CN106768468A - 一种波分复用准分布式光纤延迟温度传感器 - Google Patents

一种波分复用准分布式光纤延迟温度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种波分复用准分布式光纤延迟温度传感器，由可调谐光发射模块、光接收模块、信号处理与控制模块和多个传感模块组成；每个传感模块由传输光纤、传感光纤和2只波分复用器构成；多个传感模块间通过传输光纤串联；由所述可调谐光发射模块分别发射出的多个不同波长的光信号，通过一段传输光纤到达第一个传感模块，再通过另一段传输光纤达到第二个传感模块，最后从末端的一个传感模块输出；输出的不同波长的光信号到达光接收模块，光接收模块将所有不同波长的光信号转换成电信号后再传输到信号处理与控制模块；信号处理与控制模块分别测量不同的波长光信号的传输延迟时间，并依据相对延迟时间计算得到对应分布式传感模块的温度参数。

Description

一种波分复用准分布式光纤延迟温度传感器
技术领域
本发明涉及光纤温度传感技术领域，具体涉及一种基于光延迟技术的波分复用准分布式光纤温度传感器。
背景技术
准分布式光纤温度传感器具有安全、轻质、准确、抗电磁干扰等优点，广泛应用于电力设备、水电设备以及隧道防火的温度检测系统中，也应用在工业和民用的需要温度测量的各个方面，能够沿着传输光纤路径测量各个设置位置的温度情况。
通常准分布式光纤温度传感器采用的技术方法为：分布式光纤光栅结构，沿着传输光纤设置光纤光栅，串联起来形成分布式结构，利用温度引起光纤光栅常数的改变，从而改变了光纤光栅的透射或反射光的光谱，通过探测不同位置光栅的透射或反射光谱的变化，得到不同位置光栅的对应温度参数，由此构成了准分布式光纤温度传感的方法。
上述方案的特点是将温度的测量转化成了对光谱的测量。在光电探测技术中，对光谱的准确测量，均需要较复杂的测量装置或系统，这样势必造成该技术构成的设备成本较高，不宜推广应用。同时，在测量较高温度时，光纤光栅将不能胜任。
授权中国发明专利“一种分布式光延迟光纤温度传感器”，专利号为ZL201110402538.1，虽然解决了上述问题，但仍然存在不足之处，如(1)光路较复杂，不够简明；(2)光路插入损耗较大；(3)波长选择器的消光比较低；(4)成本较高等问题。
发明内容
本发明针对上述不足之处提供了一种波分复用准分布式光纤延迟温度传感器，解决现有技术中光路较复杂，不够简明，消光比低，光路插入损耗较大以及成本较高的问题。
光信号在光纤中传输会带来延迟，延迟时间与光纤的长度和光纤的折射率成正比。研究表明石英(SiO2)光纤的折射率随温度的增加而增加，因此温度变化将引起光信号在光纤中的附加传输延迟。设计的分布式光延迟温度传感器，采用可调谐或多波长激光光源，不同波长对应于不同的测试位置的测试模块，形成分布式结构，通过测量不同波长光信号的附加延迟，获得不同位置的温度参数。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种波分复用准分布式光纤延迟温度传感器，包括可调谐光发射模块、光接收模块、信号处理与控制模块和多个传感模块；每个传感模块由传输光纤、传感光纤和2只波分复用器构成；多个传感模块间通过传输光纤串联，由所述可调谐光发射模块分别发射出的多个不同波长的光信号，通过一段传输光纤到达第一个传感模块，再通过另一段传输光纤达到第二个传感模块，直到从末端的一个传感模块输出不同波长的光信号；末端的一个传感模块输出的不同波长的光信号经另一段传输光纤到达光接收模块，光接收模块将所有不同波长的光信号转换成电信号后再传输到信号处理与控制模块；信号处理与控制模块分别测量不同的波长光信号的传输延迟时间，并依据相对延迟时间计算得到对应分布式传感模块的温度参数。
上述方案中，所述传感模块，通过信号处理与控制模块设置可调谐光发射模块工作波长为λ0,λ1....λn，其中λ0参考波长为测量提供基准延迟，其余波长分别对应不同的传感模块；所有不同波长的光信号到达传感模块的第一只波分复用器，解复用后将属于该传感模块的光波长信号送到该传感模块的传感光纤，通过该传感光纤后，获取由温度带来的延迟时间变化，传输到达该传感模块的第二只波分复用器的输入端口；解复用的其他波长通过一段传输光纤也到达第二只波分复用器的另一个输入端口；合波后输出所有波长的光信号由传输光纤传送到下一个传感模块，直至所有波长的光信号通过了全部传感模块达到光接收模块。
上述方案中，测量方法为：光接收模块将所有不同波长的光信号转换成电信号后再传输到信号处理与控制模块；信号处理与控制模块分别测量每一个传感模块对应波长光信号的传输延迟时间和基准波长传输延迟，并依据它们的相对延迟时间计算得到对应分布式传感模块的温度参数。
