一种分布式多功能光纤传感系统及其制备方法与应用

本发明属于光电子传感相关，更具体地，涉及一种分布式多功能光纤传感系统及其制备方法与应用。

背景技术：

1、电学传感器以高精度、多模态测量等优点在人体健康、航空航天、环境监测等领域应用广泛，常见的电学传感器根据测量原理一般分为压电、电容、电阻式测量，电学传感的优势就是可以根据外界多种不同信号的变化实现多种电学信号的改变，从而实现多物理量的精确测量，如压力、温度、应变、湿度、气体等。然而，随着物联网技术的普及以及全场景分布式测量技术的要求，在一些环境中传感器的布置数量越来越多，而大规模传感单元的应用导致大量的电学导线布线十分困难，且当电学信号需要进行远距离传输时，导线上的压降及外界电场、磁场的干扰导致信号无法及时准确地进行远距离信号传递。

2、光纤传感技术与电学传感技术相比，其具有体积小、重量轻、连续分布式测量、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀性强等诸多优势。目前在航空航天、轨道交通、电力工业等多个领域有着广泛的应用前景。尽管当前的光纤传感器有多种类型，但现有光纤传感器大多采用端面传感方式，无法实现分布式传感功能，且每种光纤传感器表面仅能检测一种环境物理量的变化，无法实现多种传感信号的分布式测量与解耦，如基于拉曼散射的光纤时域反射传感器，仅能监测光纤沿线不同位置处的温度变化，无法实现多种物理量的检测。

3、为实现多种物理参量的同步检测与远距离传输，当前研究取得了一定进展。专利cn201810359103.5公开了一种多物理量光纤传感系统、其反馈回路控制以及其检测方法，利用相移光纤光栅和光纤布拉格光栅分别同时测量温度和应变信号，尽管实现了温度应变的同时测量，但使用了两条光路，结构复杂，布线困难。专利cn202010327252.0公开了一种分布式光纤多参量传感装置，利用瑞丽散射信号解调和布里渊散射信号解调得到待测光纤的温度和应变信息，但采用了光调制器、相干光检测单元、信号解调单元等部件，光路复杂且无法实现外界压力、湿度等其他环境变量的测量。

4、综上所述，目前的研究中针对分布式电学传感信号长距离光纤传输问题尚未有普适性的解决方案。因此，亟需提出一种从根本上解决多功能电学传感器信号的分布式监测和远距离高容量传输的方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种分布式多功能光纤传感系统及其制备方法与应用，其利用电学传感器与光学信息传输方式，可以解决在飞行器健康监测、人机交互领域的大规模传感器信息的分采集与信号远距离传输问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种分布式多功能光纤传感系统，所述传感系统包括光纤及前端组件，所述光纤包括纤芯、包裹在所述纤芯周面上的包层及包裹在所述包层周面上的涂覆层；所述光纤的周面上开设有多个分布式设置的凹槽，所述凹槽贯穿所述涂覆层，且所述凹槽的底面位于所述包层内，即所述凹槽贯穿所述包层远离所述纤芯的表面；多个所述前端组件部分地收容于所述凹槽内；

3、所述前端组件用于先检测得到电压信号，再将电压信号进行放大后转换为光学信号，再将所述光学信号进行选频与放大后耦合进所述光纤。

4、进一步的，所述前端组件包括电学传感器、电学信号放大器、电光转换部件及光学谐振部件，所述光学谐振部件设置在所述凹槽的底面上，所述电光转换部件设置在所述光学谐振部件上，且其部分的收容于所述凹槽内；所述电学传感器及所述电学信号放大器分别设置在所述光纤的周面上。

5、进一步的，所述电学传感器用于检测得到电压信号，所述电学信号放大器用于将来自所述电学传感器的电压信号进行放大后传输给所述电光转换部件；所述电光转换部件用于将接收到的电压信号转换为光信号，所述光学谐振部件用于将接收到的光信号进行选频及放大后耦合进所述光纤。

6、进一步的，所述电学传感器用于将外界振动/压力/应变信号转换为电压信号后传输给所述电学信号放大器。

7、进一步的，所述传感系统还包括光电探测部件及电学信号分析部件，所述光电探测部件连接所述光纤及所述电学信号分析部件。

8、进一步的，所述光电探测部件用于将来自所述光纤的光信号解调后转换为电信号；所述电学信号分析部件是具备软件采集分析模块的上位机系统，所述上位机系统将光电探测部件转换的电学信号进行表征分析，以确定外界物理信号的实时变化。

9、本发明还提供了一种如上所述的分布式多功能光纤传感系统的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

10、s1，用光纤腐蚀液腐蚀所述光纤的涂覆层和包层以在所述光纤上形成多个分布式设置的凹槽；

11、s2，在所述凹槽内制备所述前端组件，进而得到所述传感系统。

12、进一步的，s2中，在所述凹槽内安装光学谐振部件，再利用多层异质结构的电流体喷印方法在所述光学谐振部件逐层实现电光转换部件的打印；其中，所述前端部件包括所述光学谐振部件及所述电光转换部件。

