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一种分布式光纤湿度和 温度同时检测装置及检测方法

阅读：1024发布：2020-09-05

专利汇可以提供一种分布式光纤湿度和温度同时检测装置及检测方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种分布式光纤湿度和温度同时检测装置及检测方法，涉及大范围、分布式环境下的湿度和温度同时检测领域。所述检测装置包括传感光纤和布里渊散射光时域反射仪，所述传感光纤连接布里渊散射光时域反射仪，传感光纤设有多段的间隔设置的对湿度敏感的单模光纤和对湿度不敏感的单模光纤，且对湿度敏感的单模光纤和对湿度不敏感的单模光纤交替熔接。通过所述传感光纤可同时获得大范围、高空间分辩率实时变化的温度和湿度信息。，下面是一种分布式光纤湿度和温度同时检测装置及检测方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种分布式光纤湿度和温度同时检测装置，其特征在于：包括传感光纤和布里渊散射光时域反射仪，所述传感光纤连接布里渊散射光时域反射仪，传感光纤设有多段的间隔设置的对湿度敏感的单模光纤和对湿度不敏感的单模光纤，且对湿度敏感的单模光纤和对湿度不敏感的单模光纤交替熔接。
2.如权利要求1所述的一种分布式光纤湿度和温度同时检测装置，其特征在于：所述布里渊散射光时域反射仪包括窄线宽光源、第一耦合器、脉冲调制器、光纤放大器、第二耦合器、光电检测及滤波电路、混频器、频率扫描器、数字信号处理器；所述窄线宽光源的光源输出端连接第一耦合器的输入端，第一耦合器的一输出端通过脉冲调制器连接光纤放大器，第一耦合器的另一输出端连接光电检测及滤波电路的一输入端；所述光纤放大器的输出端通过第二耦合器连接传感光纤的输入端，且传感光纤的输入端通过第二耦合器的一输出端连接光电检测及滤波电路的另一输入端；所述光电检测及滤波电路的输出端连接混频器的输入端；所述频率扫描器连接混频器；所述混频器的输出端连接数字信号处理器。
3.如权利要求1所述的一种分布式光纤湿度和温度同时检测装置，其特征在于：所述对湿度敏感的单模光纤，其外表面涂覆有聚酰亚胺材料。
4.如权利要求1所述的一种分布式光纤湿度和温度同时检测装置，其特征在于：所述对湿度敏感的单模光纤，其外表面涂覆有丙烯酸酯材料。
5.一种分布式光纤湿度和温度同时检测方法，其特征在于：对湿度敏感的单模光纤的布里渊频移只对温度敏感而对湿度变化不敏感，对湿度敏感的单模光纤的布里渊频移对温度和湿度变化均有响应，首先分别获取对湿度敏感的单模光纤和对湿度不敏感的单模光纤的布里渊频移对温度和湿度的不同响应系数，然后建立布里渊频移随温度、湿度变化的联立方程式；
Δv1＝CT1ΔT+CH1ΔH
Δv2＝CT2ΔT+CH2ΔH
其中Δv1和Δv2分别是对湿度不敏感的单模光纤和对湿度敏感的单模光纤的布里渊频移随温度和湿度的变化量，CT1和CH1分别是对湿度不敏感的单模光纤的温度和湿度系数，CT2和GH2分别表示对湿度敏感的单模光纤的温度和湿度系数，ΔT和ΔH分别表示温度和湿度相对初值T0、H0的变化量；实际温度T和相对湿度H可通过T＝T0+ΔT,H＝H0+ΔH计算得到；通过检测各段单模光纤的布里渊频移Δν，即可得到环境温度和湿度的大小。
6.如权利要求5所述的一种分布式光纤湿度和温度同时检测方法，其特征在于：所述布里渊频移Δν通过以下方法得到：窄线宽光源发出频率为v0的光，并通过第一耦合器分成探测光和参考光；脉冲调制器对探测光进行脉冲调制后采用光纤放大器将信号功率放大到合适值；当探测光进入传感光纤区域并在传感光纤中发生布里渊散射时，布里渊反向散射光相对于原来的入射光产生布里渊频移Δν；该布里渊反向散射光和参考光由光电检测电路进行外差检测，此后，该外差检测信号被进一步放大，并通过滤波电路去除直流成分和高次谐波，得到差频项v0-Δν；将差频项v0-Δν和微波频率源产生的信号再次利用混频器混频，得到基带信号；通过频率扫描器连续改变微波频率源的频率可构建布里渊频谱，最后通过数字信号处理器对布里渊频谱进行洛仑兹曲线拟合可计算得到布里渊频移Δν。

