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)測等系統(tǒng)中實現(xiàn)對溫度的實時連續(xù)監(jiān)測。
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)，采用光時域(OTDR)技術(shù)實現(xiàn)對溫度的監(jiān)控。傳感所用光纖既是傳輸介質(zhì)又是傳感介質(zhì)，可實現(xiàn)實時在線的光纖溫度場測量，廣泛應(yīng)用于煤礦、隧道的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、大型變壓器、發(fā)動機(jī)組的溫度分布測量系統(tǒng)以及地下電纜的溫度報警系統(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或瑞利散射光信號做參考通道，反斯托克斯光信號做信號通道，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)的比值實現(xiàn)對溫度的測量。該方法可以克服由于光源波動而導(dǎo)致的測量誤差，但隨著測量距離的增加，為了獲得更高的測量精度，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不同而帶來的傳輸損耗。為修正上述傳輸損耗，需要得到與反斯托克斯光信號中心波長相同的斯托克斯光信號或瑞利散射光信號。2008年,Kwang Suh與Chung Lee等提出用波長差為拉曼位移波長的雙光源法,采用光開關(guān)時分交替輸出的副激光器的斯托克斯光來解調(diào)主激光器的光纖背向反斯托克斯光，實現(xiàn)了由于中心波長不同而帶來損耗的自校正功能。但光開關(guān)的不同時性影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；同時由于該系統(tǒng)采用雙光源及雙光電探測模塊，為獲得相匹配的中心波長，對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實現(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瓷洌沟帽闷止夂头此雇锌怂构馑p，降低了系統(tǒng)信噪比。2011年，中國計量學(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，在測量過程中會引入誤差；且雙芯光纜需要特殊的封裝技術(shù)，同時增加了光纖長度，提高系統(tǒng)成本。本實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現(xiàn)溫度檢測。通過自動偏振控制器調(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，實現(xiàn)自校正功能。發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供了一種更為靈活簡單、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、自動偏振控制器、光電探測模塊、信號采集系統(tǒng)和顯示器。其中波分復(fù)用器包括三個端口，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與光電探測模塊的輸入端相連；光電探測模塊的輸出端與信號采集系統(tǒng)的輸入端相連；信號采集系統(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范圍為1300nm 1650nm內(nèi)實現(xiàn)光束比為1:1輸出的要求。它包括四個端口，端口 4-1連接傳感光纖，端口 4-3連接自動偏振控制器的輸入端，端口 4-4連接自動偏振控制器的輸出端,共同構(gòu)成一個光纖環(huán)鏡；端口 4-2連接自動偏振控制器5的輸入端，可實現(xiàn)對偏振器狀態(tài)的自動調(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，在任意時刻均能實現(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)末端后會發(fā)生全反射進(jìn)行背向傳輸，使得光電探測模塊獲得正反兩束由同一泵浦光產(chǎn)生的帶有溫度場信息的反斯托克斯拉曼散射光。對這兩束反斯托克斯光信號進(jìn)行相乘運算處理，便能實現(xiàn)可自校正的分布式溫度測量。本實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由3dB耦合器與自動偏振控制器構(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的正反兩束帶有溫度場信息的反斯托克斯光。利用3dB耦合器與自動偏振控制器構(gòu)成的具有自反饋作用的光纖環(huán)鏡，可提高系統(tǒng)的信噪比和智能化程度。該實用新型結(jié)構(gòu)簡單，靈活可調(diào)，適用于電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道等需要進(jìn)行溫度場實時監(jiān)控的測量場
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。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型進(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、自動偏振控制器5、光電探測模塊6、信號米集系統(tǒng)7和顯示器8。其中波分復(fù)用器2包括三個端口，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與光電探測模塊6的輸入端相連；光電探測模塊6的輸出端與信號采集系統(tǒng)7的輸入端相連；信號采集系統(tǒng)7的輸出端與顯示器8相連。上述的3dB耦合器4的耦合比在波長范圍為1300nm 1650nm內(nèi)可實現(xiàn)光束比為1:1輸出，它包括四個端口，端口4-1連接傳感光纖3，端口 4-3連接自動偏振控制器5的輸入端，端口 4-4連接自動偏振控制器5的輸出端,共同構(gòu)成一個光纖環(huán)鏡；端口 4-2與自動偏振控制器5的輸入端相連，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時，光纖環(huán)鏡的偏振態(tài)會發(fā)生改變，此時端口 4-2可將變化信息反饋至自動偏振控制器5中，使其自動調(diào)整偏振狀態(tài)，保證光纖環(huán)鏡的反射率不發(fā)生改變，在任意時刻均實現(xiàn)全反射，完成自反饋功能。本實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，使得光電探測模塊獲得正反兩束由同一泵浦光產(chǎn)生的帶有溫度場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)、自動偏振控制器(5)、光電探測模塊(6)、信號采集系統(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)與光電探測模塊(6)的輸入端相連；光電探測模塊(6)的輸出端與信號采集系統(tǒng)(7)的輸入端相連；信號采集系統(tǒng)(7)的輸出端與顯示器(8)相連； 所述的3dB耦合器(4)的耦合比在波長范圍為1300nm 1650nm內(nèi)可實現(xiàn)光束比為1:1輸出；包括四個端口，其中端口(4-1)連接傳感光纖(3)，端口(4-3)連接自動偏振控制器(5)的輸入端，端口(4-4)連接自動偏振控制器(5)的輸出端,構(gòu)成一個光纖環(huán)鏡；端口(4-2)與自動偏振控制器(5)的輸入端相連，可實現(xiàn)偏振器狀態(tài)的自動調(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，在任意時刻均可實現(xiàn)全反射。
專利摘要本實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由3dB耦合器和自動偏振控制器構(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的反斯托克斯光信號。測量反斯托克斯光信號的光強(qiáng)可實現(xiàn)對溫度的測量；通過對正反兩束反斯托克斯光信號進(jìn)行相乘運算處理，可對光纖自身由于吸收、彎曲、應(yīng)變等帶來的損耗進(jìn)行自校正。本實用新型包括激光器、波分復(fù)用器、傳感光纖、3dB耦合器、自動偏振控制器、光電探測模塊、信號采集系統(tǒng)和顯示器。本實用新型裝置簡單，靈活可調(diào)，信噪比好，同時具有自反饋和自校正功能，適用于電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道等測量場合。
文檔編號G01K11/32GK202928719SQ20122061973
公開日2013年5月8日 申請日期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, 張在宣, 金尚忠 申請人:中國計量學(xué)院