CN207991710U - 一种偏振干涉式无源光纤温度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种偏振干涉式无源光纤温度传感器。其包括：光源、光分路器、信号处理单元以及n条温度传感通道；光分路器将光源发出的光信号分为n+1路，其中一路经光电转换后作为参考信号输入信号处理单元，另外n路作为检测光分别输入n条温度传感通道；每条温度传感通道均包括一个光环形器、一个光电探测器、一条单模传输光纤、一个光纤温度传感探头；光纤温度传感探头包括依次连接的起偏器、传感保偏光纤、反光镜，起偏器为倾斜保偏光纤光栅，倾斜保偏光纤光栅的快轴/慢轴与传感保偏光纤的快轴/慢轴呈θ角熔接；信号处理单元用于对n条温度传感通道的检测信号及参考信号进行处理以获得温度信息。本实用新型具有结构简单、可扩展的优点。

Description

一种偏振干涉式无源光纤温度传感器

技术领域

本实用新型涉及一种温度传感器，尤其涉及一种偏振干涉式无源光纤温度传感器。

背景技术

有源式传感器本征不安全，不适合高电磁干扰、易燃、易爆、供电困难等领域的应用需求。光纤传感技术是近年来发展起来的尖端监测技术，具有无源、可远距离传输、成本低、耐腐蚀、抗电磁干扰、轻便灵巧等优点。

光纤测温技术是光纤传感领域中研究与开发较为活跃的技术，在强电磁场、高频场、微波场以及供电困难等环境中应用非常普遍。目前广泛使用的光纤温度传感器有光纤光栅温度传感器、分布式温度传感器、荧光光纤温度传感器等几种。但多存在测温范围窄、传输距离短、解调原理复杂，价格昂贵等问题。

保偏光纤是利用波导的形状双折射或应力双折射来实现偏振保持的。当环境温度发生变化时，温度双折射效应会导致保偏光纤本征模之间的位相差随温度变化。因此，基于保偏光纤的温度双折射及偏振干涉效应可以实现高灵敏度的温度测量。采用特殊的材料及封装工艺，可满足电力、石油、化工、煤炭、航天、轨道交通等不同领域的低成本、高精度、远距离、快速响应温度测量需求。

然而现有基于保偏光纤的光纤温度传感器普遍存在结构复杂、实现成本较高、系统扩展性差的问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种偏振干涉式无源光纤温度传感器，具有结构及解调原理简单、成本低、系统可扩展、抗振及抗电磁干扰能力强、响应速度快、测量精度高、分辨率高、传输距离不受限制等优点。

本实用新型具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种偏振干涉式无源光纤温度传感器，包括：光源、光分路器、信号处理单元以及n条温度传感通道，n为大于1的正整数；所述光分路器将光源发出的光信号分为n+1路，其中一路经光电转换后作为参考信号输入信号处理单元，另外 n路作为检测光分别输入所述n条温度传感通道；每条温度传感通道均包括一个光环形器、一个光电探测器、一条单模传输光纤、一个光纤温度传感探头，所述光环形器的a、b、c端口分别连接检测光、单模传输光纤的一端、光电探测器的输入端，单模传输光纤的另一端经与光纤温度传感探头连接，光电探测器的输出端连接信号处理单元；所述光纤温度传感探头包括依次连接的起偏器、传感保偏光纤、反光镜，所述起偏器为倾斜保偏光纤光栅，倾斜保偏光纤光栅的快轴/慢轴与传感保偏光纤的快轴/慢轴呈θ角熔接，θ角大于0度，小于90度；所述信号处理单元用于对n条温度传感通道的检测信号及参考信号进行处理以获得温度信息。

