CN102539015A

CN102539015A - 一种分布式温度传感光纤

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Publication number: CN102539015A
Application number: CN2012100332582A
Authority: CN
Inventors: 夏涛; 张睿; 李小兵; 刘莹; 陆华清
Original assignee: Yangtze Optical Fibre and Cable Co Ltd
Current assignee: Yangtze Optical Fibre and Cable Co Ltd
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2032-02-15
Also published as: CN102539015B

Abstract

本发明涉及一种适用于基于拉曼散射原理和光时域反射技术相结合的分布式测温系统中的温度传感光纤，包括有芯层、包层和树脂涂覆层，其特征在于芯层直径R1为20um～25um，芯层折射率剖面程抛物线型分布，最大相对折射率差Δ1_max为3.3％～4％；包层由内向外分为内包层、下陷包层和外包层三个部分，内包层厚度W2为0～8um，其相对折射率差为Δ2为-0.05％～0.05％，下陷包层厚度W3为2～10um，相对折射率差为Δ3为-0.10％～-0.25％，外包层半径R4为40～45um，其相对折射率差为Δ4为-0.05％～0.05％；树脂涂覆层外径R5为80um～85um。本发明能提高系统的温度探测能力及环境稳定性，减轻温度传感系统前端探测激光脉冲发射部分以及后端光信号检测放大以及数据处理部分的设计难度。

Description

一种分布式温度传感光纤

技术领域

本发明涉及光电子技术及光纤制造领域，具体涉及到一种适用于基于拉曼散射原理和光时域反射技术相结合的分布式测温系统中的温度传感光纤的结构设计。

背景技术

分布式光纤测温系统将拉曼散射原理和光时域反射技术集合，通过采集光纤中携带温度信息的后向自发拉曼散射中的反斯托克斯光作为信号通道，同时采集的斯托克斯光或瑞利散射光作为对比通道，经光电转换及模数转换后通过数据处理还原出沿光纤的温度场分布。分布式光纤测温系统的关键性能参数包括温度分辨率，空间分辨率，测温长度，单次测量时间等。

在实际的测温系统中，为了获得较高的温度分辨率，我们希望信号接收端接收到的自发拉曼后向散射光功率越高越好，通常采用的办法是增大入纤脉冲光功率，但是在增大入纤光功率的手段受到了光纤自身受激拉曼散射阈值的限制。我们也可以采用高灵敏度和高增益的光电转换器件和放大电路，同时配合采用多次数据累加的手段以提高系统的信噪比，但是这将大大增加系统的制造成本，显著延长系统对温度的单次测量时间，降低了系统测温的实时性。

为了获得较高的空间分辨率，通常采用的办法是减小探测光的脉冲宽度，由探测光脉冲宽度决定的最小空间分辨率为ΔL₁＝(C/2n)·ΔT，其中ΔT为光脉冲宽度。在探测光源功率密度一定的情况下，缩短探测光脉冲宽度ΔT会降低脉冲光的总功率，会在一定程度上劣化系统的温度分辨率和测温长度。

系统的测温长度取决与系统的入纤功率和光纤的衰耗，其入纤功率限制于光纤的受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering)功率阈值，其估算公式为

P_{th} = \frac{{16 A}_{eff}}{g_{R} [1 - \exp (- αL)] / α}

其中A_eff为光纤的有效截面积，g_R为光纤的拉曼增益系数，α为光纤工作波长的衰耗系数，L为光纤的长度。研究表明，增大光纤的有效面积有利于降低光纤中的功率的体密度从而提高光纤的受激拉曼阈值。而随着测温光纤长度的增加其SRS功率阈值会显著下降，限制了分布式测温系统的测温长度。

系统的单次测温时间限制于光脉冲的重复频率和数据累加次数。在测温系统的实际信号采样中，微弱的温度信号是淹没于随机的系统噪声之中的，为了提高系统的信噪比，一般采用多次累加平均的方法提高信噪比，对于n次累加，其信噪比(Signal To Noise Ratio STNR)为

{STNR}_{n} = {(\frac{S}{N})}_{n} = \sqrt{n} {(\frac{S}{N})}_{n}

n次累加平均后的信噪比改善了

倍。对于光源重复频率10kHz的测温系统，要达到3s的单次测量时间，则其数据累加及处理的时间要小于30000次，为了达到指定的温度分辨率，对系统设计提出了很高的要求。

通常在分布式光纤测温系统中采用的光纤为常规的通信光纤，例如GI62.5多模光纤(OM1)、GI50多模光纤(OM2，OM3)或色散补偿光纤(DCF)。这些光纤用在上述分布式光纤测温系统中的问题是：数值孔径较小，后向自发拉曼散射光的捕获能力不强(GI62.5，GI50)；有效截面积小，SRS功率阈值低(DCF)；高湿及氢气环境中衰耗不均匀增大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足提供一种更适合分布式光纤测温系统的温度传感光纤，这种温度传感光纤能克服常规通信光纤后向散射信号捕获能力差、衰耗谱易受环境影响以及受激拉曼散射阈值较低的弊端，在不显著增加整个测温系统的成本条件下提高系统的温度探测能力及环境稳定性，从而减轻温度传感系统前端探测激光脉冲发射部分以及后端光信号检测放大以及数据处理部分的设计难度。

本发明为解决上述技术问题所提出的技术方案为：包括有芯层、包层和树脂涂覆层，其特征在于芯层直径R1为20um～25um，芯层折射率剖面程抛物线型分布，折射率分布指数α为1.9～2.1，最大相对折射率差(相对折射率差均以纯硅折射率1.457为基准)Δ1_max为3.3％～4％；包层由内向外分为内包层、下陷包层和外包层三个部分，内包层厚度W2为0～8um，其相对折射率差为Δ2为-0.05％～0.05％，下陷包层厚度W3为2～10um，相对折射率差为Δ3为-0.10％～-0.25％，外包层半径R4为40～45um，其相对折射率差为Δ4为-0.05％～0.05％；树脂涂覆层外径R5为80um～85um。

