用于工程结构整体与局部应变同时监测的分布式光纤传感器

摘要

本发明公开了一种用于工程结构整体与局部应变同时监测的分布式光纤传感器，包括光纤DBF激光器、第一光纤放大器、第一耦合器、电光调制器、第二光纤放大器、扰偏器、光纤环形器、传感光纤、光纤光栅阵列、滤波器、第三光纤放大器，第二耦合器、布里渊散射信号检测模块、FBG波长解调模块，与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：能够在成本降低的同时，系统有效兼容光纤光栅和布里渊时域反射技术，可同步测量光纤光栅和布里渊时域反射传感的信号，仅用一根光纤便可实现对工程结构整体和局部应变同时检测，有效地解决了物联网传感网络中不同光纤传感系统兼容性问题。且系统测量距离长，稳定性和重复性良好，精度高且成本低。

权利要求

1.一种用于工程结构整体与局部应变同时监测的分布式光纤传感器，其特征在于：包括光纤DBF激光器（1）、第一光纤放大器（2）、第一耦合器（3）、电光调制器（4）、第二光纤放大器（5）、扰偏器（6）、光纤环形器（7）、传感光纤（8）、光纤光栅阵列（9）、滤波器（10）、第三光纤放大器（11），第二耦合器（12）、布里渊散射信号检测模块（13）、FBG波长解调模块（14），所述的光纤DBF激光器（1）依次串联第一光纤放大器（2）和第一耦合器（3），所述的第一耦合器（3）的第一输出端依次串联所述的电光调制器（4）、第二光纤放大器（5）以及扰偏器（6），扰偏器（6）的输出端连接至所述的光纤环形器（7）的第一输入端，光纤环形器（7）的第一输出端与传感光纤（8）的第一输入端连接，传感光纤（8）的第一输出端于光纤光栅阵列（9）的输入端连接，光纤光栅阵列（9）的输出端连接传感光纤（8）的第二输入端，传感光纤（8）的第二输出端于所述的光纤环形器（7）的第二输入端连接，光纤环形器（7）的第二输出端连接连接滤波器（10）的输入端，滤波器（10）的第一输出端连接所述的FBG波长解调模块（14），滤波器（10）的第二输出端连接第三光纤放大器（11）的输入端，第三光纤放大器（11）的输出端连接第二耦合器（12）的第二输入端，第二耦合器（12）的第一输入端与所述的第一耦合器（3）的第二输出端连接，第二耦合器（12）的输出端连接所述的布里渊散射信号检测模块（13）。

说明书

用于工程结构整体与局部应变同时监测的分布式光纤传感

器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种分布式光纤传感技术，通过一根光纤可以实现对结构的整体与局部应变信息同步监测。

背景技术

[0002] 工程结构健康检测包括整体与局部长期监测，并根据结果进行结构损伤诊断与必要的预警。目前用于健康监测的技术主要包括光纤布拉格光栅传感器和基于光纤布里渊散射的时域反射仪（BOTDR）等。研究及工程实际表明，光纤FBG光栅只能作为离散点式的传感器，而缺乏对结构整体信息的把握。而基于布里渊散射的光纤传感器则相反，其空间分辨率仅有1米但测量距离可达到几十甚至上百公里，其缺点是只能对结构整体应变分布进行测量。在实际工程结构中，缺乏一种传感器可以满足在很大的测量距离内，同时能够融合结构的整体和局部信息，实现对结构整体的安全性评估和局部关键点的精确监测，这对大型工程的长期健康检测具有重要意义。以目前的技术同时采用这两套系统会造成监测成本上升，且每套系统需要单独的光纤光路，必须分别铺设两条光纤，造成传感器安装流程复杂。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种用于工程结构整体与局部应变同时监测的分布式光纤传感器，通过设计光学系统，使得新系统同时兼容光纤光栅和布里渊时域反射技术，能同时检测光纤光栅和布里渊时域反射传感的信号，因此仅用一根光纤便可实现对工程结构整体和局部应变同时检测，该系统测量距离长，稳定性和重复性良好，精度高且成本低。

