一种基于W型光纤的低成本分布式传感装置的工作方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103162863 A (43)申请公布日 2013.06.19 CN 103162863 A *CN103162863A* (21)申请号 201110413196.3 (22)申请日 2011.12.11 G01K 11/32(2006.01) G01B 11/16(2006.01) G02B 6/036(2006.01) (71)申请人 西安金和光学科技有限公司 地址 710075 陕西省西安市高新区高新四路 丹枫国际 B 座 1501 室 (72)发明人 杜兵 (74)专利代理机构 西安创知专利事务所 61213 代理人 谭文琰 (54) 发明名称 一种基于 。

2、W 型光纤的低成本分布式传感装置 的工作方法 (57) 摘要 本发明公开了一种基于 W 型光纤的低成本分 布式传感装置， 包括控制模块、 光源模块一和光探 测器模块， 控制模块分别与光源模块一和光探测 器模块连接 ； 传感光纤是 W 型光纤， 其从中心到边 沿径向分布的、 依次包括纤芯、 包层一、 包层二和 包层三， 在包层三外侧是保护层 ； 12 光耦合器 一包含有两个互相不干扰的光信号传输通道， 其 中一个通道是导引所述的光源模块一发出的光信 号进入传感光纤的包层二内的通道一， 另一个是 导引传感光纤的纤芯内的反射光信号进入光探测 器模块的通道二。该基于 W 型光纤的低成本分布 式传感装置。

3、使用方便、 成本低， 且其工作方法容易 实现， 便于推广使用。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103162863 A CN 103162863 A *CN103162863A* 1/2 页 2 1. 一种基于 W 型光纤的低成本分布式传感装置， 其特征在于 ： 包括控制模块 (6)、 光源 模块一 (8) 和光探测器模块 (7)， 所述的光源模块一 (8) 和光探测器模块 (7) 与 12 光耦 合器一 (9) 的 2 口端连接。

4、， 12 光耦合器一 (9) 的 1 口端与传感光纤 (11) 连接， 控制模块 (6) 分别与光源模块一 (8) 和光探测器模块 (7) 连接 ； 所述的传感光纤 (11) 是 W 型光纤， 其从中心到边沿径向分布的、 依次包括纤芯 (1)、 包层一 (2)、 包层二 (3) 和包层三 (4)， 所 述的纤芯 (1) 的折射率大于包层一 (2) 的折射率， 包层二 (3) 的折射率大于包层一 (1) 和 包层三 (4) 的折射率， 在包层三 (4) 外侧是保护层 (5) ； 所述的 12 光耦合器一 (9) 包含 有两个互相不干扰的光信号传输通道， 其中一个通道是导引所述的光源模块一 (8)。

5、 发出的 光信号进入传感光纤 (11) 的包层二 (3) 内的通道一， 另一个是导引传感光纤 (11) 的纤芯 (1) 内的反射光信号进入光探测器模块 (7) 的通道二。 2. 根据权利要求 1 所述的一种基于 W 型光纤的低成本分布式传感装置， 其特征在于 ： 在所述的光探测器模块 (7) 和 12 光耦合器一 (9) 之间还安置有 12 光耦合器二 (12)， 12 光耦合器二 (12) 的 2 口的一端与光探测器模块 (7) 连接， 12 光耦合器二 (12) 的 2 口的另一端与光源模块二 (10) 连接， 12 光耦合器二 (12) 的 1 口端与 12 光耦合器一 (9) 的通道二。

6、的一端连接 ； 控制模块 (6) 与光源模块二 (10) 连接。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的一种基于 W 型光纤的低成本分布式传感装置， 其特征在 于 ： 所述的传感光纤的纤芯 (1) 和包层二 (3) 是掺杂有锗、 硼元素的石英玻璃。 4. 根据权利要求 1 或 2 所述的一种基于 W 型光纤的低成本分布式传感装置， 其特征在 于， 所述的传感光纤的包层一 (1) 是掺杂有氟元素的石英玻璃。 5. 根据权利要求 1 或 2 所述的一种基于 W 型光纤的低成本分布式传感装置， 其特征在 于， 所述的传感光纤的包层三 (4) 是高纯的石英玻璃。 6. 一种基于 W 型光纤的低成本分布。