上述方案中，所述可调谐光发射模块采用可调谐半导体激光器或多个波长半导体激光器阵列，通过直接强度调制或间接强度调制，分别发射多个波长的连续正弦波或脉冲光波信号。
上述方案中，所述光接收模块采用PIN或APD光电探测器，探测由传输光纤送达的光信号，并将光信号转换成电信号放大后输出至信号处理与控制模块。
上述方案中，所述波分复用器采用干涉滤光膜波分复用器、阵列波导光栅波分复用器，或者通过光学元件构建波分复用器。
上述方案中，所述传输光纤为石英多模光纤或单模光纤，或塑料光纤。
上述方案中，所述传感光纤为石英多模光纤或单模光纤，当传感温度超过光纤被覆层的工作温度范围时，去除传感光纤的被覆层。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
一、本发明中的波分复用器具有极好的波长选择能力，每一个传感模块需要2只波分复用器，且为相同器件，该器件为互易器件，只是在应用的时候为合波器和分波器；
二、与授权中国发明专利“一种分布式光延迟光纤温度传感器”，专利号为ZL201110402538.1比较，简化了光路结构，器件数量和种类均减少，每个传感模块从原来采用1只波长选择器和2只光环行器优化成了2只波分复用器，种类从2种减为1种，数量从3只减为2只，光纤连接从4点减到3点；
三、与一种分布式光延迟光纤温度传感器相比，光路改变使得每一个传感模块，从原来3000元左右的成本降低到了500元左右，大幅降低了成本；
四、优化光路设计每一个传感模块插入损耗减少了大约3dB；
五、传感光纤采用石英(SiO2)光纤，提高了温度的测量范围；
六、通过测量基准波长和传感波长光信号的相对延时时间即可确定温度参数，所设计的方案工作原理简单方便。进一步提高了测量精度。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图中包括可调谐光发射模块、光接收模块、信号处理与控制模块和多个传感模块；每个传感模块由传输光纤、传感光纤和2只波分复用器构成；
图2为本发明一种具体实施的结构框图；
图中包括可调谐光发射模块、光接收模块、信号处理与控制模块和3个传感模块；每个传感模块由传输光纤、传感光纤和2只波分复用器构成；
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。
一种波分复用准分布式光纤延迟温度传感器，包括可调谐光发射模块、光接收模块、信号处理与控制模块和多个传感模块；每个传感模块由传输光纤、传感光纤和2只波分复用器构成；多个传感模块间通过传输光纤串联，由所述可调谐光发射模块分别发射出的多个不同波长的光信号，通过一段传输光纤到达第一个传感模块，再通过另一段传输光纤达到第二个传感模块，从末端的一个传感模块输出；输出的光信号经另一段传输光纤传入到光接收模块，光接收模块将所有不同波长的光信号转换成电信号后再传输到信号处理与控制模块；信号处理与控制模块分别测量不同的波长光信号的传输延迟时间，并依据相对延迟时间计算得到对应分布式传感模块的温度参数。
实施例
所述可调谐光发射模块采用可调谐半导体激光器为光源，工作的4个波长分别为：λ0＝1549.32、λ1＝1550.12nm、λ2＝1550.92nm和λ3＝1551.72nm，通过外调制分别发射4个波长的脉冲光信号，其中λ0为基准波长；光接收模块采用1550nm波段的PIN光电探测器、前置放大器和主放大器组成。本实施方案设置3个传感模块，分别对应波长为λ1,λ2，λ3，所述3个传感模块中的波分复用器由对应波长的干涉滤光膜波分复用器构成；传输光纤均由G.652单模光纤构成；传感光纤1、传感光纤2和传感光纤3均由除去被覆层的100m G.652单模光纤构成；信号处理与控制模块采用高精度模拟和数字电路来产生和控制发射信号,并分别测量不同波长光信号的传输延迟时间，并依据相对延迟时间计算得到各个波长对应分布式传感模块的温度参数。
其工作过程是：在信号处理与控制模块的控制下，可调谐半导体激光器，通过外调制，分别发射出λ0、λ1、λ2和λ3、4个波长的脉冲光信号，其中λ0为基准波长，其余波长分别对应第1个、第2个和第3个传感模块。
所有波长的光信号通过传输光纤到达第1个传感模块；λ0、λ1、λ2和λ3等波长的光信号到达第一只波分复用器，解复用后将属于该传感模块的λ1波长信号，送到该传感模块的传感光纤，通过该传感光纤后，获取由温度带来的延迟时间变化，传输到达第二只波分复用器的λ1波长输入端口；解复用的其他波长λ0、λ2和λ3通过一段传输光纤也到达第二只波分复用器的另一个输入端口；合波后输出λ0、λ1、λ2和λ3等波长的光信号由传输光纤传送到第2个传感模块。
