CN101706329A

CN101706329A - 一种光纤温度传感器

Info

Publication number: CN101706329A
Application number: CN200910238685A
Authority: CN
Inventors: 伍树东; 王文博
Original assignee: BEIJING QIRED POWER TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Beijing Qired Power Technology Co., Ltd.; Zibo Qired Photoelectric Technology Co., Ltd.
Priority date: 2009-12-01
Filing date: 2009-12-01
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2029-12-01
Also published as: US8449178B2; US20110128990A1; CN101706329B

Abstract

本发明公开了一种光纤温度传感器，属于光纤传感技术领域，所述的光纤温度传感器包括光收发模块、传输光纤和传感头；当传输光纤为保偏光纤时，传感头包括温度传感元件和光纤反射镜，温度传感元件为一段保偏光纤，该段保偏光纤的第一端设置有光纤反射镜，第二端与传输光纤的偏振轴之间呈45度融接连接。当所述的传输光纤为单模光纤时，在传感头上安装一个起偏器，起偏器一端与传输光纤连接，另一端与温度传感元件之间通过保偏光纤连接，该段保偏光纤与温度传感元件所采用保偏光纤的偏振轴之间呈45度融接连接。本发明的光纤温度传感器的原理和结构简单，易于制造；灵敏度可调，可以满足各种不同的温度范围的应用需求；温度检测的相对精度可达0.5％。

Description

一种光纤温度传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种新型的光纤温度传感器。

背景技术

光纤温度传感器有很广的应用范围。它采用光纤作光路，使探头与仪表分离，增加了环境适应能力，它可以在强电磁干扰，高电压及不能使用引线进行电传输等条件下进行测量。目前，已研制成功的传感器主要有荧光传感器、双折射晶体传感器以及半导体传感器。现有的光纤温度传感器大都基于光谱分析原理，如参考文献[1]Fiber Bragg GratingTemperature Sensor with Controllable Sensitivity；Jaehoon Jung，Hui Nam，Byoungho Lee，Jae Oh Byun，and Nam Seong Kim；Applied Optics，Vol.38，Issue13，pp.2752-2754中提到的光纤光栅。参考文献[2]Fabry-Perot Fiber-OpticTemperature Sensor；Lewis Research Center，Cleveland，Ohio NASA，Tech Briefs；Friday，January 01 1999中提到的光纤法布里一珀罗标准具。参考文献[3]基于光谱检测的光纤温度传感器；Optical fiber temperature sensor applying spectral analysisdetection；《传感器技术》2001年第20卷第11期中提到的半导体吸收式传感器，它们都要求光谱分析，制作工艺复杂，价格高昂。

发明内容

本发明为了解决现有温度传感器装置复杂，成本高昂的问题，提供的一种新型光纤温度传感器。该传感器装置简单，测量精度高、制作容易，成本低、，并且适应在高电压和强电场环境的温度检测。

所述的光纤温度传感器的原理是基于保偏光纤的双折射系数随温度变化的特性。传感器的关键元件，温度传感元件，是一段保偏光纤。传感器精确测量这段保偏光纤的双折射相位差，从而获得温度的信息。

本发明提供的一种光纤温度传感器，包括光收发模块、传输光纤和传感头；当所述的传输光纤为保偏光纤时，所述的传感头包括温度传感元件和光纤反射镜，温度传感元件为一段保偏光纤，该段保偏光纤的第一端设置有光纤反射镜，第二端与传输光纤的偏振轴之间呈45度融接连接。所述的光收发模块光源、光纤环路器、偏振分束器和两个光电检测器，所述的光纤环路器和偏振分束器均为三端口器件，其中，光纤环路器的前端两个端口通过单模光纤分别连接光源和第一光电检测器，后端的第三端口通过单模光纤连接偏振分束器前端的第一端口，偏振分束器前端的第二端口通过单模光纤连接第二光电检测器，后端的第三端口连接传输光纤。这样，传输光纤中回传的两个线偏振光的强度就是温度传感元件中的两个线偏振光干涉的结果。两个光电检测器的输出便给出温度传感元件的双折射相位差信息，也就是所要测的温度的信息。测量的温度范围可用调节这段保偏光纤的长度的方法来改变，从而适应不同的应用。

当所述的传输光纤为单模光纤时，在传感头上安装一个起偏器，起偏器一端与传输光纤连接，另一端与温度传感元件之间通过保偏光纤连接，该段保偏光纤与温度传感元件所采用保偏光纤的偏振轴之间呈45度融接连接.所述的光收发模块主要由光纤耦合器和两个光电检测器组成，所述的光纤耦合器为四端口，其中第一个端口用于直接接收光源发射的光，第二个端口连接传输光纤，其余两个端口连接两个光电检测器.

