CN1712917A - 多路保偏光纤温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路保偏光纤温度传感器，宽谱光源的尾纤与强度调制器的入纤相连，强度调制器的出纤和光电探测器A的尾纤分别与光纤耦合器的两根入纤熔接，耦合器的两根出纤分别与光电探测器B和分路器的入纤熔接，分路器的输出端分别连接多个起偏器，每个起偏器的尾纤连接一个保偏延迟环，保偏延迟环的尾纤与温度传感头连接；脉冲发生电路产生两路同步脉冲信号，一路输出给强度调制器，另一路同步脉冲信号输出给多路信号检测电路；多路信号检测电路接收由光电探测器A和光电探测器B的输出的光强信号，以及脉冲发生电路产生的同步脉冲信号，并对多路光强信号进行解算处理得到各路温度信号输出值。本发明多路传感器利用保偏光纤的两偏振模式的传输系数差产生的光程差对温度敏感性实现温度的传感，各通道是利用不同长度的保偏光纤返回到光电探测器的时间不同，从而实现多路传感。

Description

多路保偏光纤温度传感器

技术领域

本发明涉及一种采用全光纤连接结构的多路保偏光纤温度传感器。

背景技术

如图6所示，在制作应力型保偏光纤时，光纤预制棒是通过把两个高浓度掺杂的石英棒(通常采用硼、磷或铝)放置在芯区的两边而制成。在高温下拉成光纤，光纤拉成后这两个高掺杂棒在冷却时收缩，但它们的热收缩量受到周围石英的影响，使高掺杂棒处于拉压力下，通过反作用使光传播所在的纤芯区产生应力沿两个高掺杂棒的轴存在着一个拉应力作用，这个轴一般叫做慢轴；而沿与之正交的轴存在着一个压应力作用，这个轴一般叫做快轴。图6为三种常用的保偏光纤的断面图，图中1为应力区，2为光纤芯，3为普通包层。在图6(A)的“熊猫”型光纤中，高掺杂棒是圆的；在图6(B)的“领结”型光纤中，高掺杂区域形状象领结；在图6(C)的“椭圆”型光纤中，应力包层是椭圆的。由于不同方向的应力不一样，导致光纤断面X方向的等效折射率n_eqx和Y方向的等效折射率n_eqy产生了等效折射率差Δn_b＝n_eqx-n_eqy。其X方向传输常数为 ${\mathrm{\β}}_x=\frac{2\mathrm{\π}{n}_{\mathrm{eqx}}}{\mathrm{\λ}},$ Y方向传输常数为 ${\mathrm{\β}}_y=\frac{{2\mathrm{\πn}}_{\mathrm{eqy}}}{\mathrm{\λ}},$ λ为传输光波长。当这束光在保偏光纤中传播时，将激起两个传输常数β_x和β_y的传播模式，它们在光纤中传输时，由于传输常数不一样，随着传输距离的增加，其相位差将增大，当这个相位差对应的光程差大于所用光源的相干长度时，这两个模式将失去干涉对比度，此时对应的传输光纤长度被定义为干涉仪去相干长度。这种由传输常数差所产生的光程差对温度敏感并成线性关系。

发明内容

本发明的目的是提供一种多路保偏光纤温度传感器，所述传感器是利用保偏光纤的两偏振模式的传输系数差产生的光程差对温度敏感性实现温度的传感，各光学器件采用全保偏光纤连接提高了传感器的抗干扰能力；所述多路传感器还利用不同长度的保偏光纤环保证不同通道返回到光电探测器的时间不同，从而实现多路传感。

本发明的一种多路保偏光纤温度传感器，由宽谱光源、强度调制器、两个光电探测器、光纤耦合器、分路器、起偏器、保偏光纤延迟环、温度传感头、脉冲发生电路、多路信号检测电路构成。光源的尾纤与强度调制器的入纤相连，强度调制器的出纤和光电探测器A的尾纤分别与光纤耦合器的两根入纤熔接，耦合器的两根出纤分别与另一路探测器B和分路器的入纤熔接；分路器实现多路输出，它将入射的光信号分为n(n可根据需要设定)路，每一路的出纤与起偏器的尾纤熔接，起偏器另一端与保偏光纤延迟环连接；保偏光缆延迟环的另一端与温度传感头熔接；温度传感头由传感光纤和反射膜构成，反射膜镀覆在传感光纤的一端面上，传感光纤的另一端与保偏光纤熔接，熔接点的两保偏光纤的主应力轴构成一夹角，所述夹角大于0°，小于90°，所述熔接点的两保偏光纤的主应力轴构成的夹角角度优选为45°；所述光电探测器A和B的信号都与多路信号检测电路连接，探测器A接收的是在不同时刻从不同通道返回的光信号，这些信号携带有敏感到的温度信息。入射到探测器B上的光信号为与光源功率成比例的光信号，它的变化反映了光强的变化；所述脉冲发生电路输出两路脉冲波形，一路输出到所述强度调制器上，用于产生周期的脉冲光输出，另一路输出到多路信号检测电路，用于实现同步解调；多路信号检测电路从各通道返回的信号上解调出敏感的温度信号，经处理后，便得到各路温度传感头敏感的温度值。

