本发明属于光学领域，涉及基于布里渊动态光栅技术的流体静压强传感器及其系统测 试与使用方法。

在现今工业水平飞速提高以及生产方式不断发展的大背景下，人们对生产环境的健康 监测提出了越来越高的要求，这其中对于流体环境中的压强监测是目前最受关注的研究方 向之一，因此，对于高灵敏度分布式的流体静压强传感器的研究具有很高的研究价值以及 实用价值。相对于其他传统的流体静压强传感器而言，光纤流体静压强传感器具有诸多独 特的优点：首先，采用光纤传感技术可以做到有效防止电磁干扰，相较普通电学传感器能 够获得更精确的测量结果；其次，由于光纤既作为传感器件又作为信号传输信道，以光信 号作为传输信号，可以有效降低应用成本，提高传输速度；再者，由于光纤本身的尺寸小， 因而光纤流体静压强传感器普遍具有小型化的特点，能够应用于更多普通流体静压强传感 器难以探测的工作环境。

目前，广泛采用的光纤测量仪器主要有基于光纤布拉格光栅技术的流体静压强传感器。 这种传感器是通过测量光谱中心波长的移动量来定量测量外界流体环境静压强的变化， 2012年，StephenJ等人在Sensors上发表了关于利用光纤布拉格光栅探测特殊环境的文章 (StephenJ.Mihailov.FiberBraggGratingSensorsforHarshEnvironments[J]. Sensors,2012:1898-1918)。但是，光纤布拉格光栅的带宽受到本身刻蚀结构的影响，比外部 流体环境静压强造成的频移大得多，降低了测量精度。另外一种广泛应用的测量方式是利 用光纤微加工的方式在光纤上刻蚀微结构，制作光纤微结构流体静压强传感器，2015年， W.Talataisong等人通过在光纤上刻蚀微空腔制作了高灵敏度的高压传感器(W. Talataisong.,D.N.Wang.,R.Chitaree.,C.R.Liao.,etal.Fiberin-lineMach–Zehnder interferometerbasedonaninnerair-cavityforhigh-pressuresensing[J].OpticsLetters,2015, 40(7):1220-1222)。这种方式确实具有很高的传感灵敏度，但是这种传感器属于点式传感器， 只能进行短范围内定点测量局部的流体环境静压强大小，此外，光纤微加工难度较大，因 此这种传感器的成本相对而言比较高。

本发明目的是为了解决现有流体静压强传感器精度低的问题，提供了一种高灵敏度分 布式的流体静压强传感器，并且提供出利用该传感器进行测量流体环境压强的方法。

这种传感器主要工作原理是：外界流体环境静压强的变化会在光纤各个径向产生大小 不一致的应变，由于弹光效应光纤的折射率分布会因此发生变化，从而引起光纤双折射的 变化。由于布里渊动态光栅对于光纤双折射的变化具有很强的敏感性，因此通过在传感光 纤中激发和探测布里渊动态光栅测量光纤双折射频移的变化，得到光纤双折射的变化，从 而解调出光纤受到的外界流体环境静压强变化的位置与大小。这种传感器具有高灵敏性和 高空间分辨率分布式的特点，可以有效地探测到光纤某一局部受到的外界流体环境静压强 变化。

结合上述传感器而提出的测量方法主要是：将传感光纤待测部分置于特殊的压力容器 内，其余部分置于压力容器外，压力容器结构见附图，将压力容器两侧加塞密封，同时将 压力泵和真空泵连接于压力容器另外两个出口，通过调节压力泵和真空泵改变压力容器内 部压强进而改变传感光纤所受径向压力，通过测量传感光纤双折射频移变化来获取传感光 纤外界流体环境静压强变化信息。

本发明所述高灵敏度分布式的流体静压强传感器包括四个方案：

第一个方案：所述高灵敏度分布式的流体静压强传感器包括第一可调谐激光器模块、 第二可调谐激光器模块、传感光纤、偏振分束器、光电探测器、光纤环形器、数据采集卡 和第三可调谐激光器模块；

第一可调谐激光器模块输出频率为ν0的连续激光，该束激光为偏振态与传感光纤的x 轴一致的单偏振态连续激光，该束激光注入传感光纤的+x轴；

第二可调谐激光器模块输出频率为ν1的连续激光，该束激光为偏振态与传感光纤的x 轴一致的单偏振态连续激光，且频率ν0与ν1之间相差一个光纤布里渊频移ΔνB，即 |ν1-ν0|＝ΔνB；将ν1频率激光输入偏振分束器的x轴端口，然后从偏振分束器的合束端口 输出并注入传感光纤的-x轴；

