端与三端口环形器的输入端光路连接；

第二耦合器的两个输出端与平衡光电探测器的两个输入端一一对应地光路连接，平衡光电探测器的输出端与高通滤波器的输入端连接，高通滤波器的输出端与混频器的第一输入端连接，混频器的第二输入端与函数发生器连接，混频器的输出端与低通滤波器的输入端连接，低通滤波器的输出端与数据采集卡连接；

函数发生器还分别与第一声光调制器和第二声光调制器连接；