CN102539014A

CN102539014A - 一种用于分布式光纤温度传感器的微型光机电装置

Info

Publication number: CN102539014A
Application number: CN2012100236316A
Authority: CN
Inventors: 周金龙; 田群; 朱冬宏
Original assignee: KINGSHORE NEW RESOURCES ELECTRIC JIANGSU CO Ltd
Current assignee: KINGSHORE NEW RESOURCES ELECTRIC JIANGSU CO Ltd
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2032-02-03
Also published as: CN102539014B

Abstract

本发明公开了光纤传感技术领域内的一种用于分布式光纤温度传感器的微型光机电装置，包括安装在壳体内的第一准直器尾纤、第二准直器尾纤以及衍射光栅，第二准直器尾纤外接有传感光纤，背向散射光经衍射光栅的反射光路上安置有反斯托克斯光波长的带通滤波片和斯托克斯光波长的带通滤波片，反斯托克斯光波长的带通滤波片的透射光路上安置有第一自聚焦透镜，第一自聚焦透镜的焦点处安置有第一雪崩光电二极管，斯托克斯光波长的带通滤波片的透射光路上安置有第二自聚焦透镜，第二自聚焦透镜的焦点处安置有第二雪崩光电二极管，本发明可靠的分离出反斯托克斯光和斯托克斯光，从而获得准确的温度信息，提高了系统的温度分辨率。

Description

一种用于分布式光纤温度传感器的微型光机电装置

技术领域

本发明涉及一种光电装置，特别涉及一种用于分布式光纤温度传感器的微型光机电装置，属于光纤传感技术领域。

背景技术

自1985年J.P.Dakin等人首次成功实现基于喇曼散射的分布式测温技术以来，人们对实现分布式光纤温度传感的各种技术展开了广泛的研究，其中基于喇曼散射的分布式传感技术得到了最为广泛的实际应用。与传统的传感器相比，分布式光纤温度传感器具有诸多卓越的优势：以光纤本身作为传感媒介，一次测量就可以得到沿光纤分布的数千点温度信息，实现了连续分布式测量，降低了测量不确定度；测量距离远，测量时间短，适合远程实时监控；灵敏度高，测量精度高，误报率、漏报率低；耐腐蚀、耐水、耐火、电磁干扰免疫，可靠性高，维护成本低。

基于喇曼散射的分布式光纤温度传感器的基本原理是：在传感光纤的一端注入激光脉冲，当激光脉冲在光纤中传播时由于纤芯分子的热振动与光子相互作用而发生能量交换，产生了喇曼散射。具体的说，当光子的一部分能量传递给分子的热振动时，那么将发出波长比原来激光波长长的光子，称为喇曼斯托克斯(Raman Stokes)光；当分子热振动的一部分能量传递给光子时，那么将发出波长比原来激光波长短的光子，称为喇曼反斯托克斯(Raman Anti-Stokes)光。其中，喇曼反斯托克斯光对温度很敏感，而喇曼斯托克斯光对温度不敏感。因为光子在光纤中的传播速度是一定的，通过测量喇曼反斯托克斯光与注入激光脉冲之间的时延，就能够定位温度信息，从而实现了分布式温度传感。通常称这种传感技术为Raman-DTS (Raman Distributed Temperature Sensing)。

Raman-DTS的关键技术之一是如何分离出喇曼反斯托克斯光和斯托克斯光，通常需要设计独特的波分复用器来实现，激光脉冲在光纤中传输的过程中，除了会产生喇曼反斯托克斯光和斯托克斯光外，还会产生瑞利散射光，其波长与输入的激光脉冲波长相同。而且相对于喇曼反斯托克斯光和斯托克斯光而言，瑞利散射光的强度高很多；通常，瑞利散射光的强度比斯托克斯光高三个数量级，比反斯托克斯光高四个数量级。因此，在强瑞利光噪声背景下准确的提取斯托克斯光和反斯托克斯光，以及防止斯托克斯光与反斯托克斯光相互串扰，成为Raman-DTS的关键技术。为了准确解调出温度信息，通常对这种波分复用器件的隔离度要求大于60 dB。

