專(zhuān)利名稱(chēng)：基于光時(shí)域反射技術(shù)的拉錐傳感光纖折射率多點(diǎn)檢測(cè)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于光時(shí)域反射技術(shù)的拉錐傳感光纖折射率多點(diǎn)檢測(cè)方法及裝置。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)技術(shù)發(fā)展，由于工廠對(duì)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢液、廢氣、廢渣等污染源沒(méi)有采取有效的清理措施，人們的生活環(huán)境遭到了嚴(yán)重破壞。近年來(lái)頻繁的爆發(fā)瓦斯爆炸、煤氣中毒、事物中毒和有毒化工原料泄露等事件引起了國(guó)家的高度重視，所以國(guó)家積極鼓勵(lì)有關(guān)的傳感檢測(cè)技術(shù)的研究。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)各科學(xué)院和企業(yè)的人力、財(cái)力的投入，國(guó)家在礦井安全、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、食品安全檢測(cè)、化學(xué)分析等領(lǐng)域已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。光纖傳感技術(shù)是以光波為載體，光纖為傳輸介質(zhì)或者作為傳感兀件的一種新型傳感技術(shù)。在生化傳感和檢測(cè)領(lǐng)域中，物質(zhì)的折射率(Reflection Index, RI)是一個(gè)與物質(zhì)的光學(xué)性能、濃度、成分以及色散等性質(zhì)密切相關(guān)的重要物理參數(shù)，通過(guò)對(duì)樣品折射率的測(cè)量，利用折射率與物質(zhì)濃度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系便可換算出樣品的濃度，這對(duì)于生化領(lǐng)域具有十分重要的意義。通常折射率測(cè)量方法有牛頓環(huán)法、衍射光柵法和基于全反射原理的阿貝折射儀測(cè)量法等，這些測(cè)量方法雖然測(cè)量精度高，但是操作相對(duì)復(fù)雜，在測(cè)量時(shí)需要先取樣再測(cè)量，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且這些檢測(cè)方法所需的儀器體積偏大，且大多只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)測(cè)量，無(wú)法適用于惡劣的檢測(cè)環(huán)境，這些缺點(diǎn)大大地限制了這些檢測(cè)方法的實(shí)際應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，出現(xiàn)了一些基于光纖表面等離子體型和光纖干涉儀等的測(cè)量折射率方法，雖然這些方法打破了惡劣的環(huán)境對(duì)于測(cè)量的限制，但是這些方法實(shí)現(xiàn)的大多也只是單點(diǎn)的測(cè)量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的多點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。拉錐光纖是利用拉錐腐蝕等方法將常規(guī)光纖拉制成直徑比較小的光纖。拉錐光纖的錐區(qū)是一個(gè)倏逝場(chǎng)，光在錐區(qū)傳輸時(shí)，光的強(qiáng)度會(huì)對(duì)其周?chē)恼凵渎拭舾?，不同的外部介質(zhì)折射率將會(huì)引起不同的損耗，這個(gè)損耗的變化大小與外部介質(zhì)折射率的變化大小成比例關(guān)系，因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部介質(zhì)折射率的檢測(cè)。光通信領(lǐng)域中光時(shí)域反射技術(shù)是利用激光器發(fā)射具有一定寬度和重復(fù)周期的窄光脈沖進(jìn)入被測(cè)光纖，在入射端檢測(cè)后向散射信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)后向散射信號(hào)沿時(shí)間軸的幅度曲線(xiàn)可以得到被測(cè)光纖鏈路的損耗、熔接點(diǎn)和斷點(diǎn)等分布。針對(duì)現(xiàn)有折射率檢測(cè)技術(shù)中不易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量的問(wèn)題，我們提出了一種基于光時(shí)域反射技術(shù)的拉錐傳感光纖折射率多點(diǎn)檢測(cè)方法，并提供了實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)折射率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)距離的傳感。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中不易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量和遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作、可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、遠(yuǎn)距離及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的基于光時(shí)域反射技術(shù)的拉錐傳感光纖折射率多點(diǎn)檢測(cè)方法，以及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。