CN1746641A - 光纤温度测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤温度测量仪及其测量方法，属于光纤传感测温技术。测量仪包括光纤耦合器或光纤环行器，与之相连接的宽带光源、波长解调器及光纤温度传感器。所述光纤温度传感器由一段圆形多模光纤与一段圆形单模光纤相接，多模光纤产生的高阶导模进入光纤耦合器或环行器，在此与入射光分离，在波长解调器内的光探测器发生干涉。干涉极大对应的波长与多模光纤纤芯的折射率、纤芯半径、多模光纤的长度和导模的阶数有关，其中多模光纤纤芯的折射率、纤芯半径和长度均随外界温度的变化而改变，则温度的变化导致谐振波长λ的变化，故检测波长λ即可得到温度值。本发明具有结构简单和能测量高温的特点。

Description

光纤温度测量仪及其测量方法

                             技术领域

本发明涉及一种光纤温度测量仪及其测量方法，特别是一种结构简单且适合于高温测量的光纤温度测量仪及其测量方法，属于应用光纤传感测量温度技术。

                             背景技术

光纤传感具有许多电传感器不可比拟的优点，如不受电磁场以及其它外界环境变化的影响、灵敏度高、体积小、绝缘性好、可实现分布测量等，因此越来越受到重视。许多物理量如温度、应变、位移、湿度、压力、声音、振动等都可以使用光纤传感器进行高精度的测量。光纤传感已经广泛应用于建筑、石油、化工、交通、能源、冶金、医药、军工、食品、核工业等领域。

目前广泛使用的光纤温度传感器之一是基于光纤布拉格光栅(简称FBG)技术。作为一种全光纤器件，布拉格光栅已被越来越广泛地用于光纤通信和光纤传感等领域。FBG传感器除具有光纤传感的共同特点外，还具有可以光波长复用方式实现多点分布测量等显著的优点，因而在无法使用传统传感器的场合发挥了巨大作用。近年来，随着FBG传感技术的不断发展，其应用范围也在日益扩大，并开始在有些领域取代传统的传感系统。

FBG是在光纤纤芯内通过某种方式对其折射率产生周期性调制而形成的一种光栅。目前主要是采用UV曝光的方法制作FBG，该方法相对简单，易于实现，但形成的光栅的温度稳定性较差。作为温度传感器，FBG一般只适合于较低温范围(200℃以下)的测量。对于高温测量，要采用特殊方法制作的FBG，其制作过程复杂且制作成本很高。

                             发明内容

本发明的目的就是提供一种光纤温度测量仪及其测量方法，其所涉及的光纤温度传感器具有结构简单且适合于高温测量的特点，同时具有与FBG相同的波长编码和波分复用等特性。

本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种光纤温度测量仪，该温度测量仪包括一个光纤耦合器或光纤环行器，与光纤耦合器或光纤环行器连接的宽带光源、波长解调器及光纤温度传感器，其特征在于，光纤温度传感器为由一段单模光纤与一段多模光纤的连接而成，其中单模光纤另一端与光纤耦合器或光纤环行器连接，多模光纤的另一端为一个垂直于该光纤轴线的镜面。

上述的单模光纤和多模光纤的纤芯和包层的形状均为圆形。

采用上述结构的光纤温度测量仪实现温度测量的方法，其特征包括以下过程：

1.由单模光纤传来的基模光进入多模光纤后，将形成基模LP₀₁和若干高阶模LP_0N。由单模光纤基模向这些导模的耦合系数分布是不均匀的。这些导模将沿多模光纤传播，到达多模光纤的镜面后，被发射后沿相反方向传播。在单模光纤与多模光纤的界面，由于不同阶数的导模模场分布的差异，因而导致它们在向单模光纤基模耦合时耦合系数之间的不同。其结果是只有少数的导模被有效地耦合到单模光纤中。在这里，单模光纤起到了选择模式的作用。被耦合到单模光纤中的导模，由光纤耦合器或环行器与入射光分离，在光探测器发生干涉，当入射光的波长满足：

$\mathrm{\λ}=\frac{{8\mathrm{nma}}^2}{(N_1-N_2)[2(N_1+N_2)-1]L},$

时，形成干涉极大。上式中，n为多模光纤纤芯的折射率；m为一正整数；a为多模光纤纤芯半径；L为多模光纤的长度；N₁，N₂为导模LP_0N的阶数。

2.由于多模光纤纤芯的折射率n，半径a和长度L均随外界温度的变化而改变，所以温度的变化将导致谐振波长λ的变化。故检测波长λ即可得到温度值。由温度引起的波长变化为

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}=\frac{\∂n}{n\∂T}\mathrm{\ΔT}+2\frac{\∂a}{a\∂T}\mathrm{\ΔT}-\frac{\∂L}{L\∂T}\mathrm{\ΔT}=(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})\mathrm{\ΔT},$

其中，α为多模光纤材料的热膨胀系数；ξ为多模光纤材料的热光系数。

3.由波长解调器测量波长变化，则得到被测温度值。

上述的多模干涉为不包括基模LP₀₁在内的高阶模之间的干涉。

本发明具有结构简单和能测试高温的特点，所涉及的温度传感器与光纤布拉格光栅温度传感器具有完全相同的温度灵敏度。

                              附图说明

图1为光纤温度传感器结构示意图。图中：101为单模光纤；102为多模光纤；104为单模光纤包层；105为单模光纤纤芯；106为单模光纤101与多模光纤102的对接面；107为多模光纤包层；108为多模光纤纤芯；109为多模光纤端面。