附图2是公开号为CN 101696896中国专利申请公开的一种用于分布式光纤温度传感器的波分复用器件的原理模型图。其中，21是光环行器，22是反斯托克斯波长的滤波片，23是斯托克斯波长的滤波片。激光脉冲由端口1注入，并通过光环行器21输出到端口2，端口2接传感光纤；传感光纤中的背向散射光返回端口2，并通过光环行器21输出到反斯托克斯波长的滤波片22；反斯托克斯光透射滤波片22由端口3输出；斯托克斯光和瑞利散射光被滤波片22反射，并输出到斯托克斯波长的滤波片23，斯托克斯光透射滤波片23，由端口4输出。从而分离出反斯托克斯光和斯托克斯光。这种波分复用器件的隔离度主要取决于两个滤波片22、23的透射隔离度，通常这样的滤波片的的透射隔离度在35dB左右。因此，器件的隔离度很难超过40dB。

附图3是公开号为CN 101696896中国专利申请公开的另一种用于分布式光纤温度传感器的波分复用器件的原理模型图。其中，31是1X3双向耦合器，32是反斯托克斯波长的滤波片，33是斯托克斯波长的滤波片。激光脉冲由端口1注入，并通过1X3双向耦合器31输出到端口2，端口2接传感光纤；传感光纤中的背向散射光返回端口2，并通过1X3双向耦合器31；用反斯托克斯波长的滤波片32、斯托克斯波长的滤波片33分别滤出反斯托克斯光和斯托克斯光，并分别由端口3和端口4输出。从而分离出反斯托克斯光和斯托克斯光。首先，这种波分复用器件采用的是1X3双向耦合器，会引入约9.5dB（10log(1/9)=9.5dB）的额外损耗，大大削弱了可以利用的反斯托克斯光和斯托克斯光强度；其次，器件的隔离度很难超过40dB，原因同上。

如果在分布式光纤温度传感器中使用常规的波分复用器件，通常由于隔离度不够，会造成反斯托克斯光和斯托克斯光的相互串扰，以及瑞利散射光的干扰，这样的话，就难以获得准确的温度信息和高分辨率，严重情况下甚至导致温度曲线扭曲，系统不能正常工作。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种具有高隔离度、低插入损耗的用于分布式光纤温度传感器的光电装置，从而能够直接获得准确的反斯托克斯光和斯托克斯光的电信号，进而可以获得准确的温度信息，提高了系统的温度分辨率和精确度。

本发明的目的是这样实现的：一种用于分布式光纤温度传感器的微型光机电装置，包括安装在壳体内的输入激光脉冲的第一准直器尾纤、输入背向散射光的第二准直器尾纤以及反射激光脉冲和背向散射光的衍射光栅，所述第二准直器尾纤外接有传感光纤，所述背向散射光经衍射光栅的反射光路上安置有反斯托克斯光波长的带通滤波片和斯托克斯光波长的带通滤波片，所述反斯托克斯光波长的带通滤波片的透射光路上安置有第一自聚焦透镜，所述第一自聚焦透镜的焦点处安置有第一雪崩光电二极管，所述斯托克斯光波长的带通滤波片的透射光路上安置有第二自聚焦透镜，所述第二自聚焦透镜的焦点处安置有第二雪崩光电二极管。

