專利名稱：一種可自校正的全分布式光纖拉曼溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光纖傳感領(lǐng)域，涉及一種可自校正的全分布式光纖拉曼溫度傳感器。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈活可調(diào)，信噪比高，具有自反饋和自校正功能，可在生產(chǎn)過程、土木工程、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)。
背景技術(shù)：
近幾十年，分布式光纖拉曼溫度傳感器由于其體積小、重量輕、耐高溫、抗電磁干擾能力強(qiáng)、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛的關(guān)注與研究。該類傳感器利用光纖的本征特性，光纖瑞利、拉曼和布里淵散射效應(yīng)，采用光時(shí)域(OTDR)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的監(jiān)控。傳感所用光纖既是傳輸介質(zhì)又是傳感介質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線的光纖溫度場(chǎng)測(cè)量，廣泛應(yīng)用于煤礦、隧道的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、大型變壓器、發(fā)動(dòng)機(jī)組的溫度分布測(cè)量系統(tǒng)以及地下電纜的溫度報(bào)警系統(tǒng)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的分布式光纖拉曼溫度傳感器主要是利用斯托克斯光信號(hào)或瑞利散射光信號(hào)做參考通道，反斯托克斯光信號(hào)做信號(hào)通道，利用溫度敏感的反斯托克斯拉曼散射光強(qiáng)與瑞利散射光強(qiáng)或斯托克斯散射光強(qiáng)的比值實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。該方法可以克服由于光源波動(dòng)而導(dǎo)致的測(cè)量誤差，但隨著測(cè)量距離的增加，為了獲得更高的測(cè)量精度，需要修正由反斯托克斯散射、斯托克斯散射和瑞利散射中心波長(zhǎng)不同而帶來(lái)的傳輸損耗。為修正上述傳輸損耗，需要得到與反斯托克斯光信號(hào)中心波長(zhǎng)相同的斯托克斯光信號(hào)或瑞利散射光信號(hào)。2008年,Kwang Suh與Chung Lee等提出用波長(zhǎng)差為拉曼位移波長(zhǎng)的雙光源法,采用光開關(guān)時(shí)分交替輸出的副激光器的斯托克斯光來(lái)解調(diào)主激光器的光纖背向反斯托克斯光，實(shí)現(xiàn)了由于中心波長(zhǎng)不同而帶來(lái)?yè)p耗的自校正功能。但光開關(guān)的不同時(shí)性影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；同時(shí)由于該系統(tǒng)采用雙光源及雙光電探測(cè)模塊，為獲得相匹配的中心波長(zhǎng)，對(duì)雙光源的選取要求很高，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性及器件成本。2010年，韓國(guó)Dusun Hwang等人提出在傳感光纖末端連接反射鏡，以獲得正反兩束反斯托克斯光信號(hào)實(shí)現(xiàn)自校正(OPTICS EXPRESS,2010, Vol.18, N0.10:9747-9754)。但由于受反射鏡反射率的限制，前向傳輸?shù)谋闷止獠豢赡鼙煌耆瓷?，使得泵浦光和反斯托克斯光衰減，降低了系統(tǒng)信噪比。2011年，中國(guó)計(jì)量學(xué)院的康娟等提出采用雙芯光纜末端連接的方法作為傳感光纖，使得泵浦光源變成正反向兩束，從而獲得兩束具有相同中心波長(zhǎng)的反斯托克斯光束，以抵消光纖本身的損耗。但由于雙芯光纜的不一致性，在測(cè)量過程中會(huì)引入誤差；且雙芯光纜需要特殊的封裝技術(shù)，同時(shí)增加了光纖長(zhǎng)度，提高系統(tǒng)成本。本實(shí)用新型采用傳感光纖末端連接光纖環(huán)鏡的方法，代替了反射鏡和雙芯光纜，提供了一種更為靈活簡(jiǎn)單、信噪比高、可靠性好、具有自反饋和自校正功能的可自校正的全分布式光纖拉曼溫度傳感器。該傳感器只需使用單光源和傳統(tǒng)的單模光纖光纜即可實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)。