TW434429B - Fiber optic sensor - Google Patents
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Description
五、發明説明（丨） 經濟部中央栳準局員工消费合作社印製 發明領域： 本發明係關於纖維光學感測器，以及特別是關於獨立 地量測光纖溫度及軸向應變之方法與裝置。 發明背景： 纖維光學感測器以及特別是分散式纖維光學感測器為 精小構造及作為其他感測應用具有優點的。精小構造通常 為複合構造，其能夠加入電子通訊裝置内作為監測或主動 地控制該構造之操作。需要感測器以監測精小構造所遭遇 之情況。光纖感測器例如能夠埋嵌於複合構造層内以決定 應變及溫度。在其他工業界之應用中，其需要外界環境之 訊息以控制處理過程之品質及製造情況。沿著感測光纖長 度分散地使用Bragg光栅具有許多優點。採用光纖感測器 所產生之一項問題係關於其對溫度與應變之靈敏性。在一 項已考慮到之研究中，已發展出使用保持偏極光纖之應變 及溫度聯合感測器。非常不幸地，已測定出藉由感測器得 到之溫度及應變值彼此相關的。因而由感測器量測出數值 本質上為不正破的。 因而需要不會受到應變元件負面影響之量測溫度感測 器，同樣地需要量測應變感測器，其並不會受到溫度元件影 響。 在另外一項研究令，具有橢圓形心蕊之第一保持偏極 光纖被融合至具有橢圓形心蕊之第二保持偏極光纖。第二 光纖長軸對著第一光纖旋轉90度。當偏極光線訊號傳送通 過光纖時，溫度及應變不同地影響光線訊號之相位。該關 (請先閱讀.背面之注意事項再填巧本頁) .裝· 線 本紙張尺度適用中國图家標準（CNS ) Λ4規格（21〇Χ 297公釐） 五、發明説明（2 ) A7 B7 經濟部肀央播準為貝工消費合作社印1i 係以下列公式表示： A^1=A,LlAT + B^Lj (1) AiP2=A2L2AT + B2AL2 (2) ϊ中△ri第-光纖中相位差值變化，〜為第-光纖溫度 變化之度係數山為第-雄錢，ΔΤ為溫度變化，βι為 第-光纖應f變化之應魏數，ALi為第-於應變 產生之長錢化，△以^光纖#相位差值變化,心為 第二光纖溫度變化之溫度係數山為第二光纖長度，ΔΤ為 溫度變化，Β2為第二光纖應變變化之應變係數，他為第二 光纖由於應變產生之長度變化。 為了使溫度與應變去除耦合，兩條光纖必需加以選擇 使付其應變係數為相等的，或其溫度係數為相等的，使得： 或（3) A^iAT^L^T (4) 因而，當兩條光纖之相位變化相減 Αφ=ΑψΓ^(Ρ2 相等之係數將使變數去除。因而得到單一變數。不過，該 方式具有一些優點。第一，兩者必需使光纖精確地選擇使 第一及第二光纖間由於應變或溫度產生之相位差值為相 等。其次，由公式3,4,及5可了解感測器受限於感測溫度 或應變。其無法同時地感測兩者° 因而，光纖感測器存在一項需求，其能夠精確地在光纖 上量測光纖應變而該量測不受溫度影響，同時能夠同時地 精確地量浪丨光纖環境之溫度而溫度量測不受所施加應變影 本紙張尺度適用t國國家標準（CNS > Λ4规格（2丨οχ^37/々楚） (锖先M1*背面之注愈肀項蒋填穴本筲) -装 -%¾ 1祕f 2 9釅 4、 A7 __________ B7 五.、發明説明（3 ) 響。 發明大要： 先前所說明現存㈣能夠卿本發明加以解決。本發 明包含-對纖ϋ纖具有多條保持驗光纖區 段以及在計放置相位够$。自於在每—光纖中配置相 位偏移器之應變以及溫度效應崎為不同的，溫度以及應 變能夠獨立地以及同時地量測。 ^ 本發明一項係關於光纖，其傳播具有特別中央波長之 光線訊號。