一种高空间分辨力的分布式光纤温度传感器制造技术

本发明专利技术提供了一种高空间分辨力的分布式光纤温度传感器，它是由带传感头的保偏光纤４和迈克尔逊干涉仪组成；所述的带传感头的保偏光纤４是由圆柱形热膨胀系数大的材料２１与保偏光纤２３放入管状热膨胀系数小的材料２２中组成，本发明专利技术利用白光干涉偏振模耦合原理，通过扫描迈克尔逊干涉仪检测带传感头的保偏光纤的温度信号，实现高空间分辨力测量；由于采用特殊传感头对保偏光纤温度增敏，因此可以精确测量沿保偏光纤的温度分布。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光电子
，它特别涉及分布式光纤传感器技术。
技术介绍
大多数分布式光纤温度传感器都是基于光的散射原理，例如Rayleigh散射、Raman散射和Brillouin散射，它们都是通过光纤中背向散射光测量温度的分布。其中基于Raman散射的分布式温度传感技术是分布式光纤传感技术中最为成熟的一项技术。一些产品已出现在国际、国内市场，最为著名的是英国York公司的DTS80，它的空间分辨力和温度分辨力分别能达到1m、±1℃，测量范围为4～8km。由于Raman散射光强极弱，空间分辨力高于1m是极为困难的。另外一种高空间分辨力的分布式光纤传感器是利用白光干涉偏振模耦合原理，主要用于测量压力的分布。解调方法可分为两类一类是对测量干涉仪输出的信号作频谱分析，以得到传感量信息。这类方法需要复杂的信号分析系统(吕海宝、楚兴春等“分布式光纤压力传感器研究”，光电子.激光，Vol.9，No.5，pp.388-391，1998年)。另一类是采用解调干涉仪的方法，例如采用迈克尔逊干涉仪。通过改变解调干涉仪两臂光程差来补偿测量干涉仪的光程差，并通过输出干涉光强的位置与幅度得到传感量沿光纤的分布(刘永智，李尚俊、周元庆“分布式光纤应力传感器的空间分辨率与灵敏度分析”，半导体光电，2000年，Vol.21，No.1，pp.16-20)。信号解调采用解调干涉仪的白光干涉系统由测量与解调两个干涉仪组成，利用解调干涉仪补偿测量干涉仪的光程差，得到干涉信号。解调干涉仪采用迈克尔逊干涉仪。如图1所示，迈克尔逊干涉仪由聚焦透镜5、半反射镜6、反射镜7、棱镜检偏器9、光电二极管10、信号处理电路11、示波器13组成。使用迈克尔逊干涉仪解调沿保偏光纤受到的压力信号已是成熟技术。保偏光纤中传播的HE11x模和HE11y模传播速度不同，这两个模式的速度差构成测量干涉仪。HE11y模到达长度为L的光纤终点所需时间为 是y方向偏振的HE11y模的传播速度)，光纤上z点由于压力使HE11x模向HE11x模耦合，耦合模到达光纤终点所需时间为 为x方向偏振的HE11x模的传播速度)。当迈克尔逊干涉仪两臂的时延差，抵消掉HE11y模与耦合模的时延差时，探测器可检测出互相干信号。分布式光纤压力传感如图1所示。SLD光源1发出的光束经过起偏器3后，以与x轴45°角射入保偏光纤，检偏器9的透光轴方向平行于y轴方向。由于光纤在某点受到应力扰动，一部分HE11x模耦合为HE11x模的光波电场。在保偏光纤作用点上耦合模功率正比于外加压力大小，作用点位置由迈克尔逊干涉仪活动臂位置确定。这样，采用扫描迈克尔逊干涉仪实现了整个光纤的压力测量。据专利技术人所知，在现有技术中还未见有利用白光干涉扫描迈克尔逊干涉仪通过特殊设计的传感头来实现整个光纤的温度分布的报道。
技术实现思路
本专利技术的任务是一种高空间分辨力的分布式光纤温度传感器，它具有对温度分布进行高空间分辨力测量的特点。本专利技术提供的一种高空间分辨力的分布式光纤温度传感器(如图2所示)，它包括白光光源1、单模光纤2、起偏器3、聚焦透镜5、半反射镜6、步进电机、棱镜检偏器9、光电二极管10、信号处理电路11、步进电机控制器组成12，由聚焦透镜5、半反射镜6、反射镜7、步进电机8、棱镜检偏器9、光电二极管10、信号处理电路11、步进电机控制器12组成迈克尔逊干涉仪；其特征是还包括带传感头的保偏光纤4，所述的带传感头的保偏光纤4的结构如图3所示，包括棒状热膨胀系数大的材料21、保偏光纤23、管状热膨胀系数小的材料22；保偏光纤23与棒状热膨胀材料21位于管状热膨胀系数小的材料22之中，三者应紧密接触。