说明书全文

一种分布式光纤湿度和温度同时检测装置及检测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及大范围、分布式环境下的湿度和温度同时检测领域，尤其涉及一种分布式光纤湿度和温度同时检测装置及检测方法。

背景技术

[0002] 传统基于光纤外部材料折射率变化导致光纤中传输的光信号特性(如传输常数、相位或强度)变化从而获得环境湿度的方法，一般只能测量单点或局部的湿度。如常见的将聚酰亚胺材料(PI)涂覆在光纤Bragg光栅(FBG)表面，利用PI材料随湿度变化膨胀使光纤应变导致FBG中心波长发生变化；另一种常用的湿度检测方式是利用光通过含有水汽的空间导致其相位或强度发生变化，经标定后可以测量湿度的大小。这些常见的湿度测量方法需要分别设计和制作光纤传感探头，存在探头制作工艺复杂、时间长、成本高、干涉式探头不易复用、多点测量比较困难等缺点。另外，由于环境温度对测量结果也有影响，需要在湿度传感头内置温度测量元件，增加了传感探头的复杂性和成本。

[0003] 近年来，利用光纤中布里渊散射进行分布式应变和温度测量受到广泛的关注。但是基于布里渊散射和PI涂覆的分布式湿度传感器还未有报导，并且如何在分布式湿度测量过程中消除温度对结果影响的问题亟待解决。在分布式光纤应变测量中，通常在应变传感光纤附近并排放置一根不受应力影响、仅对温度响应的光纤，一般是通过布设另一套基于光纤中拉曼效应的温度传感检测系统实现的。由于这种温度补偿方案需要铺设另一条温度传感光纤及采用相应的检测仪器，增加了系统软硬件成本和复杂性。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种分布式光纤湿度和温度同时检测装置及检测方法，将湿度敏感的单模光纤和对湿度不敏感的单模光纤交替熔接形成传感光纤，实现分布式的湿度和温度同时测量。

[0005] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0006] 一种分布式光纤湿度和温度同时检测装置，包括传感光纤和布里渊散射光时域反射仪，所述传感光纤连接布里渊散射光时域反射仪，传感光纤设有多段的间隔设置的对湿度敏感的单模光纤和对湿度不敏感的单模光纤，且对湿度敏感的单模光纤和对湿度不敏感的单模光纤交替熔接。

[0007] 所述布里渊散射光时域反射仪包括窄线宽光源、第一耦合器、脉冲调制器、光纤放大器、第二耦合器、光电检测及滤波电路、混频器、频率扫描器、数字信号处理器；所述窄线宽光源的光源输出端连接第一耦合器的输入端，第一耦合器的一输出端通过脉冲调制器连接光纤放大器，第一耦合器的另一输出端连接光电检测及滤波电路的一输入端；所述光纤放大器的输出端通过第二耦合器连接传感光纤的输入端，且传感光纤的输入端通过第二耦合器的一输出端连接光电检测及滤波电路的另一输入端；所述光电检测及滤波电路的输出端连接混频器的输入端；所述频率扫描器连接混频器；所述混频器的输出端连接数字信号处理器。