光纖放置於環境中以及使用來量測一組多個環 境參數光纖包含一組多條保持偏極光纖區段，其每一光 纖具有包層以及_形心蕊一组多條保持偏極光纖區段 之長軸對著先前光纖區段旋轉45度，以及光學地連接至該 先前光纖區段。光纖亦包含感測元件放置於一組多條保持 偏極光纖區段内。感測元件以預先決定比率偏移光線訊號 之中央波長以反應一組多個環境參數。 本發明另外一項係關於馬赫倫德爾裝置，其耦合中央 波長為特被之光線sfl號。馬赫倫德爾敦置放置於環境中以 及使用來4測一組多個環境參數。馬赫倫德爾裝置包含第 一保持偏移光纖以傳播光學訊號。第一保持偏極光纖包含 第一橢圓形心蕊，第一包層，以及一組多條第一光纖區段， 其中每一第一光纖對著先前第一光纖區段旋轉45度以及光 學地連接至先前第一光纖區段。其亦包含第二保持偏極光 纖，其放置相鄰於苐一保持偏極光纖。第二保持偏極光纖 包含第二_圓形心蕊，第二包層，以及一組多條第二光纖區 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4現格（2丨0X297公發） -------I ί - n - D n Hr - 丁 __ __ _ I ! __ i 紹 (¾先閱讀.背面之注意事項再填饮？本頁) 經濟部中央橾率局員工消费合作社印繁 A7 B7 五、發明説明（午） 段，其中每-第二光纖對著先前第二光纖區段旋轉45度以 .及光學鱗接至先前第-光雜段。搞合區域位於第—保 持偏極光纖與第二保持偏極光纖之間以耗合光線訊號於第 一及第一·保持偏極光纖之間《感測元件位於第一及第二保 持偏極光纖之間。在感測元件以預先決定之第一比率在第 一保持偏極光纖中以及以第二比率在第二保持偏極光纖中 偏移光線訊號之中央波長以反應一組或多組環境參數9 本發明另外一項係關於放置於一種環境中之光纖感測 器以及使用來量測一組多個環境參數β光纖光學感測器包 含一個偏極光源以傳送具有一種中央波長之光線訊號以及 第一保持偏極光纖連接至偏極光源。第一保持偏極光纖包 含第一橢圓形心蕊，第一包層，以及一組多條第一光纖區段 。光纖感測器亦包含第二保持偏極光纖放置相鄰於第一保 持偏極光纖。第二保持偏極光纖包含第二橢圓形心蕊，第 二包層，以及一組多條第二光纖區段。耦合區域放置於第 一保持偏極光纖與第二保持偏極光纖之間，使得光線訊號 耦合於第一及第二保挤偏極光纖之間。感測元件放置於第 一與第二保持偏極光纖之間。感測元件以第一預先決定比 率在第一保持偏極光纖中以及以第二預先決定比率在第二 保持偏極光纖中偏移光線訊號之t央波長以反應一組多個 環境參數·» 本發明光纖感測器產生一些優點優於先前所揭示之感 測器。第一，本發明精確地量測光纖上之應變而該量測不 .會受到溫凌影響。第二，其精確地地量測光纖外界環境之 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) Λ4洗格（210X297公釐） (评先«1请背面之注意1ί項#填艿本页) .裝 妳
~ 1 I I 五、發明説明（g·) 溫度，而該量測不會受到應變影響。除此，本發明具有雙重 功能，其中感測器能夠同時地使用來量測溫度及應變。 附圖簡單說明： 第一圖（圖1)為本發明光纖感測器第一實施例之示意 圖。 第二圖（圖2)為圖1感測器之第一保持偏極光纖斷面圖 ’其顯示出三個光纖區段間關係，其構成保持偏極光纖。 苐二圖（圖3)為第一及第二保持偏極光纖之詳細圓。 第四圖（圖4)為曲線圖，其比較本發明感測器所使用不 同保持偏極光纖之相對波長偏移與溫度關係。 第五圖（圖5)為曲線圖，其比較本發明感測器所使用不 同保持偏極光纖之相對波長偏移與所施加應變關係。 第六圖（圖6)為模組圖，其顯示出感測器組件。 