本發(fā)明的方法包括以下步驟:步驟(I)選擇一個(gè)激光二極管、一個(gè)光脈沖調(diào)制器、一個(gè)光電探測(cè)器、一個(gè)1X2光耦合器、一根長(zhǎng)距離傳輸光纖、多根拉錐傳感光纖、一個(gè)由數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成的硬件系統(tǒng)、一個(gè)由數(shù)據(jù)采集累加卡控制和數(shù)據(jù)采集程序、保存和管理的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和顯示的軟件平臺(tái)；步驟(2)將激光二極管發(fā)出的光經(jīng)由光脈沖調(diào)制器調(diào)制后接入到1X2光耦合器具有兩個(gè)端口一側(cè)的第一端口，1X2光稱(chēng)合器另一側(cè)的端口接長(zhǎng)距離傳輸光纖,并在傳輸光纖不同距離的傳感位置上嵌入熔接一根拉錐傳感光纖，傳輸光纖及拉錐傳感光纖產(chǎn)生的后向散射信號(hào)通過(guò)IX 2光耦合器具有兩個(gè)端口 一側(cè)的第二端口經(jīng)光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后將信息傳遞給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并由軟件將信號(hào)經(jīng)行處理，最后顯示后向散射信號(hào)沿距離的幅度曲線(xiàn)；步驟(3)將熔接有多根拉錐傳感光纖的傳輸光纖鋪設(shè)到待檢測(cè)區(qū)域中，使拉錐傳感光纖的位置與待檢測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，光在傳輸過(guò)程中經(jīng)過(guò)拉錐傳感光纖，由于拉錐傳感光纖周?chē)凵渎实牟煌鸸饫w鏈路中傳輸?shù)墓饷}沖及其后向散射光在此處的損耗大小也不同，且這個(gè)損耗大小與拉錐傳感光纖周?chē)橘|(zhì)的折射率大小成比例，因此鏈路散射信號(hào)強(qiáng)度隨傳輸距離的曲線(xiàn)在傳感點(diǎn)處階躍幅度的大小與拉錐傳感光纖周?chē)恼凵渎蚀笮∠鄬?duì)應(yīng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)散射信號(hào)曲線(xiàn)在傳感點(diǎn)處的階躍幅度大小實(shí)現(xiàn)對(duì)折射率長(zhǎng)距離多點(diǎn)的傳感。本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題所采取的裝置:其特征在于包括了一個(gè)激光二極管、一個(gè)光脈沖調(diào)制器、一個(gè)光電探測(cè)器、一個(gè)1X2光耦合器、一根長(zhǎng)距離傳輸光纖、多根拉錐傳感光纖、一個(gè)由數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成的硬件系統(tǒng)、一個(gè)由數(shù)據(jù)采集累加卡控制和數(shù)據(jù)采集程序、保存和管理的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和顯示的軟件平臺(tái)；激光二極管發(fā)出的光通過(guò)光脈沖調(diào)制器，能夠輸出脈沖寬度和頻率可調(diào)節(jié)的光脈沖，再連接至1X2光耦合器具有兩個(gè)端口一側(cè)的第一個(gè)端口上；1X2光耦合器的另一側(cè)的端口連接到傳輸光纖的一端，在傳輸光纖上多個(gè)分布監(jiān)測(cè)點(diǎn)處分別嵌入熔接有一根拉錐傳感光纖；IX 2光耦合器具有兩個(gè)端口 一側(cè)的第二個(gè)端口連接至光電探測(cè)器；光電探測(cè)器的數(shù)據(jù)輸出端連接入信號(hào)采集系統(tǒng)，信號(hào)最后經(jīng)過(guò)軟件處理后由顯示器顯示。本發(fā)明所具有的有益效果為:1、本發(fā)明利用在傳輸光纖上多個(gè)分布監(jiān)測(cè)點(diǎn)處點(diǎn)分別嵌入熔接一根拉錐傳感光纖與光時(shí)域反射技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了折射率的長(zhǎng)距離、多點(diǎn)和實(shí)時(shí)檢測(cè)功能。2、本發(fā)明利用不同折射率對(duì)拉錐傳感光纖的波導(dǎo)特性的影響，通過(guò)光波在拉錐傳感光纖中傳輸損耗大小的變化，并實(shí)時(shí)在顯示器上顯示，通過(guò)對(duì)照光波損耗與傳感點(diǎn)處介質(zhì)折射率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以同時(shí)得到多個(gè)待測(cè)點(diǎn)的折射率。
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明中拉錐傳感光纖的示意圖。
圖3為本發(fā)明具體實(shí)例的檢測(cè)結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明進(jìn)一步描述。如圖1所示，準(zhǔn)分布折射率傳感裝置包括一個(gè)激光二極管1、一個(gè)光脈沖調(diào)制器
