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–Zehnderinterferometerbasedonaninnerair-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。

具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一相比，增加了信号发生器8、电光调制器9，且第三可调谐激光器10发出的频率为ν2的连续激光，而不是脉冲光。

具体结构参见图2，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、信号发生器8、电光调制器9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|ν1-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3的y轴一致的连续激光，该束激光进入被信号发生器8调制的电光调制器9中；电光调制器9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的工作触发信号由信号发生器8同步提供；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。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，第一可调谐激光器模块1和第二可调谐激光器模块2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。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，第一可调谐激光器模块1和第二可调谐激光器模块2采用分布反馈式半导体激光器DFB来实现。

具体实施方式五：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，信号发生器8采用任意函数发生器或任意波形发生器来实现。

任意函数发生器或任意波形发生器都能够产生脉冲信号加载到电光调制器9上对连续光信号进行脉冲调制。

具体实施方式六：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，传感光纤3为熊猫型保偏光纤、椭圆纤芯保偏光纤或保偏光子晶体光纤。

具体实施方式七：下面结合图3和图4说明本实施方式，利用实施方式一所述高灵敏度分布式的流体静压强传感器测量流体环境压强的方法，该方法涉及的实验装置包括第一压力容器16、第二压力容器17、压力泵11、真空泵20、压强计12、第一限压阀13、第二限压阀15、第三限压阀18、第四限压阀21、泄压阀19、左端密封塞14和右端密封塞22；第一压力容器16和第二压力容器17平行、连通设置，中间的连通管上设置有第二限压阀15；第一压力容器16的两端口分别由左端密封塞14和右端密封塞22进行密封，第一压力容器16的管壁上还设置有泄压阀19；第二压力容器17左端口设置有给压力容器施加压力的压力泵11，左端口管路上设置有第一限压阀13，第二压力容器17右端口设置有压强计12，右端口管路上设置有第四限压阀21，第二压力容器17的管壁支出管路上设置有第三限压阀18，且该支出管路端口设置有抽出液体的真空泵20；

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14，将传感光纤3从针孔穿过，拔出针头，左端密封塞14自然收紧将传感光纤3夹紧；

步骤二，将传感光纤3放入第二压力容器17，利用步骤一的方法让传感光纤3穿过右端密封塞22；

步骤三，利用左端密封塞14和右端密封塞22将第二压力容器17密封起来，调节传感光纤3在压力容器17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3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15，测量一组常压下的传感光纤3双折射频移信号，作为基准信号；

步骤六，打开第一限压阀13、第二限压阀15、第三限压阀18、第四限压阀21，调节压力泵11和真空泵20改变第一压力容器16和第二压力容器17内流体环境静压强，通过压强计12读出第一压力容器16和第二压力容器17内流体环境静压强，关闭第一限压阀13和第三限压阀18，维持第一压力容器16和第二压力容器17内流体环境静压强，测量一组在该气压下的传感光纤3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3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3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。

参见图3对本实施方式方法涉及的实验装置进行说明：

压力泵11的作用是给压力容器施加一定量的压力，和真空泵20共同作用调控压力容器内流体环境静压强。

传感光纤3是作为实际传感器，探测外界流体环境静压强改变的大小及其位置。

限压阀13、15、18、21的作用是控制其两侧流体流动，打开限压阀可连通两端流体环境，关闭限压阀可保持压力容器内流体不在流动，从而保持流体环境静压强不变。

压力容器16、17的作用是容纳流体，构成流体环境，作为传感器的实际探测对象。

泄压阀19的作用是排出压力容器17内流体，时期恢复到与外界环境一致的状态。

真空泵20的作用是抽出第一压力容器16内流体，减小压力容器内流体环境静压强，和压力泵11共同作用调控压力容器内流体环境静压强。

密封塞14、22的作用是维持第二压力容器17内密封性，同时传感光纤可穿过密封塞在压力容器内保持自然拉紧状态。

压强计12是测量压力容器内实际流体环境静压强。

图4是传感光纤3分别在快慢轴方向受压力时示意图。传感光纤3由于其本身结构影响导致其折射率分布不均匀，因而存在一个折射率最大的方向和折射率最小的方向，分别称为慢轴和快轴。当外界流体环境静压强发生变化时，慢轴和快轴的折射率分布变化不一致，因而就将引起传感光纤双折射频移的变化。当在传感光纤3快轴施加压力时，光纤双折射频移变化值减小最快；当在传感光纤3慢轴施加压力时，光纤双折射频移变化值增加最快。在这两个方向施加压力能够获得最大的传感灵敏度。