CN1183548A - 用分布式传感器探测和/或测量物理量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用分布式传感器探测和/或测量物理量在传感器的多个测量点处的变化的方法。传感器有一条光纤,光纤中有一个传导光波的光学芯,它具有众多沿光纤分布并各自位于一个测量点水平处的衍射光栅,衍射光栅在无应力作用情况下具有基本相同的反射中心波长,它包括下述步骤:从光纤的输入端射入一个探测光信号,其波长接近反射中心波长;确定随时间变化的反射光信号的功率,称为实测反射功率;将随时间变化的实测反射功率与物理量未发生变化时的随时间变化的反射功率(空载反射功率)进行比较;当实测反射功率与空载反射功率不同时,则探测到物理量的变化。
Description
本发明涉及用分布式传感器，特别是借助光纤进行探测的分布式传感器，探测和/或测量物理量变化的方法，这个物理量可以是温度，压力，机械变形，电场，磁场等等。
我们知道，光纤是传导光波的通道，它的中心部分以二氧化硅为材料，称为光学芯，用以传导大部分光波，光学芯的周围包着光学套，也是以二氧化硅为材料，用以传导没有被光学芯传导的那部分光波。
众所周知，由于其结构的特点，光纤对所处的环境十分敏感，特别当温度变化时(例如温度下降)，将使纤维收缩，结果导致它的传导特性发生很容易探测到的变化(光学信号的衰减增加)。当光纤受到使其变形的机械应力，压力变化，以及与光纤所传导的光波的电磁场交互作用的电场或磁场变化时，也会发生前述的变化。
因此，在许多已知的传感器中，用光纤探测物理量的变化。
在一部分这种传感器中使用了一些特殊的光纤，光纤上设有衍射光栅，比较典型地称为Bragg光栅。例如在专利US-4996419中就描述了这类传感器。以下我们将衍射光栅称为Bragg光栅，但并不是将本发明的应用仅仅限于Bragg光栅。
首先要知道，位于光纤芯上的衍射光栅由其给定长度上(沿着光纤轴线方向)的一系列的光纤芯的折射率的周期性变化而形成。这些变化在光纤传导的光信号上的累积效应是将这些信号的相当一部分反射到入射端，并且在称为衍射光栅的反射中心波长的附近，这个波长是衍射光栅的间距和光纤芯初始折射率(即设置光栅之前的折射率)的函数。对于信号的其它部分，衍射光栅几乎是透明的。这样，设置在光纤芯上的衍射光栅对于从光纤芯中通过的光学信号就象一个窄阻带光学滤波器。
在Bragg光栅反射光谱上，这种特性表现为位于一个区间内的尖峰，区间的中心对应于反射的中心波长并且区间相对较窄，而在传导光谱上，该特性表现为一个对应该波长的凹陷。
图1中的曲线10示意性地表示了一个Bragg光栅的反射光谱，即Bragg光栅反射的信号的功率P随波长λ而变化。λ0为Bragg光栅的反射的中心波长。
确定λ0的两个参数(折射率和Bragg光栅的间距)直接依赖于温度，它们的变化一方面改变折射率(热光学效应)，另一方面产生热膨胀或热收缩。这两个参数同样也依赖于作用在光纤上的机械应力，这个应力将使光纤沿长度变形以导致Bragg光栅间距的变化，同时也由于光弹性效应而改变折射率。最后，确定λ0的参数直接依赖于流体静压力。这样，具有Bragg光栅的光纤的自身特点使其具有温度，压力和变形(也就是应力)探测器的功能。
对于电场或磁场变化这一类情况，可以在具有一个或数个Bragg光栅的光纤上设置适当的装置，例如由压电或磁致收缩材料制成的外壳，当受监测的场发生变化时，它将使光纤产生变形，这样可以将这些量的所有变化与反射的中心波长λ0的变化联系起来。
上述已知现象已在传感器中应用了。为了探测一个物理量的变化，我们在光纤中连续地发射光信号，并观测传导光谱或反射光谱，以确定反射信号的波长。如果这个波长不是在正常情况(＂空的＂，即处于受监测的物理量未发生变化)下测得的波长，我们就探测到了在光栅周围受监测的物理量的变化。通过适当的标定，我们还可以根据测得的反射波长估算变化的幅度。
专利US-4996419中提出了一种分布式传感器，它有一条光纤，上面按预定的间隔设置着许多Bragg光栅，它们的特性在空载时(正常情况)基本上一致，即具有基本上一致的反射中心波长。Bragg光栅的分布构成了一个分布式传感器，即一个具有许多分开的探测和/或测量点的传感器，以便监测一个分布较广的区域。
