网络化结构的光纤渐逝波温度传感器

摘要

本发明述及一种网络化结构的光纤渐逝波温度传感器。它由光源、1×N光纤耦合器、探测器、信号处理单元和多个光纤渐逝波温度传感头组成，采用熔锥型传感用1×2光纤耦合器件作为温度传感头，连接方式采用梳状结构，它能够对多点的温度进行测量。本发明的每个温度传感头是通过改变熔锥型传感用1×2光纤耦合器件的输出分光比，将其进行分光可见度的计算后获取温度变化信息的，与分光比相比，分光可见度的计算提高了温度测量的灵敏度。本发明结构简单，抗干扰能力强，灵敏度高，制造容易，成本低，适用于要求对多点温度进行精确测量和控制的场合。

说明书

技术领域：

本发明述及一种网络化结构的光纤渐逝波温度传感器，属光学纤维及传感器技术领域。

背景技术：

温度是最重要的三大测量参数(应力、温度、压力/声学)之一。在光纤传感器家族，被测参数分布约为：应力占23％，温度占17.2％，压力/声学占15.2％。全球每年所需的温度传感器和系统约几百亿美元，其中，光纤温度传感器约占9％左右。据美国Frost Sullivan公司的预测：今后几年光纤传感器将以17％～20％的速度增长。光纤温度传感器，它不仅用于正常的温度测量，更重要的是它可应用于某些特殊或恶劣场合，如高压、强电磁、核辐射、爆炸、侵蚀等，在这些场合电温度传感器是无法使用的，而解决这些难题会带来巨大的经济与社会效益。在我国，随着能源问题的日趋严重，电力工业改造、石油工业稳产高产、和平利用核能等这些重要的能源领域，使用性能可靠、灵敏度高、体积小巧、价格低廉的网络化光纤温度传感器是必不可少的，也是电类温度传感器所无法替代的。

目前的光纤温度传感器种类较多，国内外的技术发展状况主要表现在以下几个方面：半导体吸收式；喇曼散射分布式；法布里-珀罗干涉式；双折射效应式；布拉格光纤光栅式，尽管这些传感器有些已得到应用，但在灵敏度、分辨率、实用性、成本等方面，还有待进一步改进和完善，如半导体吸收式，分辨率和稳定性需要进一步提高；喇曼散射式，检测的信号弱，需要高成本的光源、探测器以及高性能的信号处理单元；法布里-珀罗干涉式，环境影响是一个有待提高的环节；双折射效应式，实用性还需要进一步研究；布拉格光纤光栅式，波长解调存在结构复杂、成本高的问题。因此，这就期待着新型的光纤温度传感器及网络化传感技术的出现，从而在性能和稳定性上有新的提高，在成本上有大的下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种网络化结构的光纤渐逝波温度传感器，使光纤温度传感器具有结构简单，抗干扰能力强，灵敏度高，制造容易，成本低，适用于要求多点温度精确测量和控制场合的优点。

为达到上述目的，本发明的构思是：

一个性能良好的光纤温度传感器应具有结构简单、实用、温度分辨率和灵敏度高等特点，这也是温度传感器实现的难点问题。本发明从传感器的网络结构和信号处理入手，发明了一种新型的网络化结构的光纤渐逝波温度传感器，旨在解决上述提出的难点问题。它基于光波耦合理论和光纤的渐逝波理论，利用熔锥型传感用1×2光纤耦合器件作为温度传感头，从而得到具有耦合效应的渐逝波。当包围耦合器传感头锥区的温度变化时，耦合器锥区的渐逝波因包层介质的温变特性改变熔锥锥区光纤耦合器的耦合效应，从而使耦合器的耦合分光可见度发生变化，这样检测耦合分光可见度就能得到对应的温度参数。由于利用耦合原理，测试的输出信号是耦合分光可见度，所以它与光路的光强变化无关，有很强的抗干扰能力；由于耦合分光可见度有高灵敏度，所以该传感器也有很高的测试灵敏度。为了实现传感器的多点温度测量，本发明采用梳状的网络化的结构设计，使网络结构的性能、成本及复杂度达到最佳的方式。设计结构中首先采用1×N光纤耦合器连接光源使其把光源信号均等地分布于各个传感组，每个组有三个传感头采用梳状两级级联的方式构成，即第一个传感头的两个输出端分别级联另外两个温度传感头，实现传感头的两级连接，这样既避免了所有传感头并行连接，探测器使用过多、线路过长的复杂和浪费情况；又避免了级联级数太多，后级传感头信号偏离的情况。