7、式传感装置的工作方法， 其特征在于包括以下步 骤 ： 步骤 1、 控制模块 (6) 控制光源模块一 (8) 发出的光脉冲信号经过与 12 光耦合器一 (9) 的通道一进入传感光纤 (11) 的包层二 (3) ； 同时控制模块 (6) 控制光探测器模块 (7) 探测传感光纤 (11) 的纤芯 (1) 内返回的光信号 ； 步骤 2、 当传感光纤 (11) 上的一处发生变化， 如产生微弯、 弯曲或变形时， 传感光纤 (11) 的包层二 (3) 内传输的部分光信号耦合进入纤芯 (1) 内， 并产生后向的瑞利散射光信 号， 该后向的瑞利散射光信号通过12光耦合器一(9)的通道二进入光探测器模块(7)， 。

8、光 探测器模块 (7) 将获取的光信号转化为电信号传递给控制模块 (6) ； 步骤 3、 控制模块 (6) 根据光探测器模块 (7) 传递的电信号的大小和与光源模块一 (8) 发出的光脉冲信号的时间间隔， 计算出传感光纤 (11) 变化的大小和出光纤变化的位置， 从 而实现了分布式的监测。 7. 一种基于 W 型光纤的低成本分布式传感装置的工作方法， 其特征在于包括以下步 骤 ： 步骤 1、 控制模块 (6) 控制光源模块一 (8) 和光源模块二 (10) 同时发出的各自的光脉 冲信号分别经过与 12 光耦合器一 (9) 的通道一和通道二、 并分别进入传感光纤 (11) 的 包层二 (3) 和。

9、纤芯 (1) ； 同时控制模块 (6) 控制光探测器模块 (7) 探测传感光纤 (11) 的纤 芯 (1) 内返回的光信号 ； 权 利 要 求 书 CN 103162863 A 2 2/2 页 3 步骤 2、 在传感光纤 (11) 上未出现变化时， 光探测器模块 (7) 获取的是光源模块二 (10) 发出的光信号在传感光纤 (11) 纤芯 (1) 产生的后向瑞利散射光信号， 光探测器模块 (7) 将获取的光信号转化为电信号传递给控制模块 (6) ； 步骤 3、 控制模块 (6) 根据光探测器模块 (7) 传递的电信号判断传感光纤 (11) 是否出 现断裂的异常 ； 步骤 4、 当传感光纤 (1。

10、1) 上的一处发生变化， 如产生微弯、 弯曲或变形时， 传感光纤 (11) 的包层二 (3) 内传输的部分光信号耦合进入纤芯 (1) 内， 并产生后向的瑞利散射光信 号， 该后向的瑞利散射光信号汇同光源模块二(10)发出的光信号在传感光纤(11)的纤芯1 内产生的后向瑞利散射光信号通过12光耦合器一(9)的通道二和12光耦合器二(12) 进入光探测器模块 (7)， 光探测器模块 (7) 将获取的光信号转化为电信号传递给控制模块 (6) ； 步骤 5、 控制模块 (6) 根据光探测器模块 (7) 传递的电信号的大小和与光源模块一 (8) 发出的光脉冲信号的时间间隔， 计算出传感光纤 (11) 变。

11、化的大小和出光纤变化的位置， 从 而实现了分布式的监测。 权 利 要 求 书 CN 103162863 A 3 1/4 页 4 一种基于 W 型光纤的低成本分布式传感装置的工作方法 技术领域 0001 本发明涉及一种传感装置及其工作方法， 特别是涉及一种基于 W 型光纤的低成本 分布式传感装置的工作方法。 背景技术 0002 长距离的输油、 输水或输气管线由于工作效率高、 安全、 低成本的优点而被广泛使 用， 但对于长距离管线的监测目前没有合适的手段， 基于普通光纤的布里渊散射传感装置 具有分布式监测温度和应变的优点， 但其高昂的成本限制了其推广使用。 发明内容 0003 本发明的目的在于克服。