从+x轴、-x轴相对方向注入传感光纤的两束激光在光纤中发生受激布里渊散射现象， 形成布里渊动态光栅；

第三可调谐激光器模块输出的频率为ν2的脉冲光，ν2满足条件ν2-ν1＝ΔνBire，ν2与 ν1之间的频差相差一个光纤的双折射频移ΔνBire，该束激光为偏振态与传感光纤的y轴一 致的激光，该束脉冲光经过光纤环形器的1端口注入，由2端口射出，进入偏振分束器的 y轴端口，从偏振分束器合束端口出来的ν2脉冲光注入传感光纤的y轴；

频率为ν2的脉冲光读取频率ν0与ν1两束激光在传感光纤中所形成的布里渊动态光栅 的信息；布里渊动态光栅将ν2脉冲光反射，被反射的ν2脉冲光由偏振分束器的y轴端口 出射，进入光纤环形器的2端口，从光纤环形器的3端口出射，被光电探测器接收到，之 后探测数据被数据采集卡采集到并保存；

数据采集卡的采集频率与ν2脉冲光的频率同步；数据采集卡将采集反射光强的时域 信号处理得到对应的每一个点的双折射频移信号，进而获取光纤上的压强信息。

第二个方案：在第一个方案基础上增加了信号发生器、电光调制器，且第三可调谐激 光器发出的频率为ν2的连续激光，而不是脉冲光。

所述高灵敏度分布式的流体静压强传感器，它包括第一可调谐激光器模块、第二可调 谐激光器模块、传感光纤、偏振分束器、光电探测器、光纤环形器、数据采集卡、信号发 生器、电光调制器和第三可调谐激光器模块；

第一可调谐激光器模块输出频率为ν0的连续激光，该束激光为偏振态与传感光纤的x 轴一致的单偏振态连续激光，该束激光注入传感光纤的+x轴；

第二可调谐激光器模块输出频率为ν1的连续激光，该束激光为偏振态与传感光纤的x 轴一致的单偏振态连续激光，且频率ν0与ν1之间相差一个光纤布里渊频移ΔνB，即 |ν1-ν0|＝ΔνB；将ν1频率激光输入偏振分束器的x轴端口，然后从偏振分束器的合束端口 输出并注入传感光纤的-x轴；

从+x轴、-x轴相对方向注入传感光纤的两束激光在光纤中发生受激布里渊散射现象， 形成布里渊动态光栅；

第三可调谐激光器模块输出的频率为ν2的连续激光，ν2满足条件ν2-ν1＝ΔνBire，ν2 与ν1之间的频差相差一个光纤的双折射频移ΔνBire，该束激光为偏振态与传感光纤的y轴 一致的连续激光，该束激光进入被信号发生器调制的电光调制器中；电光调制器将频率为 ν2的连续光调制成频率为ν2的脉冲光，频率为ν2的脉冲光经过光纤环形器的1端口注入， 由2端口射出，进入偏振分束器的y轴端口，从偏振分束器合束端口出来的ν2脉冲光注 入传感光纤的y轴；

频率为ν2的脉冲光读取频率ν0与ν1两束激光在传感光纤中所形成的布里渊动态光栅 的信息；布里渊动态光栅将ν2脉冲光反射，被反射的ν2脉冲光由偏振分束器的y轴端口 出射，进入光纤环形器的2端口，从光纤环形器的3端口出射，被光电探测器接收到，之 后探测数据被数据采集卡采集到并保存；

数据采集卡的工作触发信号由信号发生器同步提供；数据采集卡将采集反射光强的时 域信号处理得到对应的每一个点的双折射频移信号，进而获取光纤上的压强信息。

第三个方案：第一、二技术方案中的第一可调谐激光器模块和第二可调谐激光器模块 采用一台激光器代替，所述激光器采用微波调制的方式形成两束频率ν0与ν1的激光，两 束激光频率之间相差一个光纤布里渊频移ΔνB。

第四个方案：采用上述三个所述高灵敏度分布式的流体静压强传感器进行流体环境压 强测量，该方法涉及的实验装置包括第一压力容器、第二压力容器、压力泵、真空泵、压 强计、第一限压阀、第二限压阀、第三限压阀、第四限压阀、泄压阀、左端密封塞和右端 密封塞；第一压力容器和第二压力容器平行、连通设置，中间的连通管上设置有第二限压 阀；第一压力容器的两端口分别由左端密封塞和右端密封塞进行密封，第一压力容器的管 壁上还设置有泄压阀；第二压力容器左端口设置有给压力容器施加压力的压力泵，左端口 管路上设置有第一限压阀，第二压力容器右端口设置有压强计，右端口管路上设置有第四 限压阀，第二压力容器的管壁支出管路上设置有第三限压阀，且该支出管路端口设置有抽 出液体的真空泵；