[0008] 所述对湿度敏感的单模光纤，其外表面涂覆有聚酰亚胺材料。

[0009] 所述对湿度敏感的单模光纤，其外表面涂覆有丙烯酸酯材料。

[0010] 一种分布式光纤湿度和温度同时检测方法，对湿度敏感的单模光纤的布里渊频移只对温度敏感而对湿度变化不敏感，对湿度敏感的单模光纤的布里渊频移对温度和湿度变化均有响应，首先分别获取对湿度敏感的单模光纤和对湿度不敏感的单模光纤的布里渊频移对温度和湿度的不同响应系数，然后建立布里渊频移随温度、湿度变化的联立方程式；

[0011] Δv1＝CT1ΔT+CH1ΔH

[0012] Δv2＝CT2ΔT+CH2ΔH

[0013] 其中Δν1和Δν2分别是对湿度不敏感的单模光纤和对湿度敏感的单模光纤的布里渊频移随温度和湿度的变化量，CT1和CH1分别是对湿度不敏感的单模光纤的温度和湿度系数，CT2和CH2分别表示对湿度敏感的单模光纤的温度和湿度系数，ΔT和ΔH分别表示温度和湿度相对初值T0、H0的变化量；实际温度T和相对湿度H可通过T＝T0+ΔT,H＝H0+ΔH计算得到；通过检测各段单模光纤的布里渊频移Δν，即可得到环境温度和湿度的大小。

[0014] 所述布里渊频移Δν通过以下方法得到：窄线宽光源发出频率为v0的光，并通过第一耦合器分成探测光和参考光；脉冲调制器对探测光进行脉冲调制后采用光纤放大器将该信号功率放大到合适值；当探测光进入传感光纤区域并在传感光纤中发生布里渊散射时，布里渊反向散射光相对于原来的入射光产生布里渊频移Δν；该布里渊反向散射光和参考光由光电检测电路进行外差检测，此后，该外差检测信号被进一步放大，并通过滤波电路去除直流成分和高次谐波，得到差频项v0-Δν；将差频项v0-Δν和微波频率源产生的信号再次利用混频器混频，得到基带信号；通过频率扫描器连续改变微波频率源的频率可构建布里渊频谱，最后通过数字信号处理器对布里渊频谱进行洛仑兹曲线拟合可计算得到布里渊频移Δν。

[0015] 相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

[0016] 本发明通过检测湿敏材料(如聚酰亚胺或其它材料)涂敷的普通单模光纤中传输的布里渊散射信号，获得大范围、高空间分布率的湿度信息，为解决环境温度对湿度信号的影响，将湿敏材料涂覆的单模光纤与常规材料涂覆但仅对温度敏感的单模光纤交替分段熔接，实现分布式的湿度和温度同时测量。附图说明

[0017] 图1为本发明的结构示意图；

[0018] 图2为当温度恒定在50℃、湿度相对于初始值H0＝30％变化时，SMF与PI-SMF光纤的布里渊频移的变化；

[0019] 图3为当湿度恒定为40％RH、温度相对于初始值T0＝40℃变化时，SMF与PI-SMF光纤布里渊频移的变化。

具体实施方式

[0020] 为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

[0021] 如图1所示，本实施例包括传感光纤和布里渊散射光时域反射仪；具体地，所述布里渊散射光时域反射仪包括窄线宽光源、第一耦合器、脉冲调制器、光纤放大器、第二耦合器、光电检测及滤波电路、混频器、频率扫描器、数字信号处理器；所述窄线宽光源的光源输出端连接第一耦合器的输入端，第一耦合器的一输出端通过脉冲调制器连接光纤放大器，第一耦合器的另一输出端连接光电检测及滤波电路的一输入端；所述光纤放大器的输出端通过第二耦合器连接传感光纤的输入端，且传感光纤的输入端通过第二耦合器的一输出端连接光电检测及滤波电路的另一输入端；所述光电检测及滤波电路的输出端连接混频器的输入端；所述频率扫描器连接混频器；所述混频器的输出端连接数字信号处理器。

