CN107132615B - 一种多模光纤、其应用及测温系统 - Google Patents

一种多模光纤、其应用及测温系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多模光纤、其应用及测温系统。所述多模光纤包括芯层和包覆在其外的包层；所述芯层半径为23.75～26.25μm，芯层折射率剖面为渐变型折射率分布，折射率分布指数α为1.80～1.89，芯层相对折射率差值△1％为1.0％～1.15％，其熔接损耗小于或等于0.08dB。其应用于中长距离分布式测温系统，所述系统测温距离达到10km至27km。所述系统包括脉冲光源、波分复用器、雪崩二极管、数据采集装置、上位机以及所述的测温多模光纤。本发明提供的多模光纤测温空间分辨率强、测温精度高、距离长。本发明提供的测温系统，结构简单,信噪比高,结果精确。

Description

一种多模光纤、其应用及测温系统
技术领域
本发明属于测温多模光纤领域，更具体地，涉及一种多模光纤、其应用及测温系统。
背景技术
温度的测量与控制在航天、材料、能源、冶金等领域都占有极其重要的地位。分布式光纤测温是目前新兴的接触式测温技术，其使用光纤作为温度信息的传感和信号传输的载体，具有连续测温、分布式测温、实时测温、抗电磁干扰、本征安全、远程监控、高灵敏度、安装简便、长寿命等特点，广泛应用于管道、隧道、电缆、石油石化、煤矿等行业。
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。空间分辨率是分布式光纤测温系统中的一个重要指标，它是指测温系统光纤的最小感温长度，具体可表述为：当某一段测温光纤处于温度阶跃变化时，测温光纤的温度响应曲线由10％上升到90％时所对应的响应距离。
现有的分布式光纤测温系统，其传感光纤通常采用的是通信用多模光纤。多模光纤具有大的模场面积和高拉曼增益系数，易于通过自发拉曼散射获得光纤沿线的温度信息。但是通信用多模光纤的劣势在于光纤的损耗较大，为获得更高的空间分辨率，往往采用选择传导性更佳的工作波长并针对该工作波长对多模光纤进行参数优化，例如中国专利文献CN102539015A中提到的传感光纤。
然而，更重要的是由于多模光纤模间色散(模式差分群时延)引入的脉冲光源的脉宽展宽导致更长距离传感的空间分辨率不足，这在需要较高空间分辨率的温度测量场景下实际上限制了光纤的传感距离，导致测温长度不足。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种测温多模光纤、其应用及测温系统，其目的在于通过对光纤参数的选择实现工作波段、反斯托克斯拉曼散射光(1450nm)和斯托克斯拉曼散射光(1660nm)光衰明显降低，由此解决现有技术分布式测温光纤，传感距离有限、测温长度不足的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种测温多模光纤，包括芯层和包覆在其外的包层；所述芯层半径为23.75～26.25μm，芯层折射率剖面为渐变型折射率分布，折射率分布指数α为1.80～1.89，芯层相对折射率差值△1％为1.0％～1.15％，其熔接损耗小于或等于0.08dB。
优选地，所述测温多模光纤，其数值孔径为0.190～0.205。
优选地，所述测温多模光纤，其芯层材质为锗/氟共掺体系的SiO2石英玻璃。
优选地，所述测温多模光纤，其包层材质为高纯石英玻璃。
优选地，所述测温多模光纤，其包层半径62.0～63.0μm。
优选地，所述测温多模光纤，其芯层半径为24.5～25.5μm，折射率分布指数α为1.84～1.86，所述测温多模光纤数值孔径为0.195～0.200。
优选地，所述测温多模光纤，其包层涂覆有高分子材料；所述高分子材料优选为丙烯酸树脂或耐高温的聚酰亚胺涂料；当所述高分子材料为丙烯酸树脂时，所述测温多模光纤外径为245±10μm；当所述高分子材料为耐高温的聚酰亚胺涂料时，所述测温多模光纤外径为160±10μm。
按照本发明的另一个方面，提供了本发明所述的测温多模光纤的应用，其应用于中长距离分布式测温系统，所述系统测温距离达到27km。
按照本发明的另一方面，提供了一种分布式测温系统，其包括脉冲光源、波分复用器(WDM)、崩二极管(APD)、数据采集装置、上位机以及本发明提供的测温多模光纤；
所述激光光源发出的激光通过WDM与所述测温多模光纤相连；
所述波分复用器(WDM)用于接收所述测温多模光纤信号，与雪崩二极管(APD)连接，传输1450nm和1660nm的光信号；
所述雪崩二极管(APD)用于将光信号转化为电流信号，与数据采集装置连接，传输1450nm和1660nm的光信号；
所述数据采集装置与上位机相连；