所述的多路保偏光纤温度传感器，经多路信号检测电路可得到各通道返回的光信号幅度值V_i，由V_i可计算出各路温度传感头敏感到的温度 $T_i=\left(\arccos \left(\frac{V_i-{\mathrm{\α}}_{i1}}{{\mathrm{\α}}_{i2}}\right){\mathrm{\α}}_{i3}\right)/{\mathrm{\α}}_{i4},$ 其中i＝1…n，表示第i通道，α_i1、α_i2、α_i3和α_i4分别为第i通道传感头的模型参数。

本发明与现有技术相比具有的优点是：采用一种简单的多路保偏干涉仪和由短尺寸的保偏光纤温度传感头，利用保偏光纤的两偏振模式的传输系数差产生的光程差对温度敏感性实现温度的传感、采用光纤延迟的方式实现多路分时测量，同时采用时分多路信号检测技术进行信号检测，实现了多路温度的测量。由于这种干涉仪具有很好的稳定性，因此这种方法具有很好的抗干扰能力，因此本方法可实现多路高精度和大范围的温度测量。

附图说明

图1是本发明多路温度传感器的结构示意图。

图2是本发明多路信号检测电路的结构框图。

图3是本发明多路温度传感器输出波形结构图。

图4是温度传感头的结构示意图。

图5是另一种多路温度传感器的结构示意图。

图6是三种常用的保偏光纤的断面图。

图中：      1.应力区      2.光纤芯      3.光纤包层    4.宽谱光源

5.光源驱动      6.强度调制器  7.光纤耦合器  8.光纤分路器  9～12.起偏器

13～16.保偏光纤延迟环         17～20.光纤温度传感头       21.光电探测器A

22.光电探测器B  23.光电流信号       24.光电流信号    25.多路信号检测电路

26.脉冲发生电路 27.同步脉冲信号     28.传感光纤头    29.反射膜

30.熔接点       31.触发脉冲产生电路 32.A/D转换器A    33.A/D转换器B

34.微处理器     35.脉冲调制波       36.脉冲光信号    37.信号发生波

38.脉冲信号     39.阵列波导

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明多路保偏光纤温度传感器，采用光纤分路器的输出端连接多个起偏器、多个保偏光纤延迟环和多个光纤传感头的方式实现多路温度检测的目的，根据保偏光纤延迟环上缠绕光纤长度的不同，使回传的温度信息用时间信号来表征。光纤分路器根据使用者的需求可以采用或1/8或1/n等分路器来实现多路信息的传输。

请参见图1所示，本发明是一种多路保偏光纤温度传感器，由宽谱光源4、光源驱动5、强度调制器6、光纤耦合器7、光纤分路器8，起偏器9～12、保偏延迟环13～16，光纤温度传感头17～20、光电探测器A 21、光电探测器B 22、多路信号检测电路25、脉冲发生电路26组成；宽谱光源4的尾纤和强度调制器6相连，强度调制器6和光电探测器A 21的尾纤分别与光纤耦合器7的两根入纤熔接，光纤耦合器7的一根尾纤与光纤分路器8的入纤熔接，光纤耦合器7的另一根尾纤与光电探测器B 22相连；光纤分路器8的输出端分别与起偏器9～12的尾纤连接，起偏器9～12的输出端分别与保偏延迟环13～16连接；保偏延迟环13～16的另一端分别与光纤温度传感头17～20熔接；光电探测器A 21和光电探测器B 22，以及脉冲发生电路26与多路信号检测电路25连接。所述光纤温度传感头17～20的结构相同，都由传感光纤28和反射膜29构成，反射膜29镀覆在传感光纤28的一端面上，传感光纤28的另一端与保偏光纤延迟环13～16熔接，传感光纤28为双折射保偏光纤(请参见图4所示)。反射膜29镀覆在传感光纤28一端面上，使传感光纤28形成的一种保偏光纤反射器。在保偏光纤延迟环13～16的尾纤与温度传感头17～20熔接形成的熔接点30，熔接点30的两保偏光纤(保偏光纤延迟环13～16的尾纤与传感光纤17～20)的主应力轴成一夹角，该夹角大于0°，小于90°，优选为45度。