2、一個(gè)光電探測(cè)器6、一個(gè)1X2光耦合器3、一根長(zhǎng)距離傳輸光纖4、多根拉錐傳感光纖5、一個(gè)由數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成的硬件系統(tǒng)7、一個(gè)由數(shù)據(jù)采集累加卡控制和數(shù)據(jù)采集程序、保存和管理的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和顯示的軟件平臺(tái)8。激光二極管I出射光通過(guò)光脈沖調(diào)制器2調(diào)制，輸出脈沖寬度和頻率可調(diào)節(jié)的光脈沖，再連接至1X2光耦合器3具有兩個(gè)端口一側(cè)的第一個(gè)端上；1 X 2光耦合器3另一側(cè)的端口連接到傳輸光纖4的一端，在傳輸光纖上多個(gè)分布監(jiān)測(cè)點(diǎn)處分別嵌入熔接有一根拉錐傳感光纖5，拉錐傳感光纖5結(jié)構(gòu)示意圖如圖2，其是由單模光纖拉錐至錐腰區(qū)9直徑約為65 μ m，兩段過(guò)渡區(qū)10之間長(zhǎng)度約為525 μ m ;1 X 2光耦合器3具有兩個(gè)端口 一側(cè)的第二端口連接至光電探測(cè)器6 ;光電探測(cè)器6連接入信號(hào)采集的硬件系統(tǒng)7，信號(hào)最后經(jīng)過(guò)軟件系統(tǒng)8處理后顯示。本發(fā)明裝置的工作方式為:激光二極管I出射光通過(guò)光調(diào)制器2后輸出光脈沖，光脈沖進(jìn)入傳輸光纖4中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸,光脈沖傳播過(guò)程中在傳輸光纖4每一個(gè)位置都會(huì)產(chǎn)生后向散射，光脈沖及其后向散射信號(hào)在被測(cè)區(qū)域內(nèi)傳輸經(jīng)過(guò)分布在傳輸光纖4上的多個(gè)拉錐傳感光纖5，由于拉錐傳感光纖5周?chē)煌凵渎实挠绊?，?dǎo)致光脈沖及其后向散射信號(hào)在此處的光強(qiáng)衰減程度大小不同，從而經(jīng)過(guò)硬件采集系統(tǒng)7及軟件系統(tǒng)8處理后顯示后向散射信號(hào)光強(qiáng)隨距離的曲線(xiàn)在待測(cè)點(diǎn)上階躍的大小不同。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離折射率多點(diǎn)傳感的關(guān)鍵技術(shù)為:利用光時(shí)域反技術(shù)能夠在遠(yuǎn)距離對(duì)各點(diǎn)后向散射光光強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)；利用在傳輸光纖不同距離處分別布置一根拉錐傳感光纖將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在距離上進(jìn)行分辨，達(dá)到多點(diǎn)檢測(cè)的功能，并在光強(qiáng)隨距離的曲線(xiàn)圖上實(shí)時(shí)顯示。本實(shí)施例中的激光二極管選擇型號(hào)為JKY/M066，輸出光波長(zhǎng)為1550nm，由光脈沖調(diào)制器設(shè)置最后輸出光脈沖的脈沖寬度50nm,頻率為30kHz ;傳輸光纖為G.652單模光纖，長(zhǎng)度30km ;拉錐傳感光纖錐腰處直徑為65 μ m,長(zhǎng)度為525 μ m,選擇五根拉錐傳感光纖分別布置在傳輸光纖的10km、14km、18km、22km以及26km處；選擇光電探測(cè)器是具有單模光纖耦合的InGaAs ATO光電探測(cè)器。五根拉錐傳感光纖分別放置于折射率分別為1.3352、
1.3424,1.3510,1.3609,1.3708的NaCl溶液中，待測(cè)區(qū)域折射率為1.3352，顯示器上顯示該傳感位置處的損耗光強(qiáng)為2.3dB ;待測(cè)區(qū)域折射率為1.3424，顯示器上顯示該傳感位置處的損耗光強(qiáng)為1.9dB ;待測(cè)區(qū)域折射率為1.3510，顯示器上顯示該傳感位置處的損耗光強(qiáng)為1.7dB ;待測(cè)區(qū)域折射率為1.3609，顯示器上顯示該傳感位置處的損耗光強(qiáng)為1.5dB。待測(cè)區(qū)域折射率為1.3708，顯示器上顯示該傳感位置處的損耗光強(qiáng)為1.2dB，其結(jié)果示意圖如圖3。通過(guò)拉錐傳感光纖損耗光強(qiáng)的大小，可以測(cè)得不同的介質(zhì)折射率，從而實(shí)現(xiàn)了折射率的遠(yuǎn)距離多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
權(quán)利要求
1.基于光時(shí)域反射技術(shù)的拉錐傳感光纖折射率多點(diǎn)檢測(cè)方法，其特征在于該方法包括如下步驟: 步驟(I)選擇一個(gè)激光二極管、一個(gè)光脈沖調(diào)制器、一個(gè)光電探測(cè)器、一個(gè)1X2光耦合器、一根長(zhǎng)距離傳輸光纖、多根拉錐傳感光纖、一個(gè)由數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成的硬件系統(tǒng)、一個(gè)由數(shù)據(jù)采集累加卡控制和數(shù)據(jù)采集程序、保存和管理的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和顯示的軟件平臺(tái)； 步驟(2)將激光二極管發(fā)出的光經(jīng)由光脈沖調(diào)制器調(diào)制后接入到1X2光耦合器具有兩個(gè)端口一側(cè)的第一端口，I X 2光稱(chēng)合器另一側(cè)的端口接長(zhǎng)距離傳輸光纖，并在傳輸光纖不同距離的傳感位置上嵌入熔接一根拉錐傳感光纖，傳輸光纖及拉錐傳感光纖產(chǎn)生的后向散射信號(hào)通過(guò)IX 