12、上述现有技术中的不足， 提供一种基于 W 型光纤的低成本 分布式传感装置的工作方法。该基于 W 型光纤的低成本分布式传感装置使用方便、 成本低， 具有较好的应用前景， 且其工作方法容易实现， 便于推广使用。 0004 为实现上述目的， 本发明采用的技术方案是 ： 一种基于 W 型光纤的低成本分布式 传感装置， 其特征在于 ： 包括控制模块、 光源模块一和光探测器模块， 所述的光源模块一和 光探测器模块与 12 光耦合器一的 2 口端连接， 12 光耦合器一的 1 口端与传感光纤连 接， 控制模块分别与光源模块一和光探测器模块连接 ； 所述的传感光纤是 W 型光纤， 其从中 心到边沿径向分布的、。

13、 依次包括纤芯、 包层一、 包层二和包层三， 所述的纤芯的折射率大于 包层一的折射率， 包层二的折射率大于包层一和包层三的折射率， 在包层三外侧是保护层 ； 所述的 12 光耦合器一包含有两个互相不干扰的光信号传输通道， 其中一个通道是导引 所述的光源模块一发出的光信号进入传感光纤的包层二 3 内的通道一， 另一个是导引传感 光纤的纤芯内的反射光信号进入光探测器模块的通道二。 0005 上述的一种基于 W 型光纤的低成本分布式传感装置， 其特征在于 ： 在所述的光探 测器模块和 12 光耦合器一之间还安置有 12 光耦合器二， 12 光耦合器二的 2 口的一 端与光探测器模块连接， 12 光耦。

14、合器二的 2 口的另一端与光源模块二连接， 12 光耦合 器二的 1 口端与 12 光耦合器一的通道二的一端连接 ； 控制模块与光源模块二连接。 0006 上述的一种基于 W 型光纤的低成本分布式传感装置， 其特征在于 ： 所述的传感光 纤的纤芯和包层二是掺杂有锗、 硼元素的石英玻璃。 0007 上述的一种基于 W 型光纤的低成本分布式传感装置， 其特征在于， 所述的传感光 纤的包层一是掺杂有氟元素的石英玻璃。 0008 上述的一种基于 W 型光纤的低成本分布式传感装置， 其特征在于， 所述的传感光 纤的包层三是高纯的石英玻璃。 0009 一种基于 W 型光纤的低成本分布式传感装置的工作方法，。

15、 其特征在于包括以下步 骤 ： 0010 步骤 1、 控制模块控制光源模块一发出的光脉冲信号经过与 12 光耦合器一的通 道一进入传感光纤的包层二 ； 同时控制模块控制光探测器模块探测传感光纤的纤芯内返回 说 明 书 CN 103162863 A 4 2/4 页 5 的光信号 ； 0011 步骤 2、 当传感光纤上的一处发生变化， 如产生微弯、 弯曲或变形时， 传感光纤的包 层二内传输的部分光信号耦合进入纤芯内， 并产生后向的瑞利散射光信号， 该后向的瑞利 散射光信号通过 12 光耦合器一的通道二进入光探测器模块， 光探测器模块将获取的光 信号转化为电信号传递给控制模块 ； 0012 步骤 3。

16、、 控制模块根据光探测器模块传递的电信号的大小和与光源模块一发出的 光脉冲信号的时间间隔， 计算出传感光纤变化的大小和出光纤变化的位置， 从而实现了分 布式的监测。 0013 一种基于 W 型光纤的低成本分布式传感装置的工作方法， 其特征在于包括以下步 骤 ： 0014 步骤 1、 控制模块控制光源模块一和光源模块二同时发出的各自的光脉冲信号分 别经过与 12 光耦合器一的通道一和通道二、 并分别进入传感光纤的包层二和纤芯 ； 同时 控制模块控制光探测器模块探测传感光纤的纤芯内返回的光信号 ； 0015 步骤 2、 在传感光纤上未出现变化时， 光探测器模块获取的是光源模块二发出的光 信号在传感。

17、光纤纤芯产生的后向瑞利散射光信号， 光探测器模块将获取的光信号转化为电 信号传递给控制模块 ； 0016 步骤 3、 控制模块根据光探测器模块传递的电信号判断传感光纤是否出现断裂的 异常 ； 0017 步骤 4、 当传感光纤上的一处发生变化， 如产生微弯、 弯曲或变形时， 传感光纤的包 层二内传输的部分光信号耦合进入纤芯内， 并产生后向的瑞利散射光信号， 该后向的瑞利 散射光信号汇同光源模块二发出的光信号在传感光纤的纤芯 1 内产生的后向瑞利散射光 信号通过 12 光耦合器一的通道二和 12 光耦合器二进入光探测器模块， 光探测器模块 将获取的光信号转化为电信号传递给控制模块 ； 0018 步。