例如，一个这样的传感器可以用在一个很长的动力电缆附近，以便确定发生有害的温度升高的区域。
在上述的专利中，为了探测和/或测量受监测物理量的变化，人们将光纤的一端与一个光源连接，这个光源的波长可以在一个足够宽的范围内调谐，以便包含由于物理量的变化而变化的Bragg光栅的所有反射波长，然后，向光纤内射入光信号，以扫描波长的频谱。反射信号用上述的方法进行探测和分析，并根据信号往返的时间来确定受监测的物理量发生变化的地点。
在这个专利中还指出，每一个Bragg光栅的反射系数(即反射光信号的功率和入射光信号的功率之比)应在0.01左右，以避免对不同光栅之间多重反射的传输产生不良的后果。
上述专利中描述的方法并不完全令人满意。
实际上，按推荐的方法，必须在一个相当宽的频谱上扫描，并且在Bragg光栅的反射中心波长上尽可能细地调谐。由于Bragg光栅的反射光谱窄，调谐需要更加精细。因此，需要使用一个高精度的可调光源，这样将要使用一个复杂而昂贵的仪器。
另外，了解所有测量点的情况所需的时间相对较长，因为需要在一个足够宽的频谱上扫描，而每次改变所用光源的波长也需要较长的时间，约为秒的数量级(使光源在新的波长上稳定的时间)。此外，使用稳定时间相对较长的可调光源使整体化十分困难，以致来自距传感器输入端最远的Bragg光栅的响应信号无法与接受器本身的噪声区分开来。
此外，为实施专利US-4996419中的方法的传感器在使用上也不能另人满意。
实际上，如果希望传感器的范围很大，例如10公里左右，就必须在上面设置相当多的Bragg光栅，例如，要每两米设置一个测点，就需要5000个光栅。如果我们选择传统的反射系数，即上述专利所建议的(0.01)，由Bragg光栅导致的光纤针对反射中心波长(例如选择1.55微米左右)的衰减率约为22分贝/公里，这大大高于光纤本身的衰减率(波长1.55微米时为0.3分贝/公里)。这样，从光纤端部的传感器上反射回来的信号由于衰减得太多而无法检测。
另外，我们知道，为了在光纤上形成Bragg光栅，要使光纤芯透过光学套暴露在两束紫外光线产生的干涉条纹的照射下，并且，所希望的反射系数越高，则该过程的时间也越长，所需能量强度也越高。
此外，用专利US-4996419的方法，最好选用窄的Braag光栅的反射频谱，例如，可选择宽为0.1纳米数量级的频谱。由于Bragg光栅的反射频谱的频宽与光栅的长度成反比，因此这个方法需使用相对较长的Bragg光栅，实际上，当频谱宽为0.1纳米时，光栅长为十几毫米。而在光纤上形成一个Bragg光栅所需的功率是光栅长度的函数。
这样，为了得到一个专利US-4996419中公开的传感器，需要设置大量的频宽较窄及反射系数为0.01的Bragg光栅，这需要大约1焦耳/平方厘米的能量强度。为了在有限的时间内(10纳秒的数量级)提供这些能量，特别是为了在生产线上制作Bragg光栅时不影响光纤的操作，就必须使用大型的，高功率的激光器，这使得这种光栅的工业化生产变得复杂。
本发明的目的是制订一种使用具有衍射光栅(如Bragg光栅)的分布式传感器的方法，以避免上述的缺陷。
为此，本发明提出了一种用分布式传感器探测和/或测量一个物理量在所述传感器的多个测量点处的变化的方法，所述传感器有一条光纤，光纤有一个传导大部分光波的光学芯，所述光学芯具有众多沿着所述光纤分布并各自位于一个所述测量点水平处的衍射光栅，所述衍射光栅在无应力作用的情况下具有基本相同的反射中心波长，
其特征在于，它包括下述步骤：
一从光纤的称为输入端的一端射入一个探测光信号，其波长接近所述的反射中心波长，
-确定随时间变化的反射光信号的功率，称为实测反射功率，
-将随时间变化的实测反射功率与所述物理量未发生变化时的随时间变化的反射功率(称为空载反射功率)进行比较，
-当所述实测反射功率与所述空载反射功率不同时，则探测到所述物理量的变化。
这样，本发明的探测受监测物理量的变化的方法利用了反射信号随时间变化的功率(或者等价地利用强度)：如果在一个衍射光栅附近的受监测的物理量发生了变化，光栅的反射中心波长移动，它将不再反射在这个波长附近的入射信号，这样，在表示随时间变化的反射信号功率的曲线上的该衍射光栅的对应点处将出现功率的下降，这说明有应力存在，从而可探测到相应的物理量的变化。