所述上位机接收到数据采集装置采集的数据。
优选地，所述分布式测温系统，其激光光源采用1550nm脉冲光源；
所述测温多模光纤最长的测温距离可以达到27km、在熔接点的熔接损耗低于0.08dB，可以减少因为熔接点导致的温度跳变，避免测温系统误报警。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的多模光纤和一般通信多模光纤相比同时优化了1550nm的带宽和1450nm的损耗，增强了测温系统的空间分辨率、提高测温精度和测温距离，使得本发明提供的多模光纤能应用于中长距离的测温系统，测温距离达到10km至27km。
优选方案，优化了芯层半径和数值孔径，使光纤的熔接损耗更低，保证长距离光传输效果。
(2)本发明提供的测温系统，结构简单，由于光纤熔接损耗小，带宽高，因此噪声小、信噪比高，测温结果精确。
附图说明
图1是本发明提供的测温多模光纤结构示意图；
图2是本发明提供的测温多模光纤折射率剖面示意图；
图3是本发明提供的测温多模光纤光纤衰减谱；
图4是本发明提供的分布式测温系统结构示意图；
图5是本发明实施例8提供的分布式测温系统空间分辨率测试结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的测温多模光纤，如图1所示，包括芯层、包覆在其外的包层、以及涂覆在包层表面的高分子材料；
所述芯层半径在为23.75～26.25μm，优选24.5～25.5μm；芯层折射率剖面为渐变型折射率分布，折射率分布指数α为1.80～1.89，优选为1.84～1.86；芯层相对折射率差值△1％为1.0％～1.15％，如图2所示，其熔接损耗小于或等于0.08dB；所述芯层材质优选为锗/氟共掺体系的SiO2石英玻璃。
所述包层半径62.0～63.0μm,优选62.1～62.7μm，材质优选高纯石英玻璃。
所述高分子材料优选为丙烯酸树脂或耐高温的聚酰亚胺涂料；当所述高分子材料为丙烯酸树脂时，所述测温多模光纤外径为245±10μm；当所述高分子材料为耐高温的聚酰亚胺涂料时，所述测温多模光纤外径为160±10μm。
所述多模光纤其数值孔径为0.190～0.205，优选为0.195～0.200；其熔接损耗小于或等于0.08dB，可以减少因为熔接点导致的温度跳变，避免测温系统误报警，尤其是在长距离传输时，熔接损耗对于测温效果影响较大。
本发明提供的多模光纤在1550nm的有效模式带宽达到500MHz*km以上，最优带宽可达1000MHz*km以上；在1450nm的衰减低于0.5dB/km
多模光纤具有大的模场面积和高拉曼增益系数，易于通过自发拉曼散射获得光纤沿线的温度信息。典型的分布式测温系统激发光采用1550nm光源，这个光源对应的反斯托克斯拉曼散射光(1450nm)作为测温信号通道，斯托克斯拉曼散射光(1660nm)作为测温参考通道。本发明突破以往针对探测激光进行光纤设计的思维，针对测温系统，对斯托克斯拉曼散射光和反斯托克斯拉曼散射光的传输做出优化，通过大量实验，得出所述多模光纤的芯层参数进行多方面的组合实验，最终得出本发明提供的多模测温光纤，其在斯托克斯拉曼散射光和斯托克斯拉曼散射光波段附近波段出现意想不到的光衰降低现象。如图3所示：本领域公知通信多模光纤在1385nm波段会出现光衰增高峰值，会影响反斯托克斯拉曼散射光和斯托克斯拉曼散射光的光衰增大，而本发明提供的光纤在1385nm波段波动平滑，对反斯托克斯拉曼散射光和斯托克斯拉曼散射光波段影响几乎可以忽略。
同时，本发明提供的光纤在熔接损耗方面亦有着优秀表现，总体而言使用本发明提供的测温多模光纤能应用于中场距离的分布式测温系统，系统的空间分辨率达到5m，温度分辨率小于2℃，测温距离达到27km，突破现有的测温光纤的测温距离，实现中长距离高分辨率测温，如图5所示。
本发明提供的测温多模光纤可采用PCVD管内法制备。
本发明提供的测温多模光纤，中长距离分布式测温系统，所述系统测温距离达到27km。
本发明提供的分布是测温系统，如图4所示，包括脉冲光源、波分复用器(WDM)、雪崩二极管(APD)、数据采集装置、上位机以及本发明提供的测温多模光纤；
所述激光光源发出的激光通过波分复用器(WDM)与所述测温多模光纤相连；所述激光光源采用1550nm脉冲光源；
所述测温多模光纤最长的测温距离可以达到27km、在熔接点的熔接损耗低于0.08dB，可以减少因为熔接点导致的温度跳变，避免测温系统误报警。；
所述上位机接收到数据采集装置采集的数据。所述波分复用器(WDM)用于接收所述测温多模光纤信号，与雪崩二极管(APD)连接,传输1450nm和1660nm的光信号；
所述雪崩二极管(APD)用于将光信号转化为电流信号，与数据采集装置连接，传输1450nm和1660nm的光信号；
所述数据采集装置与上位机相连；