在本发明中，脉冲发生电路26产生的同步脉冲信号一路输出给强度调制器6，用于产生脉冲光，脉冲发生电路26产生的另一路同步脉冲信号输出给多路信号检测电路25，为其提供同步信号；多路信号检测电路25接收由光电探测器A 21和光电探测器B 22的输出的光强信号，以及脉冲发生电路26产生的同步脉冲信号27，并对多路光强信号进行解算处理得到各路温度信号输出值。多路信号检测电路25检测到的是不同时刻从不同光纤传感头17～20返回的光强值。

在本发明中，光纤温度传感头17～20的传感光纤28长度小于所用宽谱光源4相干长度的一半，宽谱光源4相干长度L_c＝谱宽/中心波长²，光纤温度传感头17～20的传感光纤28长度优选为10mm～25mm。

在本发明中，光纤温度传感头17～20、保偏光纤延迟环13～16、起偏器9～12、光纤分路器8、光纤耦合器7、强度调制器6、宽谱光源4和光电探测器A 21和光电探测器B 22构成了一个多路光纤干涉仪，所述光纤干涉仪是一个多路保偏光纤干涉仪，各光学器件的连接为全光纤连接。

光电探测器A 21和光电探测器B 22为普通的高速探测器组件；脉冲发生电路26和光源驱动5都可采用一般常用的电路或者采用仪器表来实现此功能。

本发明多路温度传感器是一种反射型保偏光纤温度传感器，其光的走向为(请参见图1所示)：光源驱动5为宽谱光源4提供一启动信号后，宽谱光源4发出的光进入强度调制器6后进入、光纤耦合器7，光在光纤耦合器7中被分为两束相等的光，一部分光进入光纤分路器8，另一部分进入光电探测器B 22中，进入光纤分路器8的光被分成n等分，所述n路光分别输出给起偏器9～12，这n路光经起偏转变为线偏振光后并沿保偏光纤延迟环13～16的保偏光纤主偏振轴传输；在保偏光纤延迟环13～16的尾纤与温度传感头17～20熔接形成的熔接点30处出现偏振模式耦合，所有的传输模式光在反射膜29的反射面处反射，并沿光纤温度传感头17～20、保偏光纤延迟环13～16、起偏器9～12和光纤分路器8、光纤耦合器7进入光电探测器A 21。进入光电探测器A 21的反射光信号经转换输出光电流信号23给多路信号检测电路25，光电探测器A 21输出的光电流为：

I_i＝K_i·γ(δ_i)·(1+cos(δ_i))                              (1)

式(1)中，i表示第i路传感头反射回来的信号，K_i为第i通道在t_i时刻入射到光电探测器A 21上的光强电信号的常系数，γ(δ_i)为宽谱光源4的相干度函数，δ_i为第i通道在t_i时刻的相位差。

相位差δ_i是由温度变化引起的，则相位差δ_i为：

         δ_i＝L_i·(β_x-β_y)＝L_i·Δβ                      (2)

式(2)中，L_i为第i通道温度传感头的长度，β_x为光在X方向上的传输常数，β_y为光在Y方向上的传输常数，Δβ为传输常数β_x和β_y的差。

在传感光纤28(传感光纤28为保偏光纤)中Δβ＝β_x-β_y在温度-200℃～+400℃的范围内与被测量物体温度成线性比例关系，其系数C₁约为10^-3，符号为负。传感光纤28长度与温度成正比，系数C₂约为10^-6，与C₁相比可以忽略，设被测物体温度为T，Δβ和传感光纤28长度的温度系数分别为C₁和C₂，温度传感头28在温度T₀时的长度为L_i0，则Δβ的初始值为Δβ₀，由式(2)有相位差δ＝Δβ₀L_i0[1+C₁(T-T₀)][1+C₂(T-T₀)]，若忽略二阶小量和小系数，可得到被测物体温度T_i＝A·β_i+B，其中：A＝1/Δβ₀L_i0C₁，B＝(C₁T₀-1)/C₁。