18、骤 5、 控制模块根据光探测器模块传递的电信号的大小和与光源模块一发出的 光脉冲信号的时间间隔， 计算出传感光纤变化的大小和出光纤变化的位置， 从而实现了分 布式的监测。 0019 本发明与现有技术相比具有以下优点 ： 0020 1、 在本发明的基于 W 型光纤的传感装置中， 主要利用了 W 型光纤的双通道传输光 信号的特点， 通过监测 W 型光纤的纤芯的每处光信号的变化， 达到了分布式监测的目的， 较 目前市场上的布里渊散射监测装置具有成本低、 监测距离长、 精度高的特点， 具有良好的市 场前景。 0021 2、 由于 W 型光纤的具有良好的光信号束缚性， 使在传感光纤出现变化时， 如微弯、。

19、 弯曲、 变形等情况时。 在传感光纤内产生的光信号不会溢出至传感光纤外而损耗， 而只是在 包层二与纤芯内进行光信号的再分配， 从而保证了光信号的长距离传输， 达到长距离监测 的目的。 0022 3、 由于 W 型光纤的包层二的有效面积远大于纤芯的有效面积， 从而可以在包层二 内注入大功率的光脉冲信号， 从而可以增加监测的长度。 0023 综上所述， 本发明的基于 W 型光纤的低成本分布式传感装置具有结构简单、 成本 低、 监测距离长， 可用于实现分布式监测传感的目的， 具有较好的市场前景。 说 明 书 CN 103162863 A 5 3/4 页 6 0024 下面通过附图和实施例， 对本发明。

20、的技术方案做进一步的详细描述。 附图说明 0025 图 1 为本发明实施例 1 的结构示意图。 0026 图 2 为本发明中 W 型光纤的横截面的结构示意图。 0027 图 3 为本发明 W 型光纤径向的折射率分布的结构示意图。 0028 图 4 为本发明实施例 2 的结构示意图。 0029 附图标记说明 ： 0030 1- 纤芯 ； 2- 包层一 ； 3- 包层二 ； 0031 4- 包层三 ； 5- 保护层 ； 6- 控制模块 ； 0032 7- 光探测器模块 ； 8- 光源模块一 ； 9-12 光耦合器一 ； 0033 10- 光源模块二 ； 11- 传感光纤 ； 12-12 光耦合器二。

21、。 具体实施方式 0034 实施例 1 0035 如图 1、 图 2、 图 3 所示的一种基于 W 型光纤的低成本分布式传感装置， 包括控制模 块 6、 光源模块一 8 和光探测器模块 7， 所述的光源模块一 8 和光探测器模块 7 与 12 光耦 合器一 9 的 2 口端连接， 12 光耦合器一 9 的 1 口端与传感光纤 11 连接， 控制模块 6 分别 与光源模块一 8 和光探测器模块 7 连接 ； 所述的传感光纤 11 是 W 型光纤， 其从中心到边沿 径向分布的、 依次包括纤芯1、 包层一2、 包层二3和包层三4， 所述的纤芯1的折射率大于包 层一 2 的折射率， 包层二 3 的折射。

22、率大于包层一 1 和包层三 4 的折射率， 在包层三 4 外侧是 保护层 5 ； 所述的 12 光耦合器一 9 包含有两个互相不干扰的光信号传输通道， 其中一个 通道是导引所述的光源模块一 8 发出的光信号进入传感光纤 11 的包层二 3 内的通道一， 另 一个是导引传感光纤 11 的纤芯 1 内的反射光信号进入光探测器模块 7 的通道二。 0036 一种基于 W 型光纤的低成本分布式传感装置的工作步骤， 步骤如下 ： 0037 步骤 1、 控制模块 6 控制光源模块一 8 发出的光脉冲信号经过与 12 光耦合器一 9 的通道一进入传感光纤 11 的包层二 3 ； 同时控制模块 6 控制光探测。

