CN103487167A

CN103487167A - 一种用于多通道分布式光纤温度传感系统的微型光模块

Info

Publication number: CN103487167A
Application number: CN201310493817.2A
Authority: CN
Inventors: 郑光辉
Original assignee: Wuhan Six Or Nine Sensing Science And Technology Ltds
Current assignee: Wuhan Six Or Nine Sensing Science And Technology Ltds
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2033-10-21
Also published as: CN103487167B

Abstract

本发明涉及一种用于多通道分布式光纤温度传感系统的微型光模块，其不同之处在于：其包括单模转多模准直器、多模准直器、两个波分复用滤波片、一个光路切换元件、两个带通滤波片、两个具有会聚功能的TO气密性封装的雪崩光电二极管APD、闭封装整个光学器件的壳体，所述单模转多模准直器的透射光路上平行设置有两个与光轴成夹角的波分复用滤波片，每个波分复用滤波片的反射光路上均设置有一个所述雪崩光电二极管APD，每个雪崩光电二极管APD上方均设置有所述带通滤波片，所述带通滤波片的入射光与光轴成夹角，波分复用滤波片与多模准直器之间设置有用以切换光路通道的光路切换元件。本发明能多通道测量，集成度高、体积小、可靠性高。

Description

一种用于多通道分布式光纤温度传感系统的微型光模块

技术领域

本发明涉及光纤传感、光学测量技术领域，具体涉及一种用于多通道分布式光纤温度传感系统的微型光模块。

背景技术

分布式光纤温度传感技术是近几年国内飞速发展的关键技术之一。分布式光纤温度传感系统以普通多模光纤为传感载体，不仅具有普通光纤传感器的优点，另还有对光纤沿线各点的温度场分布进行实时传感的能力，非常适用于大范围多点测温的应用场合，比如高压电力电缆、大型发电机、变压器、煤炭、锅炉等测温场合。

分布式光纤温度传感系统基本原理主要是基于光纤的背向拉曼散射温度效应和先进的光时域反射（OTDR）技术。当一个或一系列激光脉冲从光纤的一端注入光纤时，这个光脉冲会沿着光纤向前传播，在传播过程中，光会在光纤沿线的每一点都会产生喇曼散射现象，产生的喇曼散射光中，有一部分光被光纤重新捕获并沿着激光传播相反的方向返回，此部分喇曼散射光被称为背向散射光。在散射光中，光波长大于入射激光脉冲波长的成分被称为斯托克斯光(Stock，S)；波长小于入射激光脉冲波长的成分被称为反斯托克斯光(Anti-Stockes,AS)。这两种信号即喇曼斯托克斯光和喇曼反斯托克斯光的强度正好对当前光纤所在位置处的温度敏感，因此可以通过探测这两个信号的大小计算出当前光纤点所在位置处的温度，并且通过计算背向散射信号与入射光脉冲之间的时间差，就可以通过背向散射信号在光纤中传播的速度推算出此温度数据是对应于光纤中的哪一点。

分布式光纤温度传感系统测量时间通常与测温光缆长度成正比，因此在很多场合，都采用多通道测量方式来节约系统成本和系统占用体积。但目前大多厂家都是通过在主机内配置一个或多个光开光模块来切换各个通道，如在专利“一种多通道分布式光纤温度传感系统”（专利号CN102539010A）中提到利用一个1xn耦合器将脉冲光源的光分开后，分别通过N个WDM模块、N个光开光进入到N路通道中，从而达到多通道分布式光纤测温的目的，见附图4，此种结构的优点是脉冲光源可以复用，节省了光源的个数和系统成本，但通过众多的分离模块，整个系统的插入损耗会大大增加，从而降低了整个系统的检测灵敏度和精度。