所述上位机接收到数据采集装置采集的数据。
以下为实施例：
实施例1至4测温多模光纤
按照上述方案设计，制备了一组光纤，其芯层为锗/氟共掺体系的SiO2石英玻璃，包层为高纯石英玻璃，其相关参数见表1：
表1
1 2 3 4
折射率分布指数α 1.92 1.86 1.89 1.85
△1％ 1.102 1.03 1.15 1.10
R1(μm) 24.81 25.01 24.9 24.77
R2(μm) 62.3 62.2 62.7 62.1
数值孔径 0.193 0.194 0.204 0.196
<u>带宽@1550nm(MHz*km)</u> 351 1193 573 1252
<u>衰减@1300nm(dB/km)</u> 0.43 0.43 0.45 0.44
<u>衰减@1450nm(dB/km)</u> 0.334 0.371 0.362 0.377
<u>衰减@1550nm(dB/km)</u> 0.25 0.25 0.25 0.26
实施例5至8分布式测温系统，应用实施例1至4中的多模光纤，结果如下：
包括脉冲光源、波分复用器(WDM)、雪崩二极管(APD)、数据采集装置、上位机以及本发明提供的测温多模光纤；
所述激光光源发出的激光通过波分复用器(WDM)与所述测温多模光纤相连；所述激光光源为1550nm脉冲激光光源；
所述测温多模光纤测温距离可以达到10至27km、在熔接点的熔接损耗低于0.08dB，可以减少因为熔接点导致的温度跳变，避免测温系统误报警。；
所述波分复用器(WDM)用于接收所述测温多模光纤信号，与雪崩二极管(APD)连接,传输1450nm和1660nm的光信号；
所述雪崩二极管(APD)用于将光信号转化为电流信号，与数据采集装置连接，传输1450nm和1660nm的光信号；
所述数据采集装置与上位机相连；
所述上位机接收到数据采集装置采集的数据。
参数如表2所示：
表2
实施例5 实施例6 实施例7 实施例8
光纤长度 10km 15km 20km 27km
空间分辨率 7m 6m 8m 5m
温度分辨率 4℃ 5℃ 4℃ 2℃
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种测温多模光纤的应用，其特征在于，应用于中长距离分布式测温系统，所述测温多模光纤，包括芯层和包覆在其外的包层；所述芯层半径为23.75～26.25μm，芯层折射率剖面为渐变型折射率分布，折射率分布指数α为1.80～1.89，芯层相对折射率差值△1％为1.0％～1.15％，其数值孔径为0.190～0.205，其熔接损耗小于或等于0.08dB，所述多模光纤在1550nm的有效模式带宽达到500MHz*km以上；在1450nm的衰减低于0.5dB/km；所述系统测温距离达到10km至27km。
2.如权利要求1所述的测温多模光纤的应用，其特征在于，所述芯层材质为锗/氟共掺体系的SiO2石英玻璃。
3.如权利要求1所述的测温多模光纤的应用，其特征在于，所述包层材质为高纯石英玻璃。
4.如权利要求1所述的测温多模光纤的应用，其特征在于，所述包层半径62.0～63.0μm。
5.如权利要求1所述的测温多模光纤的应用，其特征在于，所述芯层半径为24.5～25.5μm，折射率分布指数α为1.84～1.86，所述测温多模光纤数值孔径为0.195～0.200。
6.如权利要求1所述的测温多模光纤的应用，其特征在于，所述包层涂覆有高分子材料。
7.如权利要求6所述的测温多模光纤的应用，其特征在于，所述高分子材料为丙烯酸树脂或耐高温的聚酰亚胺涂料。
8.如权利要求7所述的测温多模光纤的应用，其特征在于，所述高分子材料为丙烯酸树脂，所述测温多模光纤外径为245±10μm。
9.如权利要求7所述的测温多模光纤的应用，其特征在于，所述高分子材料为耐高温的聚酰亚胺涂料，所述测温多模光纤外径为160±10μm。
10.一种分布式测温系统，其特征在于，包括脉冲光源、波分复用器、雪崩二极管、数据采集装置、上位机，其按照权利要求1至9任意一项所述的应用采用测温多模光纤；
所述脉冲光源发出的激光通过波分复用器与所述测温多模光纤相连；
所述波分复用器用于接收所述测温多模光纤信号，与雪崩二极管连接，传输1450nm和1660nm的光信号；
所述雪崩二极管用于将光信号转化为电流信号，与数据采集装置连接，传输1450nm和1660nm的光信号；
所述数据采集装置与上位机相连；
所述上位机接收到数据采集装置采集的数据。
11.如权利要求10所述的分布式测温系统，其特征在于，所述激光光源采用1550nm脉冲光源；
所述测温多模光纤熔接点的熔接损耗低于0.08dB。
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