请参见图2、图3所示，在本发明中，多路信号检测电路25由触发脉冲产生电路31、A/D转换器A 32、A/D转换器B 33和微处理器34构成，A/D转换器选取ADS805型号，微处理器34选取DSP处理器芯片型号TMS320系列。其输入信号有来自脉冲发生电路26的同步脉冲信号27、来自光电探测器A 21的光电流信号23、来自光电探测器B 22的光电流信号24，输出为经微处理器34解算后的多路温度值。脉冲信号发生电路26产生的同步脉冲信号35输出给强度调制器6，经强度调制器6后输出脉冲光信号36，所述脉冲光信号36经光纤耦合器7、分路器8后进入不同的通道，再经保偏光纤延迟环13～16延迟后，再不同的时刻到达光纤传感头17～20；脉冲光信号36经反射膜29反射后沿保偏光纤延迟环13～16、分路器8、光纤耦合器7返回到光电探测器A 21，各通道返回的光强由式(1)描述，已携带敏感到的温度信息并经过了两次延迟，并再不同的时刻到达光电探测器A 21，此时不同通道敏感的空间温度分布已转化为时间分布，光电探测器A 21上接受到的光强信号发生波37，在不同时刻，光强大小不同，表示敏感到的温度不同，为了信号检测的方便，相邻通道的保偏光纤延迟环的长度差相同。在对多路信号检测时，脉冲信号发生电路26产生的同步脉冲信号27的另一路输入到触发脉冲产生电路31，触发脉冲产生电路31在收到同步脉冲信号27后，产生所需的周期性A/D转换触发信号38，触发信号38的起始时刻由触发脉冲产生电路31产生，大小与第1通道的返回光信号的延迟相等，触发脉冲的间隔也由触发脉冲产生电路产生，大小为相邻通道间延迟环产生的延迟时间的2倍。触发信号38同时触发A/D转换器A 32和A/D转换器B 33进行A/D采集，A/D转换器A 32得到的是不同时刻返回到光电探测器A 21的光信号强度23，A/D转换器B 33得到的是光电探测器B 22输出的光脉冲强度24，这两个值都输入微处理器34，在微处理器34中，首先经过除法运算，即返回光信号强度23除以光电探测器B 22探测到的光脉冲强度24，消除光强变化引起的误差，此时(1)式变为：

             V_i＝γ(δ_i)·(1+cos(δ_i))                          (3)

其中V_i为计算得到的输出值，它与相位差δ_i直接相关。从式(3)可以看出，当有温度场通过接触或辐射作用在温度传感头17～20上时，在光纤干涉仪中将产生比例于温度的非互易位相变化，通过信号检测可测出位相变化，再经过模型变换便可得到测量的温度值，这个模型为：

$T_i=\left(\arccos \right)\left(\frac{V_i-{\mathrm{\α}}_{i1}}{{\mathrm{\α}}_{i2}}\right)-{\mathrm{\α}}_{i3}/{\mathrm{\α}}_{i4}---\left(4\right)$

式(4)中：α_i1、α_i2、α_i3和α_i4分别为第i通道传感头的模型参数，可通过温度标定得到。

在本发明中，每路温度传感通路的光纤延迟环的长度不同但相邻通道的延迟环的长度差相等，因而能使不同通道敏感的温度信号在不同时刻到达探测器，从而实现时分复用的多通道温度传感。各通道返回的已携带敏感到的温度信息并经过了两次延迟后，会在不同的时刻到达光电探测器A 21，此时不同通道敏感的空间温度分布已转化为时间分布，时间间隔为t＝2nl/C，t表示温度的转换时间，n表示光纤的折射率，l表示保偏光纤延迟环上光纤长度，C表示光速。即多路信息经分路器8组合后，其信号时序判断以光纤环长度相关，长度与时间的关系表示为t＝2nl/C。光电探测器A21上接受到的光强信号发生波37，在不同时刻，光强大小不同，表示敏感到的温度不同。为了信号检测的方便，相邻通道的保偏光纤延迟环13～16上的光纤长度差相同。如保偏光纤延迟环13的光纤长度为10m，那么保偏光纤延迟环14的光纤长度11m，保偏光纤延迟环15的光纤长度12m，保偏光纤延迟环14与保偏光纤延迟环15的光纤长度差1m。

在本发明提供的多路温度传感器的结构中，可以通过改变分路器8与起偏器9～12的分散结构形式，而提供一种采用阵列波导39器件代替分路器8和起偏器9～12的多路温度传感器结构(请参见图5所示)。阵列波导39是一种在LiNbO₃晶体上采用质子交换工艺制作的光学器件，这种阵列波导39具有分路和起偏的功能，在这个实施例中，它取代了图1中的分路器和多个起偏器。因此结构更简单，可靠。由于波导的起偏能力更强，因此多路传感器的性能更好。