通過自動(dòng)偏振控制器調(diào)整光纖環(huán)鏡的反射率，使得入射光束被完全反射，從而獲得同一光源產(chǎn)生的具有相同波長(zhǎng)中心的正反兩束反斯托克斯光，用于抵消光纖自身吸收、應(yīng)變、彎曲等引起的損耗，實(shí)現(xiàn)自校正功能。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供了一種更為靈活簡(jiǎn)單、信噪比高、可靠性好的可自校正的全分布式光纖拉曼溫度傳感器。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下:—種可自校正的全分布式光纖拉曼溫度傳感器，包括激光器、波分復(fù)用器、傳感光纖、3dB耦合器、自動(dòng)偏振控制器、光電探測(cè)模塊、信號(hào)采集系統(tǒng)和顯示器。其中波分復(fù)用器包括三個(gè)端口，端口 2-1與激光器相連，端口 2-2與傳感光纖相連，端口 2-3與光電探測(cè)模塊的輸入端相連；光電探測(cè)模塊的輸出端與信號(hào)采集系統(tǒng)的輸入端相連；信號(hào)采集系統(tǒng)的輸出端與顯示器相連。上述的3dB耦合器的耦合比滿足在波長(zhǎng)范圍為1300nm 1650nm內(nèi)實(shí)現(xiàn)光束比為1:1輸出的要求。它包括四個(gè)端口，端口 4-1連接傳感光纖，端口 4-3連接自動(dòng)偏振控制器的輸入端，端口 4-4連接自動(dòng)偏振控制器的輸出端,共同構(gòu)成一個(gè)光纖環(huán)鏡；端口 4-2連接自動(dòng)偏振控制器5的輸入端，可實(shí)現(xiàn)對(duì)偏振器狀態(tài)的自動(dòng)調(diào)整，從而改變光纖環(huán)鏡的反射率，使得光纖環(huán)鏡具有自反饋功能，在任意時(shí)刻均能實(shí)現(xiàn)全反射。激光器發(fā)出泵浦光束后，通過波分復(fù)用器耦合進(jìn)入傳感光纖，光纖中產(chǎn)生瑞利散射、斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射光。由于傳感光纖末端連接光纖環(huán)鏡，泵浦光源在傳感光纖中前向傳輸?shù)竭_(dá)末端后會(huì)發(fā)生全反射進(jìn)行背向傳輸，使得光電探測(cè)模塊獲得正反兩束由同一泵浦光產(chǎn)生的帶有溫度場(chǎng)信息的反斯托克斯拉曼散射光。對(duì)這兩束反斯托克斯光信號(hào)進(jìn)行相乘運(yùn)算處理，便能實(shí)現(xiàn)可自校正的分布式溫度測(cè)量。本實(shí)用新型的有益效果在于:—種可自校正的全分布式光纖拉曼溫度傳感器，在單模傳感光纖光纜末端連接一個(gè)由3dB耦合器與自動(dòng)偏振控制器構(gòu)成的光纖環(huán)鏡。調(diào)整偏振控制器的狀態(tài)，可使得正向傳輸?shù)墓馐趥鞲泄饫w末端發(fā)生全反射而進(jìn)行背向傳輸，從而獲得由同一光源產(chǎn)生的具有相同中心波長(zhǎng)的正反兩束帶有溫度場(chǎng)信息的反斯托克斯光。利用3dB耦合器與自動(dòng)偏振控制器構(gòu)成的具有自反饋?zhàn)饔玫墓饫w環(huán)鏡，可提高系統(tǒng)的信噪比和智能化程度。該實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈活可調(diào)，適用于電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道等需要進(jìn)行溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的測(cè)量場(chǎng)
入
口 ο

圖1是一種可自校正的分布式光纖拉曼溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步描述。如圖1示，一種可自校正的全分布式光纖拉曼溫度傳感器，包括激光器1、波分復(fù)用器2、傳感光纖3、3dB稱合器4、自動(dòng)偏振控制器5、光電探測(cè)模塊6、信號(hào)米集系統(tǒng)7和顯示器8。其中波分復(fù)用器2包括三個(gè)端口，其中端口 2-1與激光器相連，端口 2-2與傳感光纖相連，端口 2-3與光電探測(cè)模塊6的輸入端相連；光電探測(cè)模塊6的輸出端與信號(hào)采集系統(tǒng)7的輸入端相連；信號(hào)采集系統(tǒng)7的輸出端與顯示器8相連。