附圖元件數字符號說明： 纖維光學感測器10;馬赫倫德爾裝置2〇;光纖22, 24 ;光纖30;光纖區段32, 34, 36;感測元件38;光纖40;光 纖含區段42,44, 46;耦合區域50;溫度效應曲線60, 64; 軸向應變效應曲線70, 72, 74，.偏極光源80;感測器組件 卯;偏極器92;感測器94;處理器96;量測環境1〇〇;帶狀 線纜Π0;包層320;心蕊322;包層340;心蕊342;心蕊 380;包層382;光柵384。 優先實施例詳細說明： 現在針對本發明優先實施例詳細加以說明，其範例顯 示於本發明附圊尹。所有附圖中所使用相同的數目表示相 本紙張尺度適用中國國家榡半（CNS ) Λ4現格Ul0X297公梵〉 經濟部中央標準局貝工消費合作社印Μ ，五、發明説明（么) 同或類似之零件。纖維光學感測器之範例性實施例顯示於 圖1中，以及以參考數字1〇表示。 本發明中纖維光纖感測器10包含一對光纖30,4〇,其配 置為帶狀線瘦以及使用來獨立地量測縱向應力以及溫度。 纖維光學感測器10能夠使用來精碟地量測光纖上之應變而 該量測並不會受到溫度影響。同樣地，其能夠精確地量測 光纖環境之溫度而該量測並不受到應變影響。 如圖1所描繪之纖維光學感測器1〇包含偏極光源80，其 連接至馬赫倫德爾裝置2〇。馬赫倫德爾裝置2〇連接至感測 器組件90。馬赫倫德爾裝置2〇包含第一保持偏極光纖3〇以 及第二保持偏極光纖40。耦合區域50形成於第一保持偏極 光纖30以及第二保持偏極光纖4〇之間。投射進入第一保持 偏極光纖之偏極光線訊號瞬逝地耦合進入第二保持偏極光 纖40於耦合區域5〇 t。傳播於兩條光纖3〇, 4〇 t之光線訊 號終止於感測器組件9〇中。第一光纖30包含區段32,34,及 36。第二光纖4〇包含區段42, 44,及46。區段34及44放置被 量測之環境100中。 圖2為顯示於圖1中第一保持偏極光纖3〇之斷面圊。第 一保持偏極光纖3 0包含三個區段，其以背對背排列地拼接 或融合在一起。第一區段32具有包層320以及橢圓形心蕊 322。第二光纖區域34亦具有包層340以及橢圓形心蕊342 。第二光纖區段34對著第一區段32繞著其縱向中心軸旋轉 45度。第三光纖區段36亦具有包層360以及橢圓形心蕊362 °第三光纖區段對著第二區段34繞著其縱向f心軸旋轉45 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)六4規格（21〇χ297公釐） ---------,ΜΙ衣------ΤΓ------^ ί請先間靖背而之ίΐ意事項再填巧本页) 8 8 A7 ^344 29^1 ___B7 五、發明説明（-j ) ~ 度以及對著·第一區段32旋轉90度。每一保持保持偏極光纖 •包含感測元件38。感測元件38採用摻雜心蕊38〇,摻雜包層 382,或光柵384。 圖3為第一保持偏極光纖3 〇以及第二保持偏極光纖 之詳細圖。·在本發明一項實施例中，第一保持偏極光纖3〇 以及第二保持偏極光纖40配置於帶狀線纜11〇中。如先前 .所說明，第一保持偏極光纖30包含三個融合在一起之第一 光纖區段32,34及36。第二保持偏極光纖40包含三個第二 光纖區段42,44及46,其同樣地融合在一起以形成單一保持 偏極光纖40 »放置於環境1〇〇中部份帶狀線纜π〇包含區段 34及 44。 圖4顯示出波長相對於使用不同感測元件38之保持偏 極光纖22及24蕰度之變化。由溫度效應曲線60所表示之感 測元件38由使用摻雜7%硼之心蕊製造出。該光纖具有△= 1 %以及以-0. 632nm/°C比率產生相位偏移以反應溫度之變 化，其甲△表示心蕊與包層間折射率差值。由溫度效應曲 線62所表示感測元件38藉由使用摻雜7%硼之包層製造出。 