13、进一步的，所述前端部件包括所述光学谐振部件及所述电光转换部件，所述电光转换部件为micro-led；s2中，在所述凹槽内安装光学谐振部件，再通过micro-led贴片的形式将micro-led自晶圆片安装到所述光学谐振部件上。

14、本发明还提供了一种如上所述的分布式多功能光纤传感系统在测量压力、温度、应变、湿度、气体中的应用。

15、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的分布式多功能光纤传感系统及其制备方法与应用主要具有以下有益效果：

16、1.本发明将电学传感器产生的电学信号经过转换后通过光纤进行传输，利用电学传感与光学传输相结合的方式，既实现了多种物理信号参量的实时测量，又解决了在飞行器健康监测、人机信号交互领域中利用传统金属导线进行信息传输时产生的易受外界电磁、温度、湿度干扰等问题。

17、2.本发明采用光纤原位电光转换方法，将电学传感器产生的电信号进行放大后，在光纤原位提供给电光晶体，在光纤原位制造了微型电泵浦光源，在光纤原位实现了电信号与光信号之间的转换。

18、3.本发明所采用的基于谐振腔的光信号放大方法，将普通电光晶体的光信号进行原位放大后耦合进光纤，将信号传输距离从米级提高至公里级，大大提高了普通传感信号的传输距离。

19、4.本发明所提出的基于光纤的传感信号传输方式，利用光纤作为信号传输的载体，大大地提高了普通传感信号的信息传输密度，避免了在航空航天领域中大规模传感信号传输的问题。

20、5.本发明提出的分布式多功能光纤传感系统可以实现基于光纤表面的分布式信号测量，利用后端信号的解调处理，提高了传感器的布置密度与信号监测密度，有利于实现传感器信号的大规模信号采集与传输。

技术特征：

1.一种分布式多功能光纤传感系统，其特征在于：

2.如权利要求1所述的分布式多功能光纤传感系统，其特征在于：所述前端组件包括电学传感器、电学信号放大器、电光转换部件及光学谐振部件，所述光学谐振部件设置在所述凹槽的底面上，所述电光转换部件设置在所述光学谐振部件上，且其部分的收容于所述凹槽内；所述电学传感器及所述电学信号放大器分别设置在所述光纤的周面上。

3.如权利要求2所述的分布式多功能光纤传感系统，其特征在于：所述电学传感器用于检测得到电压信号，所述电学信号放大器用于将来自所述电学传感器的电压信号进行放大后传输给所述电光转换部件；所述电光转换部件用于将接收到的电压信号转换为光信号，所述光学谐振部件用于将接收到的光信号进行选频及放大后耦合进所述光纤。

4.如权利要求2所述的分布式多功能光纤传感系统，其特征在于：所述电学传感器用于将外界振动/压力/应变信号转换为电压信号后传输给所述电学信号放大器。

5.如权利要求1所述的分布式多功能光纤传感系统，其特征在于：所述传感系统还包括光电探测部件及电学信号分析部件，所述光电探测部件连接所述光纤及所述电学信号分析部件。

6.如权利要求5所述的分布式多功能光纤传感系统，其特征在于：所述光电探测部件用于将来自所述光纤的光信号解调后转换为电信号；所述电学信号分析部件是具备软件采集分析模块的上位机系统，所述上位机系统将光电探测部件转换的电学信号进行表征分析，以确定外界物理信号的实时变化。

7.一种权利要求1-6任一项所述的分布式多功能光纤传感系统的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

8.如权利要求7所述的分布式多功能光纤传感系统的制备方法，其特征在于：s2中，在所述凹槽内安装光学谐振部件，再利用多层异质结构的电流体喷印方法在所述光学谐振部件逐层实现电光转换部件的打印；其中，所述前端部件包括所述光学谐振部件及所述电光转换部件。

9.如权利要求7所述的分布式多功能光纤传感系统的制备方法，其特征在于：所述前端部件包括所述光学谐振部件及所述电光转换部件，所述电光转换部件为micro-led；s2中，在所述凹槽内安装光学谐振部件，再通过micro-led贴片的形式将micro-led自晶圆片安装到所述光学谐振部件上。

10.一种权利要求1-6任一项所述的分布式多功能光纤传感系统在测量压力、温度、应变、湿度、气体中的应用。

技术总结
本发明属于光电子传感相关技术领域，其公开了一种分布式多功能光纤传感系统及其制备方法与应用，传感系统包括光纤及前端组件，光纤包括纤芯、包裹在纤芯周面上的包层及包裹在包层周面上的涂覆层；光纤的周面上开设有多个分布式设置的凹槽，凹槽贯穿涂覆层，且凹槽的底面位于包层内，即凹槽贯穿包层远离纤芯的表面；多个前端组件部分地收容于凹槽内；前端组件用于先检测得到电压信号，再将电压信号进行放大后转换为光学信号，再将光学信号进行选频与放大后耦合进光纤。本发明利用电学传感器与光学信息传输方式，可以解决在飞行器健康监测、人机交互领域的大规模传感器信息的分采集与信号远距离传输问题。

技术研发人员：黄永安,王洪扬
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4