上述的3dB耦合器4的耦合比在波長(zhǎng)范圍為1300nm 1650nm內(nèi)可實(shí)現(xiàn)光束比為1:1輸出，它包括四個(gè)端口，端口4-1連接傳感光纖3，端口 4-3連接自動(dòng)偏振控制器5的輸入端，端口 4-4連接自動(dòng)偏振控制器5的輸出端,共同構(gòu)成一個(gè)光纖環(huán)鏡；端口 4-2與自動(dòng)偏振控制器5的輸入端相連，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，光纖環(huán)鏡的偏振態(tài)會(huì)發(fā)生改變，此時(shí)端口 4-2可將變化信息反饋至自動(dòng)偏振控制器5中，使其自動(dòng)調(diào)整偏振狀態(tài)，保證光纖環(huán)鏡的反射率不發(fā)生改變，在任意時(shí)刻均實(shí)現(xiàn)全反射，完成自反饋功能。本實(shí)用新型基于以下原理:激光器發(fā)出能量為Ptl的泵浦光束，通過波分復(fù)用器耦合進(jìn)入傳感光纖，光纖中產(chǎn)生瑞利散射、斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射光，其中反斯托克斯拉曼散射光的光強(qiáng)為ιη1。由于傳感光纖末端連接光纖環(huán)鏡，泵浦光束在光纖環(huán)鏡內(nèi)發(fā)生全反射而進(jìn)行背向傳輸，使得光電探測(cè)模塊獲得正反兩束由同一泵浦光產(chǎn)生的帶有溫度場(chǎng)信息的反斯托克斯拉曼散射光。其中背向反斯托克斯拉曼散射光強(qiáng)為In2。根據(jù)分布式光纖拉曼散射光子傳感器測(cè)溫原理，在光纖里反斯托克斯背向拉曼散射光強(qiáng)為:
權(quán)利要求1.種可自校正的全分布式光纖拉曼溫度傳感器，其特征在于包括激光器(I)、波分復(fù)用器(2)、傳感光纖(3)、3dB耦合器(4)、自動(dòng)偏振控制器(5)、光電探測(cè)模塊(6)、信號(hào)采集系統(tǒng)(7)和顯示器⑶；所述的波分復(fù)用器(2)包括三個(gè)端口，其中端口(2-1)與激光器(I)相連，端口(2-2)與傳感光纖(3)相連，端口(2-3)與光電探測(cè)模塊(6)的輸入端相連；光電探測(cè)模塊(6)的輸出端與信號(hào)采集系統(tǒng)(7)的輸入端相連；信號(hào)采集系統(tǒng)(7)的輸出端與顯示器(8)相連； 所述的3dB耦合器(4)的耦合比在波長(zhǎng)范圍為1300nm 1650nm內(nèi)可實(shí)現(xiàn)光束比為1:1輸出；包括四個(gè)端口，其中端口(4-1)連接傳感光纖(3)，端口(4-3)連接自動(dòng)偏振控制器(5)的輸入端，端口(4-4)連接自動(dòng)偏振控制器(5)的輸出端,構(gòu)成一個(gè)光纖環(huán)鏡；端口(4-2)與自動(dòng)偏振控制器(5)的輸入端相連，可實(shí)現(xiàn)偏振器狀態(tài)的自動(dòng)調(diào)整，從而改變光纖環(huán)鏡的反射率，使得所述光纖環(huán)鏡具有自反饋功能，在任意時(shí)刻均可實(shí)現(xiàn)全反射。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種可自校正的全分布式光纖拉曼溫度傳感器，在傳感光纖末端連接一個(gè)由3dB耦合器和自動(dòng)偏振控制器構(gòu)成的光纖環(huán)鏡；調(diào)整光纖環(huán)鏡的反射率，使前向傳輸?shù)墓庠趥鞲泄饫w末端發(fā)生全反射，從而獲得正反兩束具有相同中心波長(zhǎng)的反斯托克斯光信號(hào)。測(cè)量反斯托克斯光信號(hào)的光強(qiáng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量；通過對(duì)正反兩束反斯托克斯光信號(hào)進(jìn)行相乘運(yùn)算處理，可對(duì)光纖自身由于吸收、彎曲、應(yīng)變等帶來(lái)的損耗進(jìn)行自校正。本實(shí)用新型包括激光器、波分復(fù)用器、傳感光纖、3dB耦合器、自動(dòng)偏振控制器、光電探測(cè)模塊、信號(hào)采集系統(tǒng)和顯示器。本實(shí)用新型裝置簡(jiǎn)單，靈活可調(diào)，信噪比好，同時(shí)具有自反饋和自校正功能，適用于電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道等測(cè)量場(chǎng)合。
文檔編號(hào)G01K11/32GK202928719SQ20122061973
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月16日
發(fā)明者趙春柳, 牛犖, 王治強(qiáng), 康娟, 張?jiān)谛? 金尚忠 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院