該光纖具有以及以-0. 222nm/°C比率反應溫度變化。 感測元件38藉由使用拋物線變化之摻雜二氧化鍺心蕊製造 出，其心蕊中央摻雜40%二氧化鍺，在心蕊邊緣為⑽，以及△ =2%。光纖以溫度反應曲線64表示。其以~0. 022rW°C比例 地產生相位偏移以反應溫度變化。 圖5顯示出波長相對於三條光纖軸向應力之變化，如圖 4說明。使用摻雜7%硼心蕊製造出第一感測元件以軸向應 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公犛） ：-------：----装------ΐτ------棘 (請先閱讀背而之注意事項再填艿本I) 經济部中央榡準局黑工消费合作社印製 4 43M29㈤ A7 B7五、發明説明（？） 變效應曲線70表示。該元件產生相位偏移以+9. 67nni/me 比率反應軸向應變。苐二感測元件使用摻雜7%硼包層製造 出，其以轴向應變反應曲線72表示。該元件產生相位偏移 以-23, 37nm/m£比率反應軸向應變。第三感測元件藉由使 用拋物線變化之摻雜二氧化鍺心蕊製造出，其心蕊中央摻 雜40%二氧化鍺，在心蕊邊緣為〇%,以及Δ=2%摻雜二氧化鍺 心蕊由軸向應變效應曲線74表示。其以-0. 033ηιη/Ηΐε比率 反應光纖上之軸向應變。 在描繪於圖卜3辛之纖維光學感測器10—項實施例扎 保持偏極光纖包含第一光纖，其具有摻雜7%硼心蕊以及第 二光纖40具有摻雜7%硼包層。該成對光纖為適當的，因為 顯示於圖3及4效應曲線極不相同。在另外一個實施例中， 具有Α=2?ό之摻雜二氧化鍺光纖能夠加以使用先前所說明 兩條光纖例如為摻雜硼心蕊光纖或摻雜硼包層光纖之任何 一種。熟知此技術者了解在選取感測元件中能夠作改變及 變化。例如，能夠選擇先前對圖3或4所說明三條光纖之任 何二條以及使用來製造出光纖感測器10。 圖6為感測器組件90之詳細圖。感測器組件90由偏極 器92,感測器94以及處理器96所構成。光線訊號由偏極器 92產生偏極後，感測器94接收第一保持偏極光纖30發出之 輸出訊號以及第二偏極光纖4〇發出之第二輸出訊號。存在 於第一光纖30中之感測元件38(並未顯示出）促使其輸出訊 號相對於光源80發出之輸入光線訊號產生相位偏移Ρ丨，如 圖1所示。存在於第二光纖40中之感測元件38亦促使其輸 Μ氏張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（2丨〇><297公楚） (請先閲锖背而之>i意事頊再填托本Ji} T -=& 線 43442 9^ at ---—_____B7 五、發明説明（q ) 1ϋ 出訊號，其相對於光源80發出輸入光線訊號產生相位偏移 屮2。h及炉2數值由處理器96處理使用以計算一組多個 環境參數》使用任何兩條先前所說明之光纖，應力以及溫 度值能夠使用下列公式去除耦合：Ψ ι=0]ΔΤ+ΚιΔ8 (6) <P2=C2AT+K2AS (7) 在公式（6)及(7)中，ΔΤ為溫度變化，為軸向應變變化， C!及C2為第一及第二保持偏極光纖3〇, 40溫度效應曲線（圖 4)之斜率，以及心及心為第一及第二保持偏極光纖3〇, 40軸 向應力效應曲線（圖5)之斜率。公式（6)減公式(7)得到下 列公式：Ψ^ΨΓΨ 2^(Ci+C2)AT+(Ki+Kz)AS (8) 藉由每一保持偏極光纖已知的物理特性，能夠選擇適當多 條光纖以去除公式8令之變數： ^ = ^ SPi-^>2=(Ci+C2)AT (9) Ψ = ΨγΤ <P2=(Ki+K2)AS (10) 公式(9)能夠很容易求解而得到溫度，其中公式（10)能夠求 出光纖上之軸向應力。 