只要事先正确地标定传感器，就可以将功率幅度的变化与衍射光栅的中心波长的相应变化(也就是所监测物理量的变化)联系起来。
与专利US-4996419中的方法相比，本发明的方法更简单，可以使用与传统的反射式测量仪类似的仪器，特别是，它不需要可调谐光源。
另外，由于本发明的方法是建立在测量反射信号的功率(或强度)的原理上，而不是波长，因此，避免了实施频带窄而长度大的衍射光栅。
属于每个衍射光栅的反射波长带中的探测光信号的波长最好位于其衍射光栅的反射光谱基本呈线性的波长区间中。这样，当受监测的物理量在一定范围内变化时，本发明的传感器的响应也基本是线性的。
另外，探测光信号的波长最好位于衍射光栅反射光谱的半高度处。这样我们就可以标定本发明的传感器，当入射信号有如此选择的波长时，可以使受监测的物理量的变化范围的中间值或者对应于反射信号的最大幅值，或者对应于偏移的中间值。
作为本发明方法的一个优点，为了消除由于意外衰减引起的使用信号的功率变化，每个探测信号由两个相继的脉冲构成：一个脉冲的波长小于衍射光栅的反射中心波长，另一个脉冲的波长大于衍射光栅的反射中心波长，这两个波长均在衍射光栅的反射光谱范围内。用对应两个波长的实测反射功率之比来实现对物理量的变化的探测，这样可以使探测或测量的灵敏度提高一倍。
由于衍射光栅的反射带的频宽很窄(钠米级)，构成一个探测信号的两个脉冲的波长之间的衰减差别是可以忽略的。
做为本发明的方法的一个特别有益的特点，传感器的光学芯上含有n个衍射光栅，n为大于50的一个整数，每个衍射光栅的最大反射系数在1/(20n)和1/(2n)之间。
根据本发明的方法，使用这种分布式传感器可以获得比使用现有技术的方法和分布式传感器更长的覆盖范围和更多的测量点。这种传感器的制造不复杂，也不昂贵，并且可以探测位于离光源最远端处的待测物理量的变化。
反射系数的选择使得可以实现范围大，并在单位长度上有大量测量点的分布式传感器，且传感器不会受到由于衍射光栅的存在而导致的光纤衰减增加的有害影响(在前面谈到的例子中，对应于反射中心波长为1.55微米的衍射光栅，由衍射光栅导致的衰减为每公里0.02到0.2分贝)，其制作也很方便。实际上，如上所述，形成衍射光栅的能量基本上与折射率的变化程度(也就是要形成的光栅的反射系数)成正比。在实际中，如光栅数n为5000，将反射系数由0.01降低到0.000001，可以导致所需功率降低到百分之一。
另外，即使是这样的反射系数，衍射光栅的反射信号水平仍然高于Rayleigh反向散射信号，这样可容易地将它与后者区分开来。
在实际中，当反射系数在1/(2n)左右时，传感器反射的实测信号的功率最大。如果反射系数提高十倍，实测信号的最大功率将下降800倍。相反，如果反射系数降低十倍，实测信号的最大功率只下降四倍。
由于这一事实，使得可以通过选择在1/(20n)和1/(2n)之间的衍射光栅的反射系数，来解决现有技术存在的问题。
另外，由于降低了反射系数，本发明方法的使用有助于所用传感器的简便和低成本的制作。
通过下面对本发明的一个探测装置和一种方法的描述，可以了解本发明的其它特征和优点，这些方法和装置只是示意性的，绝不是限制性的。
下面的图中：
-图1为一个Bragg光栅的反射光谱的曲线，
-图2为一个衍射光栅式传感器的示意图，它包括用于按照本发明进行所希望的探测和/或测量的有关必要设备，
-图3为反射功率的理论曲线和按照本发明方法测得的反射功率的测量曲线。
在所有的图中，相同的部分具有相同的标号。
图1已经结合现有技术加以了解释。
图2示意地显示了一个用于探测和/或测量物理量变化的传感器100，它有一条作为探测器的单模式光纤1，光纤1包括一个光学芯和一个包在它周围的光学套(未示出)，二者均用二氧化硅为基础的材料制成，光纤1的芯上设有Bragg光栅4，它们相互之间是相同的，也就是说，具有基本相同的反射波长。
每一个Bragg光栅4由光纤1的一小段长度上(例如1到2毫米)的光纤芯的一系列的折射率的周期性变化而形成，这些变化在图上用每个Bragg光栅4处的垂直线表示。