本发明工作时，激光脉冲从第一准直器的尾纤输入，经过衍射光栅衍射，耦合进入第二准直器，射入传感光纤；传感光纤中产生的背向散射光从第二准直器返回；背向散射光中的反斯托克斯光经衍射光栅衍射，透射反斯托克斯光波长的带通滤波片，再经过第一自聚焦透镜耦合到第一雪崩光电二极管，转换为电信号输出；背向散射光中的斯托克斯光经衍射光栅衍射，透射斯托克斯光波长的带通滤波片，再经过第二自聚焦透镜耦合到第二雪崩光电二极管，转换为电信号输出，从而完成了反斯托克斯光和斯托克斯光的分离；由于反斯托克斯光的隔离度主要由衍射光栅和反斯托克斯光波长的带通滤波片保证，因此能够高于60 dB；而斯托克斯光的隔离度主要由衍射光栅和斯托克斯光波长的带通滤波片保证，因此也能够高于60 dB。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：其提供了实现高隔离度的一种波分复用器件，使得反斯托克斯光、斯托克斯光及瑞利散射光三者的隔离度都大于60 dB，完全满足当前分布式光纤温度传感器对隔离度的严苛要求。并且，反斯托克斯光和斯托克斯光的插入损耗都小于1.7 dB，完全能够满足当前分布式光纤温度传感器对插入损耗的要求，因此在分布式光纤温度传感器利用本光机电装置，能够获得准确的温度信息，提高系统的温度分辨率；与此同时，本装置仅通过使用两个准直器、一个衍射光栅、一个反斯托克斯光波长的带通滤波片、一个斯托克斯光波长的带通滤波片、两个自聚焦透镜、两个雪崩光电二极管即完成了对反斯托克斯光与斯托克斯光的精确分离，其结构简单，体积小，节约了材料，节省了生产成本。

作为本发明的改进，所述激光脉冲经衍射光栅反射到第二准直器内的光路上安置有反射镜，所述反射镜上连接有反射镜驱动，所述激光脉冲经反射镜的反射光路上设置有输入背向散射光的第三准直器尾纤，所述第三准直器尾纤外接有传感光纤。工作过程中可通过控制反射镜驱动而控制反射镜工作，将经衍射光栅衍射后的激光脉冲反射进入第三准直器，再射入传感光纤；传感光纤中产生的背向散射光从第三准直器中返回，其原理与从第二准直器中返回的背向散射光原理相同，实现了反斯托克斯光和斯托克斯光的分离，通过增加本套反射系统实现了光路通道的切换，扩大了本光机电装置的适用范围。

作为本发明的进一步改进，所述反射镜上镀有覆盖激光脉冲波长、反斯托克斯光波长及斯托克斯光波长的高反射膜，反射率大于98%，插入损耗小于0.1dB。

为了进一步保证光的反射和耦合效果，所述衍射光栅为反射式平面相位衍射光栅。所述衍射光栅能够将输入的激光脉冲、反斯托克斯光和斯托克斯光的零级衍射错开一定的角度，使得三种波长的光分离。衍射效率大于96%，插入损耗小于0.2dB，三种波长的隔离度大于10 dB。所述反斯托克斯光波长的带通滤波片双面镀有带通膜，其透射中心波长与输入激光脉冲所激发的反斯托克斯光波长相匹配，其透射带宽能够覆盖反斯托克斯光谱，这种带通滤波片透射隔离强度大于50dB，透射插入损耗小于0.5dB。同样地，所述斯托克斯光波长的带通滤波片双面镀有带通膜，其透射中心波长与输入激光脉冲所激发的斯托克斯光波长相匹配，其透射带宽能够覆盖斯托克斯光谱，这种带通滤波片透射隔离强度大于50dB，透射插入损耗小于0.5dB。所述第一准直器、第二准直器、第三准直器、第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜上都镀有增透膜，其插入损耗小于0.2dB。

为了进一步获得准确的温度信息，提高系统的温度分辨率，所述第一雪崩光电二极管的光接收面位于第一自聚焦透镜的焦点，所述第二雪崩光电二极管的光接收面位于第二自聚焦透镜的焦点。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为背景技术文件之一（公开号：CN 101696896）的原理模型图。