顯示於光纖1及6中光纖操作如下。光源80投射偏極光 線進入光纖30。光線訊號在耗合區域50中耗合進入光織4〇 。區段34及44放置於被量測之環境1〇〇中。在環境中溫 度及應變改變區段34及44之路徑長度以及因而偏移光線訊 號之相位。例如，在光纖30中感測元件38為摻雜7%删心蕊 以及在光缒40.中感測元件38為摻雜40%鍺拋物線心蕊。因 衣紙法尺度適用中國國家榇準（CNS ) Μ規格（210X297公釐） C锖先閱锖背面之注意事項孙填巧本丌) 「裝· 訂 線 434429^ A7 ______B7____ 五、發明説明) - 而由於光纖30以及光纖40在環境中溫度與應變變化而產生 •路徑長度變化，每一光纖感測之相位偏移以及99 2為不 同的，因為每一光纖t存在不同形式之感測元件。這些數 值將依循圖4及5所顯示之溫度與應變效應曲線。光線訊號 由偏極器92偏極化後，相位偏移由感測器94感測出。處理 器96加以程式化以了解存在於光纖中感測元件38為何種形 式。因而，在感測器94接收&及…後，其提供公式（6)-(10)適當常數以及計算出溫度及應變》 熟知此技術者了解本發明能夠作出許多變化及改變但 .是其並不會脫離本發明之精神與範圍。這些變化及改變均 含蓋於下列申請專利範圍内》 經濟部中央梯準局負工消f合作社印製 用 適 度 尺 張 紙 :本 準 摞 r 3
Claims (1)
- Α8 Β8 C8 D8 六、申請專利範圍 1，一種纖維光學感測器，其放置於一個環境中以及使用來 量測一组多個環境參數，該纖維光學感測器包含： 一個偏極光源以傳送具有中央波長之訊號； 第一保持偏極光織以連接至偏極光源，該第—保持偏極 光纖包含第一橢圓形心蕊，第一包層，以及第一組多條光纖 區段； 第二保持偏極光纖以耦合該光線訊號，該第二保持偏極 光纖放置相鄰於第一保持偏極光纖以及包含第二橢圓形心 蕊，第二包層，以及第二組多條光纖區段； 感測元件放置於第一及第二保持偏極光纖以第一預先決 定比率在第一保持偏極光纖中以及以第二預先決定比率在 第二保持偏極光纖中偏移光線訊號之中央波長以反應出一 組多個環境參數；以及 感測器纟旦件依據第一預先決定比率以及第二預先決定比 率以獨立地決定出每一組多個環境參數。 2, 依據申請專利範圍第1項之纖維光學感測器，其中第一組 光纖區段更進一步包含： 第一光纖區段； 第二光纖區段對著第一光纖區段旋轉45度；以及 第三光纖區段對著第二光纖區段旋轉45度以及對著第一 光纖區段旋轉90度。 3. 依據申請專利範圍第2項之纖維光學感測器，其中第二組 光纖區段更進一步包含： 第四光纖區段； 本纸悵尺度適用中國國家梯準（CNS M4規格（210X297分釐） 12 ---------rK-- (請先閲It背而之注意事項再填巧本I) T 1— . -St 線 經濟部中央標準局貞工消费合作社印裝 、毳3厶么29· B8 _ ____ ‘ D8 111111 — ' - I _|__ _ I 六、申請專利範圍 第五光纖區段對著第四光織區段旋轉45度；以及 第六光纖區段對著第五光織區段旋轉45度以及對著第四 光纖區段旋轉90度。 4·依據申請專利範圍第3項之纖維光學感測器，其中相位偏 移器在第一橢圓形心蕊摻雜二氧化鍺以及在第二包層中摻 雜7%硼所構成。 5.依據申請專利範圍第4項之纖維光學感測器，其中第一保 持偏極光纖具有第一 △cUdd%以及第二保持偏極光纖具 有第一△cladd. 〇%。 6‘依據申請專利範圍第3項之纖維光學感測器，其中相位偏 移器在第一橢圓形心蕊摻雜二氧化鍺以及在第二橢圓形心 蕊中摻雜7%硼所構成。 7.依據申請專利範圍第6項之纖維光學感測器，其中第一保 持偏極光纖其有第一 △cwi%以及第二保持偏極光纖具 有第一〇%。 