优选地，所述反光镜为镀于所述传感保偏光纤末端端面上的介质全反射膜。

优选地，所述倾斜保偏光纤光栅倾角为45°，栅区长度大于5mm，工作波段为1310nm及1550nm，消光比大于25dB。

优选地，所述光分路器为PLC型光分路器。

优选地，所述θ角为45度。

相比现有技术，本实用新型技术方案及其优选或进一步改进技术方案具有以下有益效果：

本实用新型采用低成本的保偏光纤实现温度信号的检测，利用光纤抗电磁干扰能力强、无源、传输距离远的特点，可满足电力、能源、航天、煤矿、轨道交通等苛刻环境下的应用需求。相对于市场上现有的光纤光栅温度传感器及拉曼散射式温度传感器，本实用新型具有结果简单、成本低、测量精度高的优点；相对于荧光式光纤温度传感器，本实用新型具有测量精度高、传输距离远、可扩展等优点。

本实用新型技术方案中的多传感探头共用一个光源，可提高光源利用率，简化系统架构，降低单点测温成本，提高系统的可扩展性，提高本实用新型产品在工程现场应用及配置的灵活性，满足多点温度测量需求。

本实用新型从光源信号中引出一路作为参考信号，可利用其实现信号处理算法的优化，例如利用其进行光源功率的实时监视，结合归一化信号解调算法，可消除光源老化及出纤功率波动对系统测量精度的影响，提高系统的可靠性及稳定性。

本实用新型将利用倾斜保偏光纤光栅实现的起偏器集成进温度传感探头，可提高温度传感探头的集成度，降低系统的制作成本，提高系统的可靠性。系统主机和测温探头之间采用单模光纤实现远距离传输，可进一步降低系统的远距离测温成本。

附图说明

图1为本实用新型偏振干涉式无源光纤温度传感器的结构示意图；

图2为45°倾斜保偏光纤光栅的原理示意图。

图中包含以下附图标记：

1：光源；2：1×(n+1)光分路器；(21、22…2n)：光分路器的n个检测光输出端口；2n1：光分路器的参考光输出端口；(31、32…3n)：光环形器；(41、42… 4n)：倾斜保偏光纤光栅；(51、52…5n)：传感保偏光纤；(61、62…6n)：反光镜；(8、71…7n)：光电探测器；(91、92…9n)：单模传输光纤；10：信号处理单元。

具体实施方式

针对现有光线温度传感技术的不足，本实用新型的思路是基于保偏光纤的温度双折射及偏振干涉效应实现高灵敏度的温度测量；通过以倾斜保偏光纤光栅作为起偏器集成进温度传感探头，提高温度传感探头的集成度，降低系统的制作成本，提高系统的可靠性；通过复用光源，提高光源利用率，简化系统架构；通过引出一路光源信号作为参考，便于实现信号处理算法的优化。

具体而言，本实用新型的偏振干涉式无源光纤温度传感器，包括：光源、光分路器、信号处理单元以及n条温度传感通道，n为大于1的正整数；所述光分路器将光源发出的光信号分为n+1路，其中一路经光电转换后作为参考信号输入信号处理单元，另外n路作为检测光分别输入所述n条温度传感通道；每条温度传感通道均包括一个光环形器、一个光电探测器、一条单模传输光纤、一个光纤温度传感探头，所述光环形器的a、b、c端口分别连接检测光、单模传输光纤的一端、光电探测器的输入端，单模传输光纤的另一端经与光纤温度传感探头连接，光电探测器的输出端连接信号处理单元；所述光纤温度传感探头包括依次连接的起偏器、传感保偏光纤、反光镜，所述起偏器为倾斜保偏光纤光栅，倾斜保偏光纤光栅的快轴/慢轴与传感保偏光纤的快轴/慢轴呈θ角熔接，θ角大于0度，小于90度；所述信号处理单元用于对n条温度传感通道的检测信号及参考信号进行处理以获得温度信息。