图3为背景技术文件之二（公开号：CN 101696896）的原理模型图。

图4为本发明一种工作状态原理图。

图5为本发明另一种工作状态原理图。

其中，101-第一准直器尾纤；102-第一准直器；103-第二准直器尾纤；104-第二准直器；105-传感光纤；106-衍射光栅；107-反斯托克斯光波长的带通滤波片；108-第一自聚焦透镜；109-第一雪崩光电二极管；110-斯托克斯光波长的带通滤波片；111-第二自聚焦透镜；112-第二雪崩光电二极管；113-反射镜；114-反射镜驱动；115-第三准直器尾纤；116-第三准直器；21-光环行器；22-反斯托克斯波长的滤波片；23-斯托克斯波长的滤波片；31-1X3双向耦合器；32-反斯托克斯波长的滤波片；33-斯托克斯波长的滤波片。

具体实施方式

如图1所示的一种用于分布式光纤温度传感器的微型光机电装置，包括安装在壳体内的输入激光脉冲的第一准直器尾纤101、输入背向散射光的第二准直器尾纤103以及反射激光脉冲和背向散射光的衍射光栅106，第二准直器尾纤103外接有传感光纤105，背向散射光经衍射光栅106的反射光路上安置有反斯托克斯光波长的带通滤波片107和斯托克斯光波长的带通滤波片110，反斯托克斯光波长的带通滤波片107的透射光路上安置有第一自聚焦透镜108，第一自聚焦透镜108的焦点处安置有第一雪崩光电二极管109，斯托克斯光波长的带通滤波片110的透射光路上安置有第二自聚焦透镜111，第二自聚焦透镜111的焦点处安置有第二雪崩光电二极管112，激光脉冲经衍射光栅106反射到第二准直器104内的光路上安置有反射镜113，反射镜113上连接有反射镜驱动114，激光脉冲经反射镜113的反射光路上设置有输入背向散射光的第三准直器尾纤115，第三准直器尾纤115外接有传感光纤105，反射镜113上镀有覆盖激光脉冲波长、反斯托克斯光波长及斯托克斯光波长的高反射膜，衍射光栅106为反射式平面相位衍射光栅106，反斯托克斯光波长的带通滤波片107双面镀有带通膜，其透射中心波长与输入激光脉冲所激发的反斯托克斯光波长相匹配，其透射带宽能够覆盖反斯托克斯光谱，斯托克斯光波长的带通滤波片110双面镀有带通膜，其透射中心波长与输入激光脉冲所激发的斯托克斯光波长相匹配，其透射带宽能够覆盖斯托克斯光谱，第一准直器102、第二准直器104、第三准直器116、第一自聚焦透镜108、第二自聚焦透镜111上都镀有增透膜，第一雪崩光电二极管109的光接收面位于第一自聚焦透镜108的焦点，第二雪崩光电二极管112的光接收面位于第二自聚焦透镜111的焦点。

本实施例中，因为输入的激光脉冲波长为1550nm、带宽为1nm，斯托克斯波长约为1663nm、带宽约为3nm，反斯托克斯波长约为1450nm、带宽约为3nm，所以选择反斯托克斯波长的带通滤波片的透射中心波长为1450nm，透射带宽为14nm，透射隔离度和插入损耗分别为50dB和0.5dB；斯托克斯波长的带通滤波片的透射中心波长为1663nm，透射带宽为14nm，透射隔离度和插入损耗分别为50dB和0.5dB。

本发明工作时：

若反射镜113复位，如图4所示，光路通道ch0~ch1工作，激光脉冲从第一准直器102的尾纤输入，经过衍射光栅106反射，耦合进入第二准直器104，射入传感光纤105；传感光纤105中产生的背向散射光从第二准直器104返回；背向散射光中的反斯托克斯光经衍射光栅106反射，透射反斯托克斯光波长的带通滤波片107，再经过第一自聚焦透镜108耦合到第一雪崩光电二极管109，转换为电信号输出，反斯托克斯光的整个路径为a→b→c₁→b→d→e；背向散射光中的斯托克斯光经衍射光栅106反射，透射斯托克斯光波长的带通滤波片110，再经过第二自聚焦透镜111耦合到第二雪崩光电二极管112，转换为电信号输出，斯托克斯光的整个路径为a→b→c₁→b→f→g，从而完成了反斯托克斯光和斯托克斯光的分离；