两个相邻的Bragg光栅4之间的距离L(例如两个光栅中心之间的距离)可以是恒定的，如图2所示的那样，例如可以是1米。实际上，不同的Bragg光栅之间的距离可以是任意的，它取决于部件(例如电缆)和受监测的物理量。
根据本发明，每个Bragg光栅的反射系数在1/(20n)和1/(2n)之间，或者等于这两个数值之一，如同前面说明的，这一方面是为了防止由于不同的Bragg光栅的存在使光纤1的衰减过多地增加，另一方面也是为了使反射信号的水平高于Rayleigh反向散射信号的水平。
在需要的时侯(如前所述)，在传感器100中，可将光纤1同能够把待测物理量的变化转化成作用在光纤上的机械应力的装置(未示出)联系起来。
光纤1上的每个Bragg光栅4构成一个测量点，即一个对受监测的物理量的变化敏感的点，使得传感器100可以行使它的功能。
这样，由于光纤1本身就对温度的变化敏感，在用传感器100作为温度探测器时，只要将它放在受监测的物体的附近就行了，为防止外部机械干扰，可将光纤放在一个保护管中。
为了将传感器100用作应变仪，可以在每个Bragg光栅的长度上用复制模在树脂中制作裸露的光纤1，并将其固定在(例如通过粘接)受监测的物体上。
为了将传感器100用作流体静压力探测计，可以将光纤1放在一个与待测流体所在的容器相通的腔体内。
最后，为了用传感器100探测和/或测量磁场或电场的变化，或者其它的量，例如探测是否有水，可以如前面所说的，在光纤1上包一层对这些量敏感的材料。
另外，传感器100具有一个激光光源5，它通过一个耦合器6与光纤1的一端1A耦合。为了探测和/或测量受监测物理量的变化，光源5向光纤1发射光脉冲7形式的探测信号。
发射的光脉冲7的时间宽度T要根据两个相邻Bragg光栅之间的最小距离L来确定，以便对于例如在Bragg光栅4的反射中心波长λ0附近的脉冲7的波长(最好选为1.55微米左右)，这些由Bragg光栅反射的信号不会相互重叠。例如，在实际中，我们选择τ≤2L/Vg，Vg是光波包的速度。
另外，由于本发明的方法使采样的电子装置得以简化，这种简化将电子装置的频率限制在100兆赫，实际上时间宽度τ大于10纳秒。这样，τ小于对应每个Bragg光栅长度的时间宽度，这使得反射脉冲的形状与入射脉中的形状基本一致。如果校准入射脉冲，使其具有较大的平台，则反射脉冲也会有较大的平台，这有助于获得多个采样值以测量其高度，从而很精确地确定实测反射功率的幅度。这样就可以实现精确的测量。
当受测物理量只在局部发生变化时，由于Bragg光栅4的长度很短，可以避免测量的不准确性，这种不准确性是在长度与入射脉冲的宽度相同的一段光纤1中积累的。
传感器100中还包含一个通过耦合器6与光纤1的端部1A耦合的接收器8，以便接受由光纤1反射的入射脉冲7的响应信号。
接收器8与显示装置9(例如示波器)连接，以便显示反射信号。这些反射信号将在图3中更详细地描述。
我们现在来介绍根据本发明，用传感器100探测或测量一个物理量(例如温度)的变化的方法。
例如，传感器100平行地紧靠在要测量局部发热的动力电缆旁，电缆的局部发热将影响它的正常工作。在传感器100中，光纤1承受到了温度的变化，这样，就可以得到与电缆局部的温度变化相对应的位于温度变化处的Bragg光栅的反射中心波长的变化。
通过光源5，我们有规律地发射光脉冲7形的探测信号，光脉冲7的发射周期最好大于距光纤1的端部1A最远的Bragg光栅反射一个脉冲所需的时间。
作为一个变型，光脉冲7的波长近似等于Bragg光栅的反射中心波长λ0。
如果在任何一个Bragg光栅处均无温度变化，脉冲7由光纤1反射后的信号的形状如图3中的曲线40所示，图3是反射功率与时间的函数关系。可以看到，反射信号由一系列对应每个不同的Bragg光栅的反射信号的脉冲401构成，所有脉冲401相互之间基本相同，并基本与入射脉冲7相同。
如果在一个Bragg光栅处发生了温度变化，由传感器100反射回来对应入射脉冲7的信号如图3中的曲线41所示，对应没有发生温度变化处的Bragg光栅反射回来的脉冲411相互之间是相同的(见曲线40)，相反，由温度发生变化部位附近的Bragg光栅反射回来的脉冲411’的幅度与其它的脉冲不同(根据测得的温度是升高或降低，幅度可能大或可能小)。
这样，通过简单的观察显示器9上的曲线41与曲线40不同这个现象，就可以探测到温度变化。显然，当多个不同部位发生不同的温度变化时，情况也是这样的。