图2为光纤温度测量仪结构框图。图中：201为宽带光源；202为光纤环行器；203为光纤温度传感器；204为波长解调仪。

图3为记录的反射光谱图。图中标识的两个极小值处为两个谐振波长。

图4为实测温度与波长变化的关系。

                             具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。如附图1所示，单模光纤101采用标准单模通信光纤(G652)，其纤芯(105)直径为8.2μm，包层(104)直径为125μm，数值孔径0.14。首先将其保护涂层除去，然后使用光纤切刀将其端面切成与其轴线垂直。多模光纤102使用Nufern MM-S105/125-15A折射率阶跃光纤，其纤芯(108)直径为105μm，包层(107)直径为125μm，数值孔径0.14。首先将其保护涂层除去，然后使用光纤切刀将其端面切成与其轴线垂直。之后，将端面处理后的单模光纤和多模光纤放入光纤熔接机将两光纤熔接在一起。在多模光纤102上49mm处使用光纤切刀将其切断，在其端面形成一个与其轴线垂直的镜面。

根据已知的光纤参数通过理论计算可知，由单模光纤101输出的光(波长1550nm)可在多模光纤102内激发出具有旋转对称模场分布的各阶导模。由单模光纤101的基模向这些导模的耦合系数分布是不均匀的，其中以LP₀₆和LP₀₇为最强。这些导模将沿多模光纤102传播，到达多模光纤102的端面109后，被端面109反射后沿相反方向传播。在单模光纤101与多模光纤102的界面106，由于单模光纤101的模场直径远小于多模光纤102的模场直径，所以在这些导模中只有模场分布集中在轴线附近的导模才有可能被有效地耦合到单模光纤101中。在本实施例中，被有效地耦合到单模光纤中的模主要是LP₀₆和LP₀₇。这两个模将产生干涉，在波长满足上面给出的条件时形成干涉极大。当温度改变时形成干涉极大的波长将随之改变，检测该波长的变化即实现对温度的测量。

由于对本发明的所涉及的光纤温度传感器是采用熔接制成的，不仅具有结构简单，易于制作等优点，更重要的是它可用于高温测量。对于本实施例中使用的石英光纤，其温度测量范围在1000℃以上。

图2为光纤温度测量仪示意图。201为宽带光源，其输出光谱范围为1520-1565nm，输出功率为5mW；202为光纤环行器；203为光纤温度传感器；204为光纤光谱分析仪，作为光谱记录和波长解调设备。

图3为实验记录的光谱图，图中表示在实验所用的宽带光源有效光谱范围内，出现两个干涉极小，对应谐振波长在25摄氏度时分别为1537.587nm和1562.144nm。

图4为实测温度与波长变化的关系。在实验所选取的温度范围内(80-400℃)，谐振波长的变化量与温度成良好的直线关系，比例系数即温度灵敏度为12.2pm/℃，该值与光纤布拉格光栅温度传感器的灵敏度相当。

本领域的专业技术人员都清楚，本发明的思想可采用上面列举的具体实施方式以外的其它方式实现。

Claims (4)

1.一种光纤温度测量仪，该温度测量仪包括一个光纤耦合器或光纤环行器，与光纤耦合器或光纤环行器连接的宽带光源、波长解调器及光纤温度传感器，其特征在于，光纤温度传感器为由一段单模光纤与一段多模光纤的连接而成，其中单模光纤另一端与光纤耦合器或光纤环行器连接，多模光纤的另一端为一个垂直于该光纤轴线的镜面。

2.按权利要求1所述的光纤温度测量仪，其特征在于，单模光纤和多模光纤的纤芯和包层的形状均为圆形。

3.一种采用权利要求1所述的光纤温度测量仪实现温度测量的方法，其特征包括以下过程：

1).由单模光纤传来的基模光进入多模光纤后，将形成基模LP₀₁和若干高阶模LP_0N，又由于单模光纤基模向这些导模的耦合系数分布是不均匀的，当这些导模沿多模光纤传播，到达多模光纤的镜面后，被发射后沿相反方向传播；在单模光纤与多模光纤的界面，由于不同阶数的导模模场分布的差异，因而导致它们在向单模光纤基模耦合时耦合系数之间的不同，其结果是只有少数的导模有效地耦合到单模光纤中，则单模光纤起到了选择模式的作用；被耦合到单模光纤中的导模，由光纤耦合器或环行器与入射光分离，在波长解调器内的光探测器发生干涉，当入射光的波长满足：

$\mathrm{\λ}=\frac{8\mathrm{nm}{a}^2}{(N_1-N_2)[2(N_1+N_2)-1]L},$

时，形成干涉极大；上式中：n为多模光纤纤芯的折射率；m为干涉级次；a为多模光纤纤芯半径；L为多模光纤的长度；N₁，N₂为导模LP_0N的阶数；

2).由于多模光纤纤芯的折射率n，半径a和长度L均随外界温度的变化而改变，所以温度的变化将导致谐振波长λ的变化，故检测波长λ即可得到温度值，由温度引起的波长变化为：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}=\frac{\∂n}{n\∂T}\mathrm{\ΔT}+2\frac{\∂a}{a\∂T}\mathrm{\ΔT}-\frac{\∂L}{L\∂T}\mathrm{\ΔT}=(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})\mathrm{\ΔT},$

式中：α为多模光纤材料的热膨胀系数；ξ为多模光纤材料的热光系数；

3).由波长解调器测量波长变化，则得到被测温度值。

4.按权利要求3所述的温度测量的方法，其特征在于，多模干涉为不包括基模LP₀₁在内的高阶模之间的干涉。

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