若第三准直器116对应的反射镜113被驱动，如图5所示，光路通道ch0~ch2工作，激光脉冲从第一准直器102的尾纤输入，经过衍射光栅106反射后再经反射镜113反射，耦合进入第三准直器116，射入传感光纤105；传感光纤105中产生的背向散射光从第三准直器116返回；背向散射光中的反斯托克斯光经衍射光栅106反射，透射反斯托克斯光波长的带通滤波片107，再经过第一自聚焦透镜108耦合到第一雪崩光电二极管109，转换为电信号输出，反斯托克斯光的整个路径为a→b→c₂→b→d→e；背向散射光中的斯托克斯光经衍射光栅106反射，透射斯托克斯光波长的带通滤波片110，再经过第二自聚焦透镜111耦合到第二雪崩光电二极管112，转换为电信号输出，斯托克斯光的整个路径为a→b→c₂→b→f→g，从而完成了反斯托克斯光和斯托克斯光的分离。

如果设置更多的反射镜113及反射镜113驱动114，则可以扩展更多的光路通道，工作原理与上述相同。

本发明并不局限于上述实施例，如增加反射系统的数量，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims

1. 一种用于分布式光纤温度传感器的微型光机电装置，其特征在于，包括安装在壳体内的输入激光脉冲的第一准直器尾纤、输入背向散射光的第二准直器尾纤以及反射激光脉冲和背向散射光的衍射光栅，所述第二准直器尾纤外接有传感光纤，所述背向散射光经衍射光栅的反射光路上安置有反斯托克斯光波长的带通滤波片和斯托克斯光波长的带通滤波片，所述反斯托克斯光波长的带通滤波片的透射光路上安置有第一自聚焦透镜，所述第一自聚焦透镜的焦点处安置有第一雪崩光电二极管，所述斯托克斯光波长的带通滤波片的透射光路上安置有第二自聚焦透镜，所述第二自聚焦透镜的焦点处安置有第二雪崩光电二极管。

2. 根据权利要求1所述的一种用于分布式光纤温度传感器的微型光机电装置，其特征在于，所述激光脉冲经衍射光栅反射到第二准直器内的光路上安置有反射镜，所述反射镜上连接有反射镜驱动，所述激光脉冲经反射镜的反射光路上设置有输入背向散射光的第三准直器尾纤，所述第三准直器尾纤外接有传感光纤。

3. 根据权利要求2所述的一种用于分布式光纤温度传感器的微型光机电装置，其特征在于，所述反射镜上镀有覆盖激光脉冲波长、反斯托克斯光波长及斯托克斯光波长的高反射膜。

4. 根据权利要求1-3中任一项所述的一种用于分布式光纤温度传感器的微型光机电装置，其特征在于，所述衍射光栅为反射式平面相位衍射光栅。

5. 根据权利要求1-3中任一项所述的一种用于分布式光纤温度传感器的微型光机电装置，其特征在于，所述反斯托克斯光波长的带通滤波片双面镀有带通膜，其透射中心波长与输入激光脉冲所激发的反斯托克斯光波长相匹配，其透射带宽能够覆盖反斯托克斯光谱。

6. 根据权利要求1-3中任一项所述的一种用于分布式光纤温度传感器的微型光机电装置，其特征在于，所述斯托克斯光波长的带通滤波片双面镀有带通膜，其透射中心波长与输入激光脉冲所激发的斯托克斯光波长相匹配，其透射带宽能够覆盖斯托克斯光谱。

7. 根据权利要求1-3中任一项所述的一种用于分布式光纤温度传感器的微型光机电装置，其特征在于，所述第一准直器、第二准直器、第三准直器、第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜上都镀有增透膜。

8. 根据权利要求1-3中任一项所述的一种用于分布式光纤温度传感器的微型光机电装置，其特征在于，所述第一雪崩光电二极管的光接收面位于第一自聚焦透镜的焦点，所述第二雪崩光电二极管的光接收面位于第二自聚焦透镜的焦点。