分布式光纤温度传感系统的核心技术之一是开发低插损、高隔离度、微型化的光学模块。目前市面上通常采用分离元件的方法来提取斯托克斯光和反斯托克斯光分量，如附图5所示，高功率脉冲激光通过一个三端口WDM耦合器连接光开光后注入到不同通道的光纤中，从不同通道的光纤中反射回的携带温度信息量的斯托克斯光和反斯托克斯光分别从WDM耦合器的两输出端输出，通过两个分离的APD接收后进行信息处理。见专利“嵌入式光开关的分布式光纤拉曼温度传感器”（发明专利号：CN101813530A）。这种方法采用分离模块搭建传感系统，虽然简单灵活，但引入的插损大、体积大、各个模块选型时很难保证所用光纤类型完全匹配，导致整个系统拼接时差异性较大。另一个关键的问题是，在实际使用中，脉冲光信号是单模光纤输入，而传感光纤通常是多模光纤，这样就存在模式不匹配的问题，同样导致插入损耗的增加，导致传感检测的范围和精度下降。虽然专利“一种光时域反射装置”（见专利号：201010150195.X）也提出了一种采用空间光学方法实现的光时域反射装置，也可应用于分布式光纤温度传感系统中，降低了插损、提高了检测范围和灵敏度，并且也实现了小型化，见附图6。但该方案中，有如下几个缺点：1）并没有解决脉冲光源输出的单模光纤与传感反射回的多模光纤的模式匹配问题；2）第二个APD(410)的耦合位置与水平轴成一倾斜角度，既不利于耦合，也会使整个光学模块体积增大；3）不能做到多通道测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种用于多通道分布式光纤温度传感系统的微型光模块，能多通道测量，集成度高、体积小、可靠性高。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种用于多通道分布式光纤温度传感系统的微型光模块，其不同之处在于：其包括单模转多模准直器、多模准直器、两个波分复用滤波片、一个光路切换元件、两个带通滤波片、两个具有会聚功能的TO气密性封装的雪崩光电二极管APD、闭封装整个光学器件的壳体，所述单模转多模准直器的透射光路上平行设置有两个与光轴成夹角的波分复用滤波片，每个波分复用滤波片的反射光路上均设置有一个所述雪崩光电二极管APD，每个雪崩光电二极管APD上方均设置有所述带通滤波片，所述带通滤波片的入射光与光轴成夹角，波分复用滤波片与多模准直器之间设置有用以切换光路通道的光路切换元件。

以上方案中，所述单模转多模准直器包括光纤、模场匹配元件、透镜，单模转多模准直器的输入端连接有单模输出的1550nm高功率脉冲光源。

以上方案中，所述多模准直器为2～8个多模准直器或一个多芯的多模准直器，多模准直器的输出端连接系统中的多模传感光纤。

以上方案中，所述波分复用滤波片与光轴成42～48度夹角，透射膜与激光器入射波长、非本路探测的波长一致，反射膜与本路探测的波长一致。

以上方案中，所述光路切换元件为MEMS调制元件或其它电调制的光学器件或其它组合的光学组件。

以上方案中，带通滤波片的入射光与光轴成0～8度夹角，透射膜与本路探测的波长一致,反射膜与激光器入射波长和非本路接收的波长一致。

对比现有技术，本发明的原理及有益效果如下：

该用于多通道分布式光纤温度传感系统的微型光模块采用空间光路，将传统的扰模器、波分复用器、光开关、APD四大功能集成于一体，大大减小了耦合损耗，提高了检测灵敏度，结构紧凑，稳定可靠；其采用单模转多模准直器，彻底解决了脉冲光源输出的单模光纤与传感反射回的多模光纤的模式匹配问题；另光路中内置一光路切换元件，可以灵活方便地切换到各个多通道传感系统中，不仅达到了多通道测量的目的，而且整个模块集成度高、体积小、可靠性高。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例二的结构示意图；

图3为本发明实施例的光路示意图；

图4为对比专利“一种多通道分布式光纤温度传感系统”（专利号：CN102539010A）的示意图；

图5为传统的采用分离模块拼接成的多通道分布式光纤温度传感系统的光路示意图；

图6为对比专利“一种光时域反射装置”（见专利号：201010150195.X）的示意图；

其中：110-第一光纤、120-第二光纤、190-第三光纤、210-第一透镜、220-第二透镜、290-第三透镜、310-第一波分复用滤波片、320-第二波分复用滤波片、330-第一带通滤波片、340-第二带通滤波片、410-模场匹配元件、510-光路切换元件、610-第一雪崩光电二极管APD、620-第二雪崩光电二极管APD、800-壳体。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

请参考图1、图2和图3，本发明实施例用于多通道分布式光纤温度传感系统的微型光模块，其包括单模转多模准直器、多模准直器、两个波分复用滤波片、一个光路切换元件510、两个带通滤波片、两个具有会聚功能的TO气密性封装的雪崩光电二极管APD、闭封装整个光学器件的壳体800，所述单模转多模准直器的透射光路上平行设置有两个与光轴成夹角的波分复用滤波片，每个波分复用滤波片的反射光路上均设置有一个所述雪崩光电二极管APD，每个雪崩光电二极管APD上方均设置有所述带通滤波片，所述带通滤波片的入射光与光轴成夹角，波分复用滤波片与多模准直器之间设置有用以切换光路通道的光路切换元件510。