需要说明的是所述的带传感头的保偏光纤4是将圆柱形热膨胀系数大的材料21与保偏光纤23放入管状热膨胀系数小的材料22中；所述的棒状热膨胀系数大的材料21可以是铝棒，也可以是热膨胀系数大的有机材料等；所述的管状热膨胀系数小的材料22可以是石英管。在带传感头的保偏光纤4中，保偏光纤23与棒状热膨胀材料21的接触点与保偏光纤23中心连线应与保偏光纤23主轴成45°，以使光纤传感器得到最高的传感灵敏度。所述的带传感头的保偏光纤可以组成一种多路带传感头的保偏光纤结构，如图5所示，它是由光开关16连接一组(N个，N为正整数)带传感头的保偏光纤，一组(N个)带传感头的保偏光纤与光开关17相连，通过光开关17将信号送入扫描迈克尔逊干涉仪检测带传感头的保偏光纤的温度信号；光开关16、17处于相同的通断状态。上面所述的一种多路带传感头的保偏光纤结构，我们可以称为高分辨力分布式光纤温度传感器的多路结构，如图5所示；它的工作过程是由光源1发出的光经过光开关16选择进入第i(i为正整数)路带传感头的保偏光纤，通过光开关17将信号送入扫描迈克尔逊干涉仪，由扫描迈克尔逊干涉仪检测该路传感光纤的温度信号。完成i路扫描后，再由光开关16选择第(i+1)路带传感头的保偏光纤，由扫描迈克尔逊干涉仪检测(i+1)路信号。如此反复，直到完成多路传感信号检测。利用光开关的控制技术可将原来长度为L的带传感头的保偏光纤的一维温度分布传感扩展为边长为L的二维温度分布传感。本专利技术的工作原理是1、关于扫描迈克尔逊干涉仪检测带传感头的保偏光纤的传感信号光纤受到扰动产生的互相干光强输出由下式给出(周晓军、龚俊杰等“白光干涉偏振模耦合分布式光纤传感器分析”《光学学报》，24卷，第5期，2004年)Re=ϵi1-ϵiΠn=1N(1-ϵn)cosexp(Si2Δω22c2)---(1)]]>Si=(∂βx∂ω-∂βy∂ω)zic-cτ=(Dzi-τ)c---(2)]]>式中βx和βy分别为保偏光纤HE11x和HE11y模的传播常数，εi表示第i段光纤的功率模耦合系数，Δω是光源的频谱宽度，c是光速，τ是迈克尔逊干涉仪两臂光程差的时延差。D是光纤的色散系数。每段光纤都存在一平衡点，干涉仪时延差满足τi＝Dzi/c，即Si＝0。在此点干涉仪信号最大，对应此点的光纤坐标和干涉仪光程差(时延差)分别为zi和ΔLi(τi)。定义空间分辨力Δzs为Si＝0的点到归一化光强包络下降为1/e点的距离，则得到空间分辨力Δzs=2DΔω=λ22πDcΔλ---(3)]]>对于光谱宽度Δλ较宽的白光光源，传感器可获得很高的空间分辨力。当步进电机在迈克尔逊干涉仪可动臂扫描时可测出沿光纤各点的传感信息。2、关于带传感头的保偏光纤的温度传感保偏光纤本身双折射参数随温度的变化为1.9×10-7～6.5×10-6/℃，耦合模功率极小。为了得到高的温度分辨率必须对保偏光纤增敏。带传感头的保偏光纤即温度增敏光纤，如图3所示，它是将圆柱形热膨胀本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高空间分辨力的分布式光纤温度传感器，它包括：白光光源（１）、单模光纤（２）、起偏器（３）、聚焦透镜（５）、半反射镜（６）、棱镜检偏器（９）、光电二极管（１０）、信号处理电路（１１）、步进电机控制器组成（１２）。由聚焦透镜（５）、半反射镜（６）、反射镜（７）、步进电机（８）、棱镜检偏器（９）、光电二极管（１０）、信号处理电路（１１）、步进电机控制器（１２）组成迈克尔逊干涉仪；其特征是还包括带传感头的保偏光纤（４），所述的带传感头的保偏光纤（４）包括棒状热膨胀系数大的材料（２１）、保偏光纤（２３）、管状热膨胀系数小的材料（２２），保偏光纤（２３）与棒状热膨胀材料（２１）位于管状热膨胀系数小的材料（２２）之中，三者应紧密接触。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周晓军，龚俊杰，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]