光源发出的光经过光分路器后，被分成n+1路输出，其中，1路输出光经光电探测器转换为参考电信号，用于监视光源输出功率的波动，消除光源老化及功率波动对系统测量精度的影响，另外n路作为探测光分别输入n路光纤温度传感探头。在光纤温度传感探头中，光源输出的探测光经过作为起偏器的倾斜保偏光纤光栅后，形成线偏振光，线偏振光以θ角进入传感保偏光纤，并分成正交的两束线偏光分别沿传感保偏光纤的快、慢轴传输。两束线偏光的传播常数差对温度敏感并呈线性关系。两束线偏振光经反光镜反射后，再次穿过传感保偏光纤，合束干涉后经过起偏器，被送往光电探测器。最终携带有温度信息的干涉光在信号处理单元处解调出被测温度信息。

为便于公众理解，下面以一个具体实施例并结合附图来对本实用新型的技术方案进行进一步详细说明：

如图1所示，本实用新型的偏振干涉式无源光纤温度传感器，包括一台主机、 n路单模传输光纤91、92…9n和n路光纤温度传感探头；所述主机中设置有光源1，1×(n+1)光分路器2，光环形器31、32…3n，光电探测器8、71、72…7n，信号处理单元10；所述光纤温度传感探头包括倾斜保偏光纤光栅41、42… 4n、传感保偏光纤51、52…5n、反光镜61、62…6n。

如图1所示，光源1的输出端与1×(n+1)光分路器2的输入端连接，1×(n+1) 光分路器2的输出端21与光环形器31的端口31a连接，1×(n+1)光分路器2 的输出端22与光环形器32的端口32a连接，……，1×(n+1)光分路器2的输出端2n与光环形器3n的端口3na连接，1×(n+1)光分路器2的输出端2n1与光电探测器8的输入端连接；环形器31的端口31c与光电探测器71的输入端连接，环形器32的端口32c与光电探测器72的输入端连接，……，环形器3n的端口 3nc与光电探测器7n的输入端连接，光电探测器8、71、72、…、7n的输出端分别与信号处理单元10连接；光环形器31的端口31b与单模传输光纤91的一端连接，单模传输光纤91的另一端与倾斜保偏光纤光栅41的输入端连接，倾斜保偏光纤光栅41的输出端与传感保偏光纤51的输入端连接(倾斜保偏光纤光栅 41的快轴/慢轴与传感保偏光纤51的快轴/慢轴呈θ角熔接，θ角大于0度，小于90度)，传感保偏光纤51的输出端与反光镜61连接；类似地，…，光环形器 3n的端口3nb与单模传输光纤9n的输入端连接，单模传输光纤9n的输出端与倾斜保偏光纤光栅4n的输入端连接，倾斜保偏光纤光栅4n的输出端与传感保偏光纤5n的输入端连接(倾斜保偏光纤光栅4n的快轴/慢轴与传感保偏光纤5n 的快轴/慢轴呈θ角熔接)，传感保偏光纤5n的输出端与反光镜6n连接。

上述偏振干涉式无源光纤温度传感器的系统工作原理如下：

根据系统各器件的传输模型，可得光电探测器71、72…7n输入的光强信号：

I_out1＝1/2I_in[1+cos(2δ_x-2δ_y)] (1)

其中，δ_x及δ_y为传感光纤快轴、慢轴的相位延迟；I_in为入射光光强。

光电探测器8输入的光强信号：

I_out2＝1/2I_in (2)

归一化可得，

I_out＝I_out1/I_out2＝1+cos(2δ_x-2δ_y) (3)

线偏振光在x、y方向上传输的相位差为：

δ＝δ_x-δ_y＝L(β_x-β_y)＝LΔβ (4)