具体的，所述单模转多模准直器包括光纤、模场匹配元件、透镜，单模转多模准直器的输入端连接有单模输出的1550nm高功率脉冲光源。

具体的，所述多模准直器为2～8个多模准直器或一个多芯的多模准直器，多模准直器的输出端连接系统中的多模传感光纤。

具体的，所述波分复用滤波片与光轴成42～48度夹角，透射膜与激光器入射波长、非本路探测的波长一致，反射膜与本路探测的波长一致。

具体的，所述光路切换元件为是MEMS调制元件或其它电调制的光学器件或其它组合的光学组件。

具体的，带通滤波片的入射光与光轴成0～8度夹角，透射膜与本路探测的波长一致,反射膜与激光器入射波长和非本路接收的波长一致。

请参考图1和图2，本发明实施例包括一个单模转多模准直器、N个多模准直器（N≤8）或一个多芯的多模准直器、一个光路切换元件、两个45度的波分复用滤波片和两个0度的带通滤波片，反射准直光经带通滤波片分别入射到具有会聚功能的TO气密性封装的第一、第二雪崩光电二极管中；整个光学器件密闭封装在一个特制壳体中。

光路原理参阅图3，首先，脉冲激光发出的光注入单模转多模准直器后，光的模式由单模变为多模，经第一波分复用滤波片310、第二波分复用滤波片320透射后，通过光路切换元件510切换到不同通道的多模准直器，连接系统用的多模传感光纤；经多模传感光纤背向散射的斯托克斯光和反斯托克斯光（背向散射光1、2）经原路返回，通过光路切换元件510透射后入射到第二波分复用滤波片320后，其中一路反射光（背向散射光1）经第二带通滤波片340透射后由第二雪崩光电二极管APD620接收；另一路透射光（背向散射光2）经第一带通滤波片330透射后由第一雪崩光电二极管APD610接收。

本发明实施例中采用空间光路，将传统的扰模器、波分复用器、光开关、APD四大功能集成于一体，大大减小了耦合损耗，提高了检测灵敏度，结构紧凑，稳定可靠。其中采用单模转多模准直器，彻底解决了脉冲光源输出的单模光纤与传感反射回的多模光纤的模式匹配问题；另光路中内置一光路切换元件，可以灵活方便地切换到各个多通道传感系统中，不仅达到了多通道测量的目的，而且整个模块集成度高、体积小、可靠性高。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案，都落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于多通道分布式光纤温度传感系统的微型光模块，其特征在于：其包括单模转多模准直器、多模准直器、两个波分复用滤波片、一个光路切换元件、两个带通滤波片、两个具有会聚功能的TO气密性封装的雪崩光电二极管APD、闭封装整个光学器件的壳体，所述单模转多模准直器的透射光路上平行设置有两个与光轴成夹角的波分复用滤波片，每个波分复用滤波片的反射光路上均设置有一个所述雪崩光电二极管APD，每个雪崩光电二极管APD上方均设置有所述带通滤波片，所述带通滤波片的入射光与光轴成夹角，波分复用滤波片与多模准直器之间设置有用以切换光路通道的光路切换元件。

2.如权利要求1所述的用于多通道分布式光纤温度传感系统的微型光模块，其特征在于：所述单模转多模准直器包括光纤、模场匹配元件、透镜，单模转多模准直器的输入端连接有单模输出的1550nm高功率脉冲光源。

3.如权利要求1所述的用于多通道分布式光纤温度传感系统的微型光模块，其特征在于：所述多模准直器为2～8个多模准直器或一个多芯的多模准直器，多模准直器的输出端连接系统中的多模传感光纤。

4.如权利要求1所述的用于多通道分布式光纤温度传感系统的微型光模块，其特征在于：所述波分复用滤波片与光轴成42～48度夹角，透射膜与激光器入射波长、非本路探测的波长一致，反射膜与本路探测的波长一致。

5.如权利要求1所述的用于多通道分布式光纤温度传感系统的微型光模块，其特征在于：所述光路切换元件为MEMS调制元件或其它电调制的光学器件或其它组合的光学组件。

6.如权利要求1所述的用于多通道分布式光纤温度传感系统的微型光模块，其特征在于：所述带通滤波片的入射光与光轴成0～8度夹角，透射膜与本路探测的波长一致,反射膜与激光器入射波长和非本路接收的波长一致。