同样，所有波长的光信号通过传输光纤到达第2个传感模块；λ0、λ1、λ2和λ3等波长的光信号到达第一只波分复用器，解复用后将属于该传感模块的λ2波长信号，送到该传感模块的传感光纤，通过该传感光纤后，获取由温度带来的延迟时间变化，传输到达第二只波分复用器的λ2波长输入端口；解复用的其他波长λ0、λ1和λ3通过一段传输光纤也到达第二只波分复用器的另一个输入端口合波；合波后输出λ0、λ1、λ2和λ3等波长的光信号由传输光纤传送到第3个传感模块。
以此类推，所有波长的光信号通过传输光纤到达第3个传感模块；λ0、λ1、λ2和λ3等波长的光信号到达第一只波分复用器，解复用后将属于该传感模块的λ3波长信号，送到该传感模块的传感光纤，通过该传感光纤后，获取由温度带来的延迟时间变化，传输到达第二只波分复用器的λ3波长输入端口；解复用的其他波长λ0、λ1和λ2通过一段传输光纤也到达第二只波分复用器的另一个输入端口；合波后输出λ0、λ1、λ2和λ3等波长的光信号由传输光纤传送到光接收模块。
λ0、λ1、λ2和λ3等波长的光信号达到光接收模块，光接收模块将所有不同波长的光信号转换成电信号后再传输到信号处理与控制模块；信号处理与控制模块分别测量每一个传感模块对应波长λ1、λ2和λ3光信号的传输延迟时间和基准波长λ0传输延迟，并依据它们的相对延迟时间计算得到对应分布式传感模块的温度参数。
本发明中，传感模块的个数与波长对应，但不局限于实例中的3个传感模块。所有基于上述原理的温度传感器均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种波分复用准分布式光纤延迟温度传感器，其特征在于，包括可调谐光发射模块、光接收模块、信号处理与控制模块和多个传感模块；每个传感模块由传输光纤、传感光纤和2只波分复用器构成；所述多个传感模块间通过传输光纤串联，由所述可调谐光发射模块分别发射出的多个不同波长的光信号，通过一段传输光纤到达第一个传感模块，再通过另一段传输光纤达到第二个传感模块，直到通过每个传感模块并从末端的一个传感模块输出不同波长的光信号；所述末端的一个传感模块输出的不同波长的光信号经另一段传输光纤到达光接收模块，光接收模块将所有不同波长的光信号转换成电信号后再传输到信号处理与控制模块；所述信号处理与控制模块分别测量不同的波长光信号的传输延迟时间，并依据相对延迟时间计算得到对应分布式传感模块的温度参数。
2.根据权利要求1所述的一种波分复用准分布式光纤延迟温度传感器，其特征在于，所述传感模块，通过信号处理与控制模块设置可调谐光发射模块工作波长为λ0,λ1….λn，其中λ0参考波长为测量提供基准延迟，其余波长分别对应不同的传感模块；所有不同波长的光信号到达传感模块的第一只波分复用器，解复用后将属于该传感模块的光波长信号送到该传感模块的传感光纤，通过该传感光纤后，获取由温度带来的延迟时间变化，传输到达该传感模块的第二只波分复用器的输入端口；解复用的其他波长通过一段传输光纤也到达第二只波分复用器的另一个输入端口；合波后输出所有波长的光信号由传输光纤传送到下一个传感模块，直至所有波长的光信号通过了全部传感模块达到光接收模块。
3.根据权利要求1或2中任意一项权利要求所述的一种波分复用准分布式光纤延迟温度传感器，其特征在于，测量方法为：光接收模块将所有不同波长的光信号转换成电信号后再传输到信号处理与控制模块；信号处理与控制模块分别测量每一个传感模块对应波长光信号的传输延迟时间和基准波长传输延迟，并依据它们的相对延迟时间计算得到对应分布式传感模块的温度参数。
4.根据权利要求1或2中任意一项权利要求所述的一种波分复用准分布式光纤延迟温度传感器，其特征在于，所述可调谐光发射模块采用可调谐半导体激光器或多个波长半导体激光器阵列，通过直接强度调制或间接强度调制，分别发射多个波长的连续正弦波或脉冲光波信号。
5.根据权利要求1或2中任意一项权利要求所述的一种波分复用准分布式光纤延迟温度传感器，其特征在于，所述光接收模块采用PIN或APD光电探测器，探测由传输光纤送达的光信号，并将光信号转换成电信号放大后输出至信号处理与控制模块。
6.根据权利要求1或2中任意一项权利要求所述的一种波分复用准分布式光纤延迟温度传感器，其特征在于，所述波分复用器采用干涉滤光膜波分复用器、阵列波导光栅波分复用器，或者通过光学元件构建波分复用器。
7.根据权利要求1或2中任意一项权利要求所述的一种波分复用准分布式光纤延迟温度传感器，其特征在于，所述传输光纤为石英多模光纤或单模光纤，或塑料光纤。
8.根据权利要求1或2中任意一项权利要求所述的一种波分复用准分布式光纤延迟温度传感器，其特征在于，所述传感光纤为石英多模光纤或单模光纤，当传感温度超过光纤被覆层的工作温度范围时，去除传感光纤的被覆层。
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