[0022] 所述窄线宽光源发出频率为v0的光，并通过第一耦合器分成探测光和参考光；脉冲调制器对探测光进行脉冲调制后采用光纤放大器将该信号功率放大到合适值；当探测光进入传感光纤区域并在传感光纤中发生布里渊散射时，布里渊反向散射光相对于原来的入射光产生布里渊频移Δν；该布里渊反向散射光和参考光由光电检测电路进行外差检测，此后，该外差检测信号被进一步放大，并通过滤波电路去除直流成分和高次谐波，得到差频项v0-Δν；将差频项v0-Δν和微波频率源产生的信号再次利用混频器混频，得到基带信号；通过频率扫描器连续改变微波频率源的频率可构建布里渊频谱，最后通过数字信号处理器对布里渊频谱进行洛仑兹曲线拟合可计算得到布里渊频移Δν。

[0023] 所述传感光纤设有多段的间隔设置的对湿度敏感的单模光纤和对湿度不敏感的单模光纤，且对湿度敏感的单模光纤和对湿度不敏感的单模光纤交替熔接。

[0024] 在检测电路器件精度允许范围内，湿度敏感的单模光纤和对湿度不敏感的单模光纤的单段的长度尽可能小，即可实现高空间分辨率的分布式环境湿度和温度的同时检测；本实施例中，所述光纤传感为多段长度均为4m、分别对湿度敏感(如PI涂覆)的单模光纤(PI-SMF)和对湿度不敏感(如acrylate涂覆)的单模光纤(SMF)交替熔接成一根连续的传感光纤。

[0025] 按照上述方法并制作长距离的传感光纤并搭建检测装置，经过标定后，就可以实现温度和湿度的分布式检测。通过选择较小的光纤长度及采用高性能的装置器件可以提高分布式光纤温湿度传感测量的精度和空间分辨率。

[0026] 本发明的检测原理如下：

[0027] 单模光纤中传输光的布里渊散射频移与单模光纤的温度和应变相关，而环境湿度变化会导致PI涂敷的单模光纤应变发生变化，因此通过分别测量有涂敷和没涂敷PI材料的单模光纤的布里渊频移，就能得到传感光纤所在位置的温度和湿度信息；温度或湿度变化的空间定位可由光时域反射技术实现。具体地，在本实施例中，涂敷在单模光纤表面的PI 薄膜吸湿膨胀后将产生应力作用在单模光纤上使单模光纤发生应变，导致散射光信号发生相应的布里渊频移；而涂敷湿度不敏感材料的单模光纤在湿度变化时散射光的频率不发生变化。因此，通过检测不同位置、不同光纤的布里渊散射信号，就可以得到传感光纤所在空间温度和湿度的分布信息。

[0028] 一种分布式光纤湿度和温度同时检测方法如下：

[0029] 1、首先分别获取对湿度敏感的单模光纤和对湿度不敏感的单模光纤的布里渊频移对温度和湿度的不同响应系数，本实施例中交替连接的两种单模光纤(SMF和PI-SMF)的布里渊频移对温度、湿度的响应分别如图2和图3所示，SMF的频移只对温度敏感而对湿度变化不敏感；PI-SMF对温度和湿度变化均有响应；

[0030] 2、建立布里渊频移随温度、湿度变化的联立方程式；

[0031] Δv1＝CT1ΔT+CH1ΔH

[0032] Δv2＝CT2ΔT+CH2ΔH

[0033] 其中Δv1和Δν2分别是对湿度不敏感的单模光纤和对湿度敏感的单模光纤的布里渊频移随温度和湿度的变化量，CT1和CH1分别是对湿度不敏感的单模光纤的温度和湿度系数，CT2和CH2分别表示对湿度敏感的单模光纤的温度和湿度系数，ΔT和ΔH分别表示温度和湿度相对初值T0、H0的变化量；实际温度T和相对湿度H可通过T＝T0+ΔT,H＝H0+ΔH计算得到；

[0034] 3、通过检测各段单模光纤的布里渊频移Δν，结合步骤2的计算公式即可得到环境温度和湿度的大小。

[0035] 因此本发明通过所述传感光纤可同时获得大范围、高空间分辩率实时变化的温度和湿度信息。

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