8·依據申請專利範圍第3項之纖維光學感測器，其令相位偏 移器在第一橢圓形心蕊摻雜7%硼以及在第二橢圓形心蕊中 摻雜7%硼所構成。 9. 依據申請專利範圍第8項之纖維光學感測器，其中第—保 持偏極光纖具有第一 Aclad=2%以及第二保持偏極光纖具 有第二Aclad=2.0%« 10. 依據申請專利範圍第4項之纖維光學感測器，其中感測 器組件在第一保持偏極光纖中感測出第一相位偏移值φ μ 以及在第二保持偏極光纖中感測出第二相位偏移值。 良紙張尺及適用中國國家梂準（CNS ) Α4規格（210 X 297公釐） 裝------訂-------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 巇 巍 A8 B8 C8 D8 Η 六、申請專利範圍 11.依據申請專利範圍第10項之纖維光學感測器，其中感測 .器組件更進一步包含： 處理器以由第一保持偏極光纖中第一相位偏移值…以 及第一保持偏極光纖中第二相位偏移值φ2決定出—組多 個琿境參數。 1依據申請專利範圍第1 〇項之纖維光學感測器，其中第 一數值妒丨以及第二數值由公式表示出： hCiZVT+KAS;以及 <P2=C2AT+K2ASt 其中C!為第一保持偏極光纖中波長偏移對溫度變化之比 值，CZ為第保持偏極光纖中波長偏移對溫度變化之比值， Ki為第一保持偏極光纖中波長偏移對所施加軸向應力變化 之比值，κ2為第二保持偏極光纖中波長偏移對所施加軸向 應力變化之比值，△!·為溫度變化，以及AS為所施加軸向應 力之變化。 13. —種量測纖維光學感測器令環境參數之方法，該方法包 含:偏極光源以傳送具有中央波長之光線訊號，第一保持偏 極光纖連接該偏極光源，該第一保持偏極光纖包含第一橢 圓形心蕊，第一包層，第一組光織區段，該方法包含下列步 驟： 玫置第二保持偏極光纖位於相鄰於第一保持偏極光纖使 得光線訊號耦合於第一及第二保持偏極光纖之間，該第二 保持偏極光纖包含第二橢圓形心蕊，第二包層，以及第二組 光纖區段;·以及 Λ4— ( 2_297公 tn> f^n ft I n^i ^ f ϋ (請先閲讀背而之注意事項再¾¾本页) Α8 Β8 C8 D8 15 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 申請專利範園 使光線訊號中央波長在第一保持偏極光纖中相位偏移第 一數值以及在第二保持偏極光纖中相位偏移第二數值 以反應環境參數。 14·.依據申請專利範圍第13項之方法其中更進一步包含下 列步驟： 感測第一相位偏移數量Ρι與第二相位偏移數量φ2;及 由第一相位偏移數量Α與第二相位偏移數量決定出 每一組環境參數，其中每一組所計算之環境參數為去耦合 以及與任何其他一組環境參數無關。 15. 依據申請專利範圍第μ項之方法，其中一組多個環境參 +數包含溫度以及所施加抽命應力。 16. 依據申請專利範圍第15項之方法，其中第一數值屮1以 及第一*數值炉2更進"***步包含： 以及 …=C2ZVM2AS，其中 C!為第一保持偏極光纖中波長偏移對溫度變化之比值，Q 為第二保持偏極光纖中波長偏移對溫度變化之比值，K,為 第一保持偏極光纖中波長偏移對所施加軸向應力變化之比 值’心為第二保持偏極光纖+波長偏移對所施加軸向應力 變化之比值，為溫度變化，以及AS為所施加軸向應力之 變化。 木紙張尺度適用中國國家檫準（CNS ) A4現格（210X297公竣 (請先閱讀背面之注意事項再填本页) -裝- T--- 'V5 線
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