2光耦合器具有兩個(gè)端口一側(cè)的第二端口經(jīng)光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后將信息傳遞給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并由軟件將信號(hào)經(jīng)行處理，最后顯示后向散射信號(hào)沿距離的幅度曲線(xiàn)； 步驟(3)將熔接有多根拉錐傳感光纖的傳輸光纖鋪設(shè)到待檢測(cè)區(qū)域中，使拉錐傳感光纖的位置與待檢測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，光在傳輸過(guò)程中經(jīng)過(guò)拉錐傳感光纖，由于拉錐傳感光纖周?chē)凵渎实牟煌?，引起光纖鏈路中傳輸?shù)墓饷}沖及其后向散射光在此處的損耗大小也不同，且這個(gè)損耗大小與拉錐傳感光纖周?chē)橘|(zhì)的折射率大小成比例，因此鏈路散射信號(hào)強(qiáng)度隨傳輸距離的曲線(xiàn)在傳感點(diǎn)處階躍幅度的大小與拉錐傳感光纖周?chē)恼凵渎蚀笮∠鄬?duì)應(yīng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)散射信號(hào)曲線(xiàn)在傳感點(diǎn)處的階躍幅度大小實(shí)現(xiàn)對(duì)折射率長(zhǎng)距離多點(diǎn)的傳感。
2.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的裝置，其特征在于包括了一個(gè)激光二極管、一個(gè)光脈沖調(diào)制器、一個(gè)光電探測(cè)器、一個(gè)1X2光耦合器、一根長(zhǎng)距離傳輸光纖、多根拉錐傳感光纖、一個(gè)由數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成的硬件系統(tǒng)、一個(gè)由數(shù)據(jù)采集累加卡控制和數(shù)據(jù)采集程序、保存和管理的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和顯示的軟件平臺(tái)；激光二極管發(fā)出的光通過(guò)光脈沖調(diào)制器，能夠輸出脈沖寬度和頻率可調(diào)節(jié)的光脈沖，再連接至1X2光耦合器具有兩個(gè)端口一側(cè)的第一個(gè)端口上；IX2光耦合器的另一側(cè)的端口連接到傳輸光纖的一端，在傳輸光纖上多個(gè)分布監(jiān)測(cè)點(diǎn)處分別嵌入熔接有一根拉錐傳感光纖；1X2光耦合器具有兩個(gè)端口一側(cè)的第二個(gè)端口連接至光電探測(cè)器；光電探測(cè)器的數(shù)據(jù)輸出端連接入信號(hào)采集系統(tǒng)，信號(hào)最后經(jīng)過(guò)軟件處理后由顯示器顯示。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于光時(shí)域反射技術(shù)的拉錐傳感光纖折射率多點(diǎn)檢測(cè)方法及裝置。將激光二極管發(fā)出的光經(jīng)由光脈沖調(diào)制器調(diào)制后接入到1×2光耦合器具有兩個(gè)端口一側(cè)的第一端口，1×2光耦合器另一側(cè)的端口接一根分布多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處嵌入熔接有拉錐傳感光纖的長(zhǎng)距離傳輸光纖，傳輸光纖及拉錐傳感光纖產(chǎn)生的后向散射信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)器后將信息傳遞給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并由軟件將信號(hào)經(jīng)行處理，最后顯示后向散射信號(hào)沿距離的幅度曲線(xiàn)，后向散射信號(hào)沿距離的幅度曲線(xiàn)在傳感點(diǎn)處階躍幅度的大小與拉錐傳感光纖周?chē)恼凵渎蚀笮∠鄬?duì)應(yīng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)散射信號(hào)曲線(xiàn)在傳感點(diǎn)處的階躍幅度大小實(shí)現(xiàn)對(duì)折射率長(zhǎng)距離多點(diǎn)的傳感。本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中不易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量和遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作、可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、遠(yuǎn)距離及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的基于光時(shí)域反射技術(shù)的拉錐傳感光纖折射率多點(diǎn)檢測(cè)方法，以及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。
文檔編號(hào)G01N21/41GK103115895SQ20131002720
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月21日
發(fā)明者趙春柳, 袁劍英, 倪凱 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院