根据上述构思，本发明采用下述技术方案：

一种网络化结构的光纤渐逝波温度传感器，包括光源(1)、1×N光纤耦合器(2)、光纤渐逝波1×2温度传感头(1-31～1-33、2-31～2-33、....N-31～N-33)、探测器(1-41～1-44、2-41～2-44、....N-41～N-44)和信号处理单元(5)，其特征在于所述的光源(1)输出端连接所述的1×N光纤耦合器(2)的输入端，所述的1×N光纤耦合器(2)采用2级梳状结构连接3N个所述的1×2温度传感头(1-31～1-33、2-31～2-33、....N-31～N-33)；所述的1×N光纤耦合器(2)的N个输出端分别连接N个一级1×2温度传感头(1-31～N-31)的输入端，N个一级1×2温度传感头(1-31～N-31)的2N个输出端分别连接2N个二级1×2温度传感头(1-31～N-33、1-31～N～33)的4N个输出端分别连接4N个所述的探测器(1-41～1-44、2-41～2-44、....N-41～N-44)的输入端；所述的4N个探测器(1-41～1-44、2-41～2-44、....N-41～N-44)的4N个输出端均连接所述的信号处理单元(5)；通过信号处理即可得到每个温度传感头的温度测定值。

上述的网络化结构的光纤渐逝波温度传感器，其特征在于所述的光纤渐逝波1×2温度传感头(1-31～～1-33、2-31～2-33、....N-31～N-33)的结构是：由两根耦合光纤(60、65)熔融拉锥成双锥形偶合区段，双锥形耦合区段的拉抻段长度为18mm×2～20mm×2，两根耦合光纤((60、65)熔融拉锥后，分别各有其纤芯(61、66)和包层(62、67)，两根耦合光纤(60、65)中的一根光纤(60)有进口端和出口端，而另一根光纤(65)仅有出口端，它的另一端口密封在温度传感头的封装壳内，从而形成1×2结构；在双锥形偶合区段外层敷有温度敏感材料(68)，而使外形呈圆柱形状，温度敏感材料(68)外面有封装壳体(69)。

一种用于上述的光纤渐逝波温度传感器的网络化结构的信号处理单元(5)包括：连接四个探测器(1-41～1-44)的四个放大器分别为(1-51～1-54)，同时四个放大器的输出电信号分别连接减法器(1-55、1-57)和加法器(1-56、1-58)，最后减法器(1-55、1-57)和加法器(1-56、1-58)的信号分别进入到除法器(1-59、1-50)中，从而实现了(P₁₁-P₁₂)/(P₁₁+P₁₂)和(P₁₃-P₁₄)/(P₁₃+P₁₄)的耦合分光可见度信号处理功能，两个相除结果即为温度传感头(1-32)和(1-33)输出信号，这里P₁₁、P₁₂、P₁₃和P₁₄分别为1×2温度传感头(1-32)和(1-33)的两路输出功率。那么，1×2温度传感头(1-31)的输出功率分别为(P₁₁+P₁₂)和(P₁₃+P₁₄)，1×2温度传感头(1-31)的耦合分光可见度为(P₁₁+P₁₂-P₁₃-P₁₄)/(P₁₁+P₁₂+P₁₃+P₁₄)，由此可得出温度传感头(1-31)、(1-32)和(1-33)的测量信号，以上仅是N路网络中的第一组三个温度传感头结构，其余N-1路的测试方法与第一路相同。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明中采用熔锥型传感用1×2光纤耦合器件作为温度传感头，其锥区传感周围的温度变化，改变其耦合效应，使其耦合器的耦合分光可见度变化，进而利用信号处理技术实现的耦合分光可见度信号对应其温度参数。由于利用耦合原理，输出信号是耦合器的耦合分光可见度，它与光路的光强变化无关，所以有很强的抗干扰能力，同时，其耦合效应对温度变化非常敏感且具有高灵敏度的信号处理系统，所以温度传感器有很高的灵敏度。本发明采用梳状的结构设计，具有结构简单、制造容易，成本低等特点。本发明适合于要求对多点温度实行精确测量和控制的场合，例如工业制造、产品性能检测、环境监测、生物科学及科学研究等诸多领域，并可实时、高灵敏度地温度测量。