[0004] 本发明的技术解决方案如下：

[0005] 一种用于工程结构整体与局部应变同时监测的分布式光纤传感器，包括光纤DBF激光器、第一光纤放大器、第一耦合器、电光调制器、第二光纤放大器、扰偏器、光纤环形器、传感光纤、光纤光栅阵列、滤波器、第三光纤放大器，第二耦合器、布里渊散射信号检测模块、FBG波长解调模块，所述的光纤DBF激光器依次串联第一光纤放大器和第一耦合器，所述的第一耦合器的第一输出端依次串联所述的电光调制器、第二光纤放大器以及扰偏器，扰偏器的输出端连接至所述的光纤环形器的第一输入端，光纤环形器的第一输出端与传感光纤的第一输入端连接，传感光纤的第一输出端于光纤光栅阵列的输入端连接，光纤光栅阵列的输出端连接传感光纤的第二输入端，传感光纤的第二输出端于所述的光纤环形器的第二输入端连接，光纤环形器的第二输出端连接连接滤波器的输入端，滤波器的第一输出端连接所述的FBG波长解调模块，滤波器的第二输出端连接第三光纤放大器的输入端，第三光纤放大器的输出端连接第二耦合器的第二输入端，第二耦合器的第一输入端与所述的第一耦合器的第二输出端连接，第二耦合器的输出端连接所述的布里渊散射信号检测模块。

[0006] 本发明传感器，是一种融合光纤光栅和布里渊时域反射仪的分布式传感器，它的构成由光纤DBF激光器、第一光纤放大器、第一耦合器、电光调制器，第二光纤放大器、扰偏器、光纤环形器、传感光纤、光纤光栅阵列、滤波器、第三光纤放大器，第二耦合器、布里渊散射信号检测模块、FBG波长解调模块组成。其连接关系如下：光纤DBF激光器发出的窄线宽连续激光经过第一光纤放大器后进入耦合器，然后分为两路，一路作为本振光通过耦合器后进入布里渊散射信号检测模块，另一路光通过电光调制器后进入第二光纤放大器，然后经由扰偏器和光纤环形器后进入第二传感光纤和光纤光栅阵列。第二传感光纤的布里渊散射光和光纤光栅的反射光返回环形器后从另一端口进入滤波器，然后从不同端口输出。其中光纤光栅的反射光直接进入FBG波长解调模块。而布里渊散射光则进入第三光纤放大器后进入第二耦合器，与本振光一起进入布里渊散射信号检测模块。

[0007] 与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：能够在成本降低的同时，系统有效兼容光纤光栅和布里渊时域反射技术，可同步测量光纤光栅和布里渊时域反射传感的信号，仅用一根光纤便可实现对工程结构整体和局部应变同时检测，有效地解决了物联网传感网络中不同光纤传感系统兼容性问题。且系统测量距离长，稳定性和重复性良好，精度高且成本低。

附图说明

[0008] 图1是本发明一种具体结构示意图。

具体实施方式

[0009] 以下结合附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

[0010] 具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。DFB激光器1发出窄线宽激光经放大器2放大进入耦合器3分为两路，一路光作为本振光通过耦合器12后进入布里渊散射信号检测模块13，另一路作为传感光经电光调制器4调制为脉冲光后经放大器5进入扰偏器6进行消偏后，通过光纤环形器7进入传感光纤8。与此同时，光纤放大器5会发出ASE宽带光，这部分光可作为光纤光栅阵列9的传感光源，与激光脉冲同时通过环形器7进入传感光纤8。光纤的反射信号光分为两部分，一部分为传感光纤的后向布里渊散射，另一部分为光纤光栅阵列的反射光。这两部分光通过事先设计，分别占用不同的波长信道，因而不会相互串扰。这两部分反射光经由环形器7进入滤波器后，被滤波器分开并从不同端口输出。其中布里渊散射光经光纤放大器11放大后，通过耦合器12与与本振光同时进入布里渊散射信号检测模块13，进行信号检测。而光纤光栅的反射光则直接进入FBG波长解调模块14。

[0011] 对于布里渊散射的光纤传感部分来说，整个光纤都是应变传感器但其空间分辨率仅有1米，由于其测量距离可达几十甚至上百公里，因此可用于结构总体监测。对于光纤光栅阵列来说，仅能检测到光栅所在的位置的应变，而一个光栅的长度仅有1厘米左右，体积很小，因此可进行某些局部重要部位的应变测量。当作用在传感光纤8和光纤光栅阵列9的应变发生变化时，布里渊散射光的频率和光纤光栅反射光的波长也会随之变化，通过布里渊散射信号检测模块13和FBG波长解调模块14分别探测布里渊散射光的频移和光栅反射波长变化，可同时得到结构整体应变分布情况和重点部位的局部应变。