本发明的多路保偏光纤温度传感器，是采用一种多路全保偏干涉仪和由短尺寸的保偏光纤温度传感头(即温度传感头28)，利用保偏光纤(即两根光纤熔接产生的熔点)的两偏振模式的传输系数差产生的光程差对温度敏感性实现温度的传感，采用光纤延迟的方式实现多路分时测量，同时采用时分多路信号检测技术进行信号检测，实现了多路温度的测量。由于本发明的光纤干涉仪具有较高的稳定性，使温度传感器具有较强的抗干扰能力；由于采用多路数字相关检测技术检测精度高且测量动态范围大、线性度好，因此本发明的温度传感器可以实现高精度和大范围的温度测量。

Claims (9)

1、一种多路保偏光纤温度传感器，包括光源(4)、光源驱动(5)、光纤耦合器(7)、两个光电探测器、多个保偏光缆延迟环、多个保偏光纤温度传感头，其特征在于：还包括分路器(8)、多个起偏器、强度调制器(6)、脉冲发生电路(26)和多路信号检测电路(25)组成；宽谱光源(4)的尾纤和强度调制器(6)相连，强度调制器(6)和光电探测器A(21)的尾纤分别与光纤耦合器(7)的两根入纤熔接，光纤耦合器(7)的一根尾纤与光纤分路器(8)的入纤熔接，光纤耦合器(7)的另一根尾纤与光电探测器B(22)相连；光纤分路器(8)的输出端分别与起偏器(9～12)的尾纤连接，起偏器(9～12)的输出端分别与保偏延迟环(13～16)连接；保偏延迟环(13～16)的另一端分别与光纤温度传感头(17～20)熔接；光电探测器A(21)和光电探测器B(22)，以及脉冲发生电路(26)与多路信号检测电路(25)连接；

脉冲发生电路(26)产生的同步脉冲信号一路输出给强度调制器(6)，用于产生脉冲光，脉冲发生电路(26)产生的另一路同步脉冲信号输出给多路信号检测电路(25)，为其提供同步信号；多路信号检测电路(25)接收由光电探测器A(21)和光电探测器B(22)的输出的光强信号(23、24)，以及脉冲发生电路(26)产生的同步脉冲信号(27)，并对多路光强信号(23、24)进行解算处理得到各路温度信号输出值。

2、根据权利要求1所述的多路光纤温度传感器，其特征在于：采用阵列波导(39)代替分路器和起偏器，且阵列波导(39)是一种在LiNbO₃晶体上用质子交换工艺制作得到的微光学器件。

3、根据权利要求1或2所述的多路光纤温度传感器，其特征在于：通过多路信号检测电路(25)检测各通道返回的光信号强度(23)除以光电探测器B(22)探测到的光脉冲强度(24)等于光信号幅度值V_i，由光信号幅度值V_i计算出各路温度传感头(17～20)敏感到的温度 $T_i=(\arccos \left(\frac{V_i-a_{i1}}{a_{i2}}\right)-a_{i3})/a_{i4},$ 其中i＝1…n，表示第i通道，a_i1、a_i2、a_i3和a_i4分别为第i通道传感头的模型参数。

4、根据权利要求1或2所述的多路光纤温度传感器，其特征在于：多路信号检测电路(25)检测到的是不同时刻从不同光纤传感头(17～20)返回的光强值。

5、根据权利要求1或2所述的多路光纤温度传感器，其特征在于：每路温度传感通道的光纤延迟环的长度不同但相邻通道的延迟环的长度差相等，不同通道敏感的空间温度分布转化为时间分布，时间间隔为t＝2nl/C。

6、根据权利要求1或2所述的多路光纤温度传感器，其特征在于：多路信号检测电路(25)在同步脉冲信号(27)的作用下实现多路序列号的时分数字相关检测。

7、根据权利要求1或2所述的多路光纤温度传感器，其特征在于：多路信号检测电路(25)中的微处理器(34)采用返回光信号强度(23)除以光电探测器B(22)探测到的光脉冲强度(24)消除光强波动对测量结果的影响。

8、根据权利要求1或2所述的多路光纤温度传感器，其特征在于：光纤耦合器(7)由单模光纤或保偏光纤制成，光电探测器尾纤、光源(4)尾纤、强度调制器(6)尾纤采用单模光纤或保偏光纤。

9、根据权利要求1或2所述的多路光纤温度传感器，其特征在于：温度测量范围为-200℃～+400℃。

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