本发明的优点在于：

1.本发明的光纤温度传感器的原理和结构简单，易于制造。

2.本发明的光纤温度传感器的灵敏度可调，只需改变温度传感元件的保偏光纤的长度，就可以满足各种不同的温度范围的应用需求。

3.温度检测的相对精度可达0.5％。

附图说明

图1为光纤温度传感器原理示意图；

图2为典型的传感器温度响应曲线；

图3为简化的光纤温度传感器系统原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的光纤温度传感器进行详细说明。本发明提供两个实施例来说明采用保偏光纤作为温度传感元件所形成的温度传感器。

实施例1：

所述的光纤温度传感器包括光收发模块1、传输光纤2和在远处用于感受被测点温度的传感头3，如图1所示，所述的的光收发模块1用于将光通过传输光纤2传输到传感头3，传感头3将包含温度信息的光强信息通过传输光纤2返回光收发模块1，进而得到被测点的温度信息。所述的传输光纤2是保偏光纤。所述的传感头3包括温度传感元件301和光纤反射镜302，温度传感元件301是一段保偏光纤，温度传感元件301的一端设置光纤反射镜302，另一端连接传输光纤2。所述的光收发模块1包括光源101、光纤环路器102、偏振分束器103和两个光电检测器104A、104B，所述的光纤环路器102和偏振分束器103均为三端口器件，其中，光纤环路器102的前端的第一端口A和第二端口B通过单模光纤连接光源101和第一光电检测器104A，第三端口C通过单模光纤连接偏振分束器103前端的第一端口A，偏振分束器103前端的第二端口B通过单模光纤连接第二光电检测器104B，第三端口C连接传输光纤2——保偏光纤。

所述的温度传感元件301所用的保偏光纤的长度由所测的温度范围决定。一般要求检测的温度范围越大，需要选择短的保偏光纤作为温度传感元件301；要求检测的范围较小时，则选择较长的保偏光纤作为温度传感元件301。

上述的传输光纤2所采用的保偏光纤与温度传感元件301所采用的保偏光纤之间融接，融接点处两段保偏光纤的偏振轴互成45度夹角。

本发明的光纤温度传感器中的光的走向为：参见图1，光源101发出的光通过光纤环路器102后进入偏振分束器103.偏振分束器103输出的光为单一线偏振光，并沿传输光纤2的一偏振轴传播.当进入温度传感元件301时，该线偏振光被分解为在+/-45度方向的两线偏振光.它们分别沿温度传感元件301的两偏振轴传播，然后被光纤反射镜302反射沿原光路反回.当再进入传输光纤2时，温度传感元件301中的两线偏振光分别被+/-45°投影回到传输光纤2的两偏振轴上.在传输光纤2的每个偏振轴上都有温度传感元件301的两线偏振光分量，它们的相位差分别为2δ的和2δ+180°.其中δ为温度传感元件301的单程双折射相位差.这样，在传输光纤2中每个偏振轴上的光强就是温度传感元件中的两个线偏振光的干涉结果.在回程中，传输光纤2中的两线偏振光分别被偏振分束器103和光纤环路器102引导到光电检测器104A和104B，两光电检测器104A和104B分别检测到两线偏振光的光强信息.由于温度传感元件301的双折射相位差是温度的函数，所以温度可通过两个光电检测器的读数D₁和D₂，用下面公式确定：