通过确定发射入射脉冲和收到反射脉冲之间的时间，可以直接得知反射这个脉冲的Bragg光栅的位置，因而也就是电缆上产生温度变化的部位。
如果希望测量探测到的温度变化的幅值，只需事先对传感器100进行标定，将温度的每个变化同对应反射脉冲的最大幅值联系起来。
为了探测或测量受监测物理量的变化，如上面所说的那样，可以只简单地观察反射信号；也可以在每一时刻t，计算实测反射信号的功率P(称为实测反射功率)与空载反射功率P0之间的差值或比值，空载反射功率P0为传感器在＂空载＂时，也就是受测的物理量没有发生任何变化时的反射信号的功率。当这个差值或比值超过一个预定的界限，我们就探测到在对应时间(也就是对应位置)的变化，当然，我们也可以测量变化的幅值。
属于每个衍射光栅的反射波长带内的探测光信号的波长最好位于其Bragg光栅4的反射光谱基本呈线性的波长区间中。更进一步，探测光信号的波长可以位于Bragg光栅反射光谱的半高度处。
根据本发明的另一个优点，为了消除光纤1衰减的意外变化的影响，每个入射探测信号由两个相继的脉冲构成，一个的中心波长λ1小于λ0，另一个的中心波长λ2大于λ0，λ0与λ1的差值和λ0与λ2的差值基本相同；λ1和λ2当然位于Bragg光栅的反射光谱中。当一个Bragg光栅处发生温度变化，可以得到一个如图3中的曲线42所示的波长为λ1的反射信号，和一个如曲线43所示的波长为λ2的反射信号，我们计算每一时刻的入射的双脉冲信号的两个响应的最大幅值的比值。当这个比值与预定的界限值不同时，则探测到了受监测的物理量的变化，如果事先进行了适当的标定，还可以测量这个变化。
这个特点使得根据本发明的传感器的灵敏度可以达到1％/℃。
可见，根据本发明的探测或测量的方法比现有技术的方法简单，因为实际上它应用了传统的反射式测量仪的原理。
当然，本发明并不限于前面所介绍的实施例和方法，我们可以将整个装置用另一种等价装置代替，而不超出本发明的范围。
Claims (6)
1.用分布式传感器探测和/或测量一个物理量在所述传感器的多个测量点处的变化的方法，所述传感器有一条光纤，光纤有一个传导大部分光波的光学芯，所述光学芯具有众多沿着所述光纤分布并各自位于一个所述测量点水平处的衍射光栅，所述衍射光栅在无应力作用的情况下具有基本相同的反射中心波长，
其特征在于，它包括下述步骤：
-从光纤的称为输入端的一端射入一个探测光信号，其波长接近所述的反射中心波长，
-确定随时间变化的反射光信号的功率，称为实测反射功率，
-将随时间变化的实测反射功率与所述物理量未发生变化时的随时间变化的反射功率，即空载反射功率，进行比较，
-当所述实测反射功率与所述空载反射功率不同时，则探测到所述物理量的变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，属于每个所述衍射光栅的反射波长带内的探测光信号的波长位于其所述衍射光栅的反射光谱基本呈线性的波长区间中。
3.根据权利要求1或2中任意一项所述的方法，其特征在于，一个物理量的变化的探测是通过计算每一时刻的实测反射功率与空载反射功率的比值，并将这个比值与一个预定的界限值比较而实现的。
4.根据权利要求1或2中任意一项所述的方法，其特征在于，每个探测信号由两个相继的光脉冲组成，一个脉冲的波长位于衍射光栅的反射光谱内并小于所述反射中心波长，另一个脉冲的波长也位于衍射光栅的反射光谱内但大于所述反射中心波长，物理量变化的探测是通过两个不同波长的光脉冲的实测反射功率之比来实现的。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，为了测量所述物理量的变化，事先要进行标定，以便将所述实测反射功率的所有幅值与所述物理量的一个相应的幅值联系起来。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述传感器的光学芯上有n个衍射光栅，n为完全大于50的整数，每个所述衍射光栅的最大反射系数在1/(20n)和1/(2n)之间。
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