23、器模块 7 探测传感光 纤 11 的纤芯 1 内返回的光信号 ； 0038 步骤 2、 当传感光纤 11 上的一处发生变化， 如产生微弯、 弯曲或变形时， 传感光纤 11的包层二3内传输的部分光信号耦合进入纤芯1内， 并产生后向的瑞利散射光信号， 该后 向的瑞利散射光信号通过 12 光耦合器一 9 的通道二进入光探测器模块 7， 光探测器模块 7 将获取的光信号转化为电信号传递给控制模块 6 ； 0039 步骤3、 控制模块6根据光探测器模块7传递的电信号的大小和与光源模块一8发 出的光脉冲信号的时间间隔， 计算出传感光纤 11 变化的大小和出光纤变化的位置， 从而实 现了分布式的监测。 00。

24、40 优选的， 所述的传感光纤 11 的纤芯 1 和包层二 3 是掺杂有锗、 硼元素的石英玻璃。 0041 优选的， 所述的传感光纤 11 的包层一 2 是掺杂有氟元素的石英玻璃。 0042 优选的， 所述的传感光纤 11 的包层三 4 是高纯的石英玻璃。 0043 优选的， 所述的传感光纤 11 的纤芯 1 的折射率较包层一 2 的折射率高出 0.3。 说 明 书 CN 103162863 A 6 4/4 页 7 0044 优选的， 所述的传感光纤11的包层二3的折射率较包层一2的折射率高出0.1， 所述的包层二 3 的折射率较包层三 4 的折射率高出 0.3。 0045 如图 4 所示， 。

25、本实施例与实施例 1 不同的是 ： 在所述的光探测器模块 7 和 12 光 耦合器一 9 之间还安置有 12 光耦合器二 12， 12 光耦合器二 12 的 2 口的一端与光探测 器模块 7 连接， 12 光耦合器二 12 的 2 口的另一端与光源模块二 10 连接， 12 光耦合器 二 12 的 1 口端与 12 光耦合器一 9 的通道二的一端连接 ； 控制模块 6 与光源模块二 10 连 接。 0046 一种基于 W 型光纤的低成本分布式传感装置的工作步骤， 步骤如下 ： 0047 步骤 1、 控制模块 6 控制光源模块一 8 和光源模块二 10 同时发出的各自的光脉冲 信号分别经过与 1。

26、2 光耦合器一 9 的通道一和通道二、 并分别进入传感光纤 11 的包层二 3 和纤芯 1 ； 同时控制模块 6 控制光探测器模块 7 探测传感光纤 11 的纤芯 1 内返回的光信 号 ； 0048 步骤 2、 在传感光纤 11 上未出现变化时， 光探测器模块 7 获取的是光源模块二 10 发出的光信号在传感光纤 11 纤芯 1 产生的后向瑞利散射光信号， 光探测器模块 7 将获取的 光信号转化为电信号传递给控制模块 6 ； 0049 步骤 3、 控制模块 6 根据光探测器模块 7 传递的电信号判断传感光纤 11 是否出现 断裂的异常 ； 0050 步骤 4、 当传感光纤 11 上的一处发生变。

27、化， 如产生微弯、 弯曲或变形时， 传感光纤 11的包层二3内传输的部分光信号耦合进入纤芯1内， 并产生后向的瑞利散射光信号， 该后 向的瑞利散射光信号汇同光源模块二 10 发出的光信号在传感光纤 11 的纤芯 1 内产生的后 向瑞利散射光信号通过 12 光耦合器一 9 的通道二和 12 光耦合器二 12 进入光探测器 模块 7， 光探测器模块 7 将获取的光信号转化为电信号传递给控制模块 6 ； 0051 步骤5、 控制模块6根据光探测器模块7传递的电信号的大小和与光源模块一8发 出的光脉冲信号的时间间隔， 计算出传感光纤 11 变化的大小和出光纤变化的位置， 从而实 现了分布式的监测。 0052 优选的， 所述的光源模块一 8 和光源模块二 10 所发出的光信号的波长不同。 0053 以上所述， 仅是本发明的较佳实施例， 并非对本发明作任何限制， 凡是根据本发明 技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、 变更以及等效结构变换， 均仍属于本发明技 术方案的保护范围内。 说 明 书 CN 103162863 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103162863 A 8 2/2 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103162863 A 9 。