F (T) = \frac{D_{1} - D_{2}}{D_{1} + D_{2}}

图2是一个典型的函数F(T)的曲线，根据两读数D₁和D₂，算得函数值F，从事先定标的函数曲线F(T)便可得温度值T。

实施例2：

基于与实施例1同样的原理，可用另一简化的实施方式。

在实施例1中，两个通道的光电检测器104A和104B的读数都包含了温度的信息，因而可以简化为只用单一通道。这样，可用单模光纤代替双通道的保偏光纤作为传输光纤2。同时，可用两端口的起偏器303代替三端口的偏振分束器103。为了使光功率的变化不影响系统的工作，我们仍用两光电检测器，并用四端口的光纤耦合器105代替光纤环路器102。如图3所示，本实施例2中提供的光纤温度传感器包括光收发模块1、传输光纤2和传感头3，所述的传输光纤2为单模光纤，传输光纤2的两端分别连接光收发模块1中的光纤耦合器105与传感头3中的起偏器303；所述的传感头3由温度传感元件301、光纤反射镜302和起偏器303组成，所述的温度传感元件301为一段保偏光纤，其中温度传感元件301的最前端设置光纤反射镜302，温度传感元件301的后端通过保偏光纤与起偏器303连接，并且所述温度传感元件301与该段保偏光纤连接的融接点处，两段保偏光纤的偏振轴互成45度。

所述的光收发模块1包括光源101、光纤耦合器105和两个光电检测器106A和106B，光纤耦合器105与光源101之间、光纤耦合器105与起偏器303之间通过单膜光纤连接，所述的光纤耦合器105为四端口器件，其中第一个端口A用于接收光源发射的光，第二个端口B连接传输光纤，其余两个端口C和D连接光电检测器106A和106B。其中一个光电检测器106A用于检测单模光纤返回的偏振态光强D₃，另一个光电检测器106B用于检测光源101所发出光的强度D₄，监示光功率的变化，然后根据公式：

F (T) = \frac{D_{3}}{D_{4}}

计算得到F(T)，从事先定标的函数曲线F(T)便可得温度值T。式中D₃和D₄分别两个光电检测器的读数。

由于实施例2中用单模光纤、起偏器和光纤耦合器分别代替了传输保偏光纤、偏振分束器和光纤环路器，所得光纤温度传感器的成本大大降低。对精度要求较低的应用可用这种实施方式。

Claims

1.一种光纤温度传感器，其特征在于：包括光收发模块、传输光纤和传感头；所述的传输光纤用于光收发模块与传感头之间的光传输；所述的传感头包括温度传感元件和光纤反射镜，温度传感元件为一段保偏光纤，该段保偏光纤的第一端设置有光纤反射镜，第二端与另一段保偏光纤偏振轴之间呈45度融接连接。

2.根据权利要求1所述的一种光纤温度传感器，其特征在于：所述的传输光纤为保偏光纤，传输光纤直接与温度传感元件的第二端连接，并且两段保偏光纤的偏振轴之间呈45度融接连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种光纤温度传感器，其特征在于：当所述的传输光纤为保偏光纤时，所述的光收发模块光源、光纤环路器、偏振分束器和两个光电检测器，所述的光纤环路器和偏振分束器均为三端口器件，其中，光纤环路器的前端两个端口通过单模光纤分别连接光源和第一光电检测器，后端的第三端口通过单模光纤连接偏振分束器前端的第一端口，偏振分束器前端的第二端口通过单模光纤连接第二光电检测器，后端的第三端口连接传输光纤。

4.根据权利要求1或2所述的一种光纤温度传感器，其特征在于：光纤温度传感器的温度通过两个光电检测器的读数D₁和D₂，用下面公式确定：

F (T) = \frac{D_{1} - D_{2}}{D_{1} + D_{2}} .

5.根据权利要求1所述的一种光纤温度传感器，其特征在于：所述的传输光纤为单模光纤，此时在传感头上安装一个起偏器，起偏器一端与传输光纤连接，另一端与温度传感元件之间通过保偏光纤连接，该段保偏光纤与温度传感元件所采用保偏光纤的偏振轴之间呈45度融接连接。

6.根据权利要求1或5所述的一种光纤温度传感器，其特征在于：当所述的传输光纤为单模光纤时，所述的光收发模块主要由光纤耦合器和两个光电检测器组成，所述的光纤耦合器为四端口，其中第一个端口用于直接接收光源发射的光，第二个端口连接传输光纤，其余两个端口连接两个光电检测器。

7.根据权利要求1或5所述的一种光纤温度传感器，其特征在于：所述的光电检测器中，一个光电检测器用于检测单模光纤返回的偏振态光强D₃，另一个光电检测器用于检测光源所发出光的强度D₄，并同时监示光功率的变化，然后根据公式：

F (T) = \frac{D_{3}}{D_{4}}

计算得到所需检测的温度T，式中D₃和D₄分别两个光电检测器的读数。