其中，L为传感保偏光纤长度；Δβ为传感保偏光纤x、y方向传播常数差。

本实施例中采用应力型保偏光纤用作传感保偏光纤，Δβ在-200℃～400℃的范围内与温度成线性关系，温度系数约为10^-3量级。

由于温度变化，导致光在快、慢轴方向上的传播常数差发生变化，通过对输出光强I_out的探测，可得温度变化信息。

为了简化结构，降低成本，在本实施例中，所述反光镜为镀于所述传感保偏光纤末端端面上的介质全反射膜。

本实施例中所述光分路器为PLC型光分路器。

所述θ角优选为45度。

常见的光纤起偏器采用双折射晶体、偏振薄膜、双折射光纤缠绕等特殊形状光纤实现，成本高，插入损耗大，制作工艺复杂。为了提高系统集成度，简化结构，降低成本，本实用新型采用倾斜保偏光纤光栅作为起偏器，直接将其的快轴 (或慢轴)与传感保偏光纤的快轴(或慢轴)呈θ角熔接即可。本实用新型优选为45°倾角的倾斜保偏光纤光栅。

目前常用的写制倾斜光纤光栅的方法是将相位模板与光纤轴向旋转一定角度，利用光敏光纤的光敏性，通过紫外曝光，将入射光的相干场图样写入纤芯，在纤芯内形成沿轴向具有一定周期的折射率调制结构，如图2所示。当折射率调制条纹与光场传播垂直方向存在一定角度时，入射光在折射率调制区分界面上将会发生反射和折射，当入射光在折射率调制区分界面上的入射角满足布儒斯特角条件时，其反射光S光和折射光P光为线偏振光，振动方向与入射面垂直。

根据斯涅耳定律，布儒斯特角大小为：

θ_B＝arctan(n₂/n₁) (4)

式中，n1为纤芯中未经紫外曝光区域的折射率，n2为经曝光后调制区域的折射率。采用紫外曝光的方法形成光致折射率变化是非常微小的，一般在10-5～10-3 数量级，相对于纤芯原来的折射率可以近似认为n2≈n1，根据式(4)，其布儒斯特角为45°。

采用移动扫描相位模板技术在单模光敏光纤上刻写45°倾斜保偏光纤光栅，通过调整光栅区长度，使得45°倾斜保偏光纤光栅输出消光比在1310nm及 1550nm波段大于25dB，偏振度在99％以上的线偏振光，并且以45°倾斜保偏光纤光栅作为起偏器具有完全光纤化、结构紧凑、成本低、偏振性能好、可长时间稳定工作等优点。

Claims (5)

1.一种偏振干涉式无源光纤温度传感器，其特征在于，包括：光源、光分路器、信号处理单元以及n条温度传感通道，n为大于1的正整数；所述光分路器将光源发出的光信号分为n+1路，其中一路经光电转换后作为参考信号输入信号处理单元，另外n路作为检测光分别输入所述n条温度传感通道；每条温度传感通道均包括一个光环形器、一个光电探测器、一条单模传输光纤、一个光纤温度传感探头，所述光环形器的a、b、c端口分别连接检测光、单模传输光纤的一端、光电探测器的输入端，单模传输光纤的另一端经与光纤温度传感探头连接，光电探测器的输出端连接信号处理单元；所述光纤温度传感探头包括依次连接的起偏器、传感保偏光纤、反光镜，所述起偏器为倾斜保偏光纤光栅，倾斜保偏光纤光栅的快轴/慢轴与传感保偏光纤的快轴/慢轴呈θ角熔接，θ角大于0度，小于90度；所述信号处理单元用于对n条温度传感通道的检测信号及参考信号进行处理以获得温度信息。

2.如权利要求1所述偏振干涉式无源光纤温度传感器，其特征在于，所述反光镜为镀于所述传感保偏光纤末端端面上的介质全反射膜。

3.如权利要求1所述偏振干涉式无源光纤温度传感器，其特征在于，所述倾斜保偏光纤光栅倾角为45°，栅区长度大于5mm，工作波段为1310nm及1550nm，消光比大于25dB。

4.如权利要求1所述偏振干涉式无源光纤温度传感器，其特征在于，所述光分路器为PLC型光分路器。

5.如权利要求1所述偏振干涉式无源光纤温度传感器，其特征在于，所述θ角为45度。