该方法包括以下步骤：

步骤一，利用注射器针头扎穿左端密封塞，将传感光纤从针孔穿过，拔出针头，左端 密封塞自然收紧将传感光纤夹紧；

步骤二，将传感光纤放入第二压力容器，利用步骤一的方法让传感光纤穿过右端密封 塞；

步骤三，利用左端密封塞和右端密封塞将第二压力容器密封起来，调节传感光纤在压 力容器内的长度，使其在压力容器内保持自然拉紧状态；

步骤四，将传感光纤所在的流体静压强传感器调试至正常工作状态；

步骤五，关闭第二限压阀，测量一组常压下的传感光纤双折射频移信号，作为基准信 号；

步骤六，打开第一限压阀、第二限压阀、第三限压阀、第四限压阀，调节压力泵和真 空泵改变第一压力容器和第二压力容器内流体环境静压强，通过压强计读出第一压力容器 和第二压力容器内流体环境静压强，关闭第一限压阀和第三限压阀，维持第一压力容器和 第二压力容器内流体环境静压强，测量一组在该气压下的传感光纤双折射频移信号；

步骤七，重复步骤六获得多组不同气压条件下的传感光纤双折射频移信号，与步骤五 获得的基准信号作差，获得不同气压条件下的传感光纤双折射频移变化差值；

步骤八，从步骤七获得的差值信号中找出变化幅值最大的一点，将其在不同气压条件 下获得的差值信号与对应的气压值作拟合曲线，计算得到光纤气压传感器的传感灵敏度。

本发明的优点：

1、本专利提出一种高灵敏度、分布式流体静压强传感器，这种传感器是基于布里渊 动态光栅技术。这种传感器对传感光纤外部受到的外界流体环境静压强变化引起的光纤双 折射频移变化具有很高的灵敏性，可以实现高灵敏性、高精度的流体环境静压强测量。

2、这种传感器具有分布式测量的优点，可以同时测量很长距离范围内多位置的流体 环境静压强。

3、这种传感器可以实现高空间分辨率的流体环境静压强测量。

4、采用所提出的方法可以最大限度的发挥基于布里渊动态光栅技术高灵敏度、分布 式的流体静压强传感器测量能力，得到最高的传感灵敏度。

图1是实施方式一所述高灵敏度分布式的流体静压强传感器的结构示意图；

图2是实施方式二所述高灵敏度分布式的流体静压强传感器的结构示意图；

图3是对传感光纤进行流体环境静压强施加的装置结构图；

图4是传感光纤分别在快慢轴方向受压力时示意图。

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述高灵敏度分布式的 流体静压强传感器，它包括第一可调谐激光器模块1、第二可调谐激光器模块2、传感光 纤3、偏振分束器4、光电探测器5、光纤环形器6、数据采集卡7和第三可调谐激光器模 块10；

第一可调谐激光器模块1输出频率为ν0的连续激光，该束激光为偏振态与传感光纤3 的x轴一致的单偏振态连续激光，该束激光注入传感光纤3的+x轴；

第二可调谐激光器模块2输出频率为ν1的连续激光，该束激光为偏振态与传感光纤3 的x轴一致的单偏振态连续激光，且频率ν0与ν1之间相差一个光纤布里渊频移ΔνB，即 |v1-ν0|＝ΔνB；将ν1频率激光输入偏振分束器4的x轴端口，然后从偏振分束器4的合束 端口输出并注入传感光纤3的-x轴；

从+x轴、-x轴相对方向注入传感光纤3的两束激光在光纤中发生受激布里渊散射现 象，形成布里渊动态光栅；

第三可调谐激光器模块10输出的频率为ν2的脉冲光，ν2满足条件ν2-ν1＝ΔνBire，ν2 与ν1之间的频差相差一个光纤的双折射频移ΔνBire，该束激光为偏振态与传感光纤3的y 轴一致的激光，该束脉冲光经过光纤环形器6的1端口注入，由2端口射出，进入偏振分 束器4的y轴端口，从偏振分束器4合束端口出来的ν2脉冲光注入传感光纤3的y轴；

频率为ν2的脉冲光读取频率ν0与ν1两束激光在传感光纤3中所形成的布里渊动态光 栅的信息；布里渊动态光栅将ν2脉冲光反射，被反射的ν2脉冲光由偏振分束器4的y轴 端口出射，进入光纤环形器6的2端口，从光纤环形器6的3端口出射，被光电探测器5 接收到，之后探测数据被数据采集卡7采集到并保存；

数据采集卡7的采集频率与ν2脉冲光的频率同步；；数据采集卡7将采集反射光强的 时域信号处理得到对应的每一个点的双折射频移信号，进而获取光纤上的压强信息。

本实施方式中，可采用的替代方案为：ν0激光可注入传感光纤3的+y轴；ν1激光进 入偏振分束器16的y轴，然后从偏振分束器16合束端输出注入传感光纤3的-y轴；

从+y轴、-y轴相对方向注入传感光纤3的两束激光在光纤中发生受激布里渊散射现 象，形成布里渊动态光栅；

ν2进入偏振分束器16的x轴端口；从偏振分束器16合束端口出来的脉冲ν2光注入 传感光纤3的x轴；即满足条件ν0、ν1位于同轴的正负相对方向，ν2位于与二者垂直的 轴上。