附图说明

图1是本发明的网络化结构框图；

图2是熔锥型传感用1×2光纤耦合器件的结构示意图；

图3是网络化结构第一传感组的信号处理单元框图；

图4是本发明具体实施例的实验结果。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：

本例仅以网络化结构的第一传感组进行实施，参见图1、图2和图3，这是最基本的实施网络化单元(N＝1)，本光纤渐逝波温度传感器的网络化结构包含有光源1、(此时光纤耦合器2可省略)、光纤渐逝波温度传感头1-31～1-33、探测器1-41～1-44和信号处理单元5，其特征在于采用熔锥型传感用1×2光纤耦合器件作为温度传感头1-31～1-33，其温度传感头采用梳状结构两级连接，光源1与1×2温度传感头1-31的1端相连，1×2温度传感头1-31的上输出端与1×2温度传感头1-32的1端相连、1×2温度传感头1-31的下输出端与1×2温度传感头1-33的1端相连。1×2温度传感头1-32～1-33的两个输出端分别并行与探测器1-41～1-44相连，最后，探测器1-41～1-44的输出端连接于信号处理单元5；通过信号处理即可得到每个温度传感头的温度测定值。上述的光纤渐逝波温度传感器的网络化结构，其特征在于所述的1×2温度传感头1-31～1-33的结构是：由两根耦合光纤60和65熔融拉锥成双锥形耦合区段，双锥区的拉伸长度为18mm×2，两根耦合光纤60和65熔融拉锥后，其纤芯为61、66、包层为62和67，两根耦合光纤一根有进口端和出口端，而另一根仅有出口端，它的另一端口密封在温度传感头的封装壳内，从而形成了一个1×2结构；在双锥形耦合区段外层敷有温度敏感材料68，而使外形呈圆柱形状，温度敏感材料68外面有封装壳体69。

本光纤渐逝波温度传感器的网络化结构的信号处理单元5包括：连接四个探测器1-41～1-44的四个放大器分别为1-51～1-54，同时四个放大器的输出电信号分别连接减法器1-55和1-57、加法器1-56和1-58，最后减法器1-55和1-57、加法器1-56和1-58的信号分别进入到除法器1-59和1-50中，从而实现了(P₁₁-P₁₂)/(P₁₁+P₁₂)和(P₁₃-P₁₄)/(P₁₃+P₁₄)的耦合分光可见度信号处理功能，两个相除结果即为温度传感头1-32和1-33输出信号，这里P₁₁、P₁₂、P₁₃和P₁₄分别为1×2温度传感头1-32和1-33的两路输出功率。那么，1×2温度传感头1-31的输出功率分别为(P₁₁+P₁₂)和(P₁₃+P₁₄)，1×2温度传感头1-31的耦合分光可见度为(P₁₁+P₁₂-P₁₃-P₁₄)/(P₁₁+P₁₂+P₁₃+P₁₄)，由此可得出温度传感头1-31)、1-32和1-33的测量信号。具体的测试结果见图4，图中“▲”标记的为传感头1-31的实验结果；“●”标记的为传感头1-32的实验结果；“■”标记的为传感头1-33的实验结果，以上结果均是在-40～85℃的温度范围内测定的，从图可看出本专利实施的结果有良好的效果。