[发明专利]一种分布式压力传感系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种分布式压力传感系统，属于光电传感技术领域。

技术背景

分布式压力传感系统通常由可调谐激光器、波分/时分信号解调仪、计算机、保偏传输光 纤、45°起偏器、检偏器、保偏光纤耦合器和高双折射光纤光栅阵列组成。高双折射光纤是 一种单模保偏光纤，其主要性能是产生较高的双折射效应来消除外界干扰对入射光偏振态的 影响。这种光纤广泛应用于光纤器件、光纤传感等领域。根据高双折射光纤的双折射特性， 在光纤中写入布喇格光栅后，光栅反射峰能反应外界多个参量(如温度、应力/应变、扭转) 的变化，说明高双折射光纤适合于多参量的测量。但是普通高双折射光纤对外界压力(环境 静压)不具备敏感特性。因此，现有的分布式压力传感系统对外界压力的敏感性有待进一步 的提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种对外界压力、弯 曲和扭转具有较高敏感特性的分布式压力传感系统。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

包括有可调谐激光器、波分/时分信号解调仪、计算机、保偏传输光纤、45°起偏器、检 偏器和保偏光纤耦合器，保偏光纤耦合器与高双折射光纤光栅阵列相连接，所述的高双折射 光纤光栅阵列由高双折射光纤上刻入布喇格光栅构成，其特征在于所述的高双折射光纤包括 纤芯和包层，纤芯位于光纤的中心，在纤芯两侧的包层中设置有对称的应力区，在纤芯与应 力区相错90°的另外两侧包层中设置有对称的气孔。

按上述方案，所述的纤芯直径2r为3.5μm～9μm，纤芯相对折射率差(相对于包层的折 射率)Δr为0.3％～0.7％；所述的包层直径D为80μm～400μm，包层为纯二氧化硅玻璃层。

按上述方案，所述光纤的数值孔径NA为0.12～0.18，模场直径为4.6μm～10μm。

按上述方案，所述的气孔径向截面为圆形或椭圆形，圆形气孔的直径为0.15D～0.4D， 椭圆气孔短轴与长轴之比a₁/b₁为0.4～1.0，所述气孔内边距光纤中心距d₁为3μm～0.25D。

按上述方案，所述的纤芯径向截面为圆形或椭圆形，椭圆形纤芯的短轴与长轴之比a/b 为0.5～1.0。

按上述方案，所述的应力区直径0.05D～0.32D，应力区内边距光纤中心距d₂等于3μm～ 0.2D，应力区相对折射率差Δ_s为-0.1％～-0.7％。

按上述方案，所述光纤双折射系数B值等于或大于1×10^-4，较佳的等于或大于5×10^-4。

按上述方案，所述的光纤上刻有间距相等或不等的布喇格光栅，形成光栅阵列。

按上述方案，所述的波分/时分信号解调仪控制可调谐激光器对光发射波长进行扫描；输 出光经过45°起偏器，通过第一保偏光纤耦合器将光信号传输至高双折射光纤光栅阵列；阵 列反射信号通过第一保偏光纤耦合器、第二保偏光纤耦合器，经过检偏器，将两路偏振信号 输入波分/时分信号解调仪；解调仪通过时域读取信号，整合每个光栅的双反射峰信号输出到 计算机。

按上述方案，所述光纤的工作波长为850nm或1310nm或1550nm。

本发明的特点在于：所述光纤具有较高双折射，在写入光栅之后，将在双偏振轴发生光 栅内的模式耦合，产生双峰反射(如图3所示)。

该反射谱线是由偏振态相互正交的两个子偏振态各自耦合，得到的反射谱线λ_xx和λ_yy组成。 由于双折射的存在，使得两个光栅的峰值反射波长不再相同，其差值可表示为：

λ_xx-λ_yy＝2Λ(n_x-n_y)＝2BΛ

由此可见，两峰值反射波长的间距直接取决于光纤双折射的大小，因而通过检测双折射 光纤光栅的双峰间距就可直接测量光纤的双折射。

由于本发明光纤结构中有双气孔的存在，使其具有一定的环境均匀压力敏感特性，光栅 受到外界环境均匀压力后，会发生双偏振模式的布拉格反射峰峰距增大的现象。以下是某个 此类结构光纤压力敏感测试，P为外界均匀压力，Δλ为双峰间距，B为双折射系数：