按上述方案，所述光纤的数值孔径大于或等于0.33，甚至达到0.40以上。

按上述方案，所述光纤在1300nm光源测试下带宽可达到100MHz*km或100MHz*km以上，甚至可达到200～400MHz*km。

按上述方案，所述光纤经过氢损老化后在各拉曼散射信号波段(1451nm，1550nm及1663nm)的附加损耗均小于或等于0.015dB/km。

按上述方案，光纤的纤芯由氟、锗及石英玻璃掺杂而成，其中氟掺杂对折射率的贡献量约为-0.1％。

按上述方案，光纤的包层由氟、锗及石英玻璃掺杂而成，其中氟掺杂对折射率的贡献量约为-0.1％。

按上述方案，光纤的涂覆层材料为高分子材料，可由一次或多次涂覆固化而成，根据光纤机械性能的需要可由不同杨氏模量的树脂材料制成。

本发明的的有益效果在于：1、设计出一种适合于拉曼散射原理的和OTDR技术相结合的分布式测温系统的传感光纤，其剖面结构中的芯层折射率达到4％，下陷包层深度达到-0.25％，该光纤的数值孔径大于0.33，增强了该测温光纤对后向拉曼散射信号的捕捉能力，在不增加系统成本的情况下将携带温度的拉曼散射信号提高了3-10dB，增强了系统的温度分辨率；2、和一般的单模通信光纤相比，本发明温度传感光纤的芯径及有效截面积A_eff较大，降低了该光纤的体功率密度，提高了其收集拉曼散射的功率阈值，从而可以提高探测光脉冲功率获得更高的温度分辨率和测温长度；3、当测温系统在1550nm探测波长附近工作时，其携带温度信息的反斯托克斯散射光波长约在1451nm，而参考光为rayleigh散射光(1550nm)或斯托克斯散射光(1663nm)。光纤中的掺杂可以改变光纤的折射率，黏度，衰耗等物理和化学性质，使光纤折射率上升的掺杂材料包括锗、铝、氯、稀土元素等等，使光纤折射率下降的掺杂材料包括氟、硼等等，其中氟具很强的单键结合能力，通过占据光纤中的硅氧单键来抑制在光纤高氢高湿工作环境下OH^-与光纤分子结合引起的1383nm波长附近衰耗明显上升效应。当在光纤的芯层及包层中掺杂了氟元素，通过其化学活性占据了光纤本身结构不完善以及拉丝断键中造成的硅氧单键，抑制了测温环境中的高氢高湿产生的OH^-对拉曼散射反斯托克斯光成分的影响产生的测温漂移。4、本发明光纤的包层及涂覆层直径较常规光纤较小，加快了温度到纤芯的传导速度，缩短了系统探测的温度相应时间。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构截面示意图。

图2是本发明一个实施例的的折射率剖面分布图。

图3是常规光纤初始以及氢损和浸水处理后的衰耗谱。

图4是本发明初始以及氢损和浸水处理后的衰耗谱。

图5是常规光纤和本发明提供的光纤在相同入纤探测光功率下的后向拉曼散射曲线对比图。

具体实施方式

下面结合详细的实施例和附图对本发明进行详细说明：

包括有芯层1、包层和树脂涂覆层5，芯层折射率剖面程抛物线型分布，包层由内向外分为内包层2、下陷包层3和外包层4三个部分。

按照上述技术方案的设计，制备了一组光纤，其相关参数如下：

采用本发明的光纤进行测温实验，在信号接收端探测到的携带温度信号的拉曼散射反斯托克斯信号的强度比常规GI62.5光纤高了3～10dB，温度分辨率提高了2～10倍，达到0.05℃。纤芯的相对折射率提高了2％，在光脉冲宽度不变的情况下一定程度提高了系统的空间分辨率。明显降低了氢损对光纤引入的附加衰耗，降低了高湿高氢工作环境下的测温漂移，增强了系统的稳定性。

Claims

1.一种分布式温度传感光纤，包括有芯层、包层和树脂涂覆层，其特征在于芯层直径R1为20um～25um，芯层折射率剖面程抛物线型分布，折射率分布指数α为1.9～2.1，最大相对折射率差Δ1_max为3.3％～4％；包层由内向外分为内包层、下陷包层和外包层三个部分，内包层厚度W2为0～8um，其相对折射率差为Δ2为-0.05％～0.05％，下陷包层厚度W3为2～10um，相对折射率差为Δ3为-0.10％～-0.25％，外包层半径R4为40～45um，其相对折射率差为Δ4为-0.05％～0.05％；树脂涂覆层外径R5为80um～85um。

2.按权利要求1所述的分布式温度传感光纤，其特征在于所述光纤的数值孔径大于或等于0.33。

3.按权利要求1或2所述的分布式温度传感光纤，其特征在于所述光纤在1300nm光源测试下带宽达到100MHz*km或100MHz*km以上。

4.按权利要求1或2所述的分布式温度传感光纤，其特征在于所述光纤经过氢损老化后在各拉曼散射信号波段的附加损耗均小于或等于0.015dB/km。

5.按权利要求1或2所述的分布式温度传感光纤，其特征在于所述光纤的纤芯由氟、锗及石英玻璃掺杂而成，其中氟掺杂对折射率的贡献量约为-0.1％。

6.按权利要求1或2所述的分布式温度传感光纤，其特征在于所述光纤的包层由氟、锗及石英玻璃掺杂而成，其中氟掺杂对折射率的贡献量约为-0.1％。