[發明專利]光纖溫度和壓力傳感器和包括它們的系統

無效

• 申請號: 200680031340.4
• 申請日: 2006-06-20
• 公開（公告）號: CN101253392A
• 公開（公告）日: 2008-08-27
• 發明（設計）人: 陳躍華
• 申請（專利權）人: 斯倫貝謝海外有限公司
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353;G01D5/38
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 楊娟奕

技術領域

本發明涉及測量溫度和壓力的光纖傳感器以及基于此的系統。

背景技術

光纖通常包括圓柱芯、圍繞芯的同心圓筒覆層和圍繞覆層的同心圓筒保護護套。芯由具有特定折射率的透明玻璃或者塑料制成。覆層也由透明玻璃或者塑料制成，但是折射率不同且較小。光纖用作可彎折波導的能力主要取決于芯和覆層的相對折射率。

透明介質的折射率是真空中光速和介質中光速的比率。當光束進入介質時，速度的變化使得光束改變方向。更具體而言，當光束從一種介質進入另一種介質時，光束在兩種介質界面上改變方向。除了在兩種介質界面上改變方向以外，在界面上反射一部分入射光束從而傳播通過第二介質的光束能量減少(折射和反射光束的能量總和必須等于入射光束的能量)。如果已知兩種介質的折射率，則可采用斯涅耳定律預測反射角和折射角。

通過改變兩種相鄰介質的折射率，可改變向兩種介質界面傳播的光束的折射角和反射角從而使進入第二介質的光強接近于零并且在界面上反射幾乎所有的光。相反，對于任何兩種透明介質，在其界面上存在臨界入射角，在該角或者小于該角時幾乎反射所有的入射光。這種被稱為全內反射的現象被用于選擇光纖中芯和覆層的折射率，使得光可以以最小的功率損失通過光纖芯傳播。

許多其它因素影響光在光纖芯中的傳播，包括芯和覆層的尺寸、光的波長、光的磁場向量和光的電場向量。此外，許多用于確定光在波導(光纖)中的理想傳播的物理定律假定一個“理想”波導，即具有理想對稱性而沒有缺陷的直波導。例如，芯的直徑將決定光纖是“單模”還是“多模”。術語單模和多模是指傳播通過光纖的光線的空間方向。單模光纖具有直徑較小(2-12微米)的芯并僅僅支持一種傳播模式，即軸向。多模光纖具有直徑較大(25-100微米)的芯并且允許非軸向光線或者模式傳播通過芯。所謂的單模光纖實際上為兩模光纖，存在兩種不同的可傳播通過光纖芯的光偏振狀態。在具有完美圓對稱性的理想、直線、無缺陷光纖中，光的傳播速度與偏振方向無關。

具有橢圓芯的光纖具有兩個優選的偏振方向(沿長軸和沿短軸)。以任意其它偏振方向射入光纖的線性偏振光將以傳播速度稍微不同的兩種不同模式傳播。這種光纖被稱為具有“模式雙折射”。在這種理想光纖中，由于芯-覆層界面的缺陷、折射率波動和其它機制，即使理想的偏振光也將耦合至另一種模式。偏振的靜態和動態變化將沿光纖的整個長度出現。在指定距離上，兩種模式的相位將經過同相和異相的完整循環。該距離被稱為“拍長”。長拍長與小雙折射相關，短拍長與大雙折射相關。雙折射光纖還稱為“保存偏振光纖”或者“保持偏振(PM)光纖”。通過提供具有橢圓形橫截面的芯或者通過提供具有引發芯上應力的覆層的圓形芯實現雙折射。例如，覆層可具有兩個平行的應力元件，所述元件具有和芯的軸線處于相同平面上的縱向軸。

光纖傳感器利用環境影響可改變傳播通過光纖的光的幅度、相位、頻率、光譜內容(spectral?content)、或者偏振的事實。光纖傳感器的主要優點包括其重量輕、非常小、無源、能量有效、粗糙(rugged)和不受電磁干擾的能力。此外，光纖傳感器具有非常高的敏感性、大動態范圍和寬帶寬的潛力。另外，可沿光纖長度分配或者多路復用某類光纖傳感器。

一種光纖傳感器為側孔光纖壓力傳感器，其具有兩個沿光纖長度方向并且平行于芯的平行孔。孔和芯的軸線處于相同的平面內。該構造將外部流體靜壓力轉換為芯上的各向異性應力從而引發雙折射。Jansen和Dabkiewicz在標題為“High?Pressure?Fiber?Optic?Sensor?with?Side?HoleFiber”，發表于SPIE?Proceedings，Fiber?Optic?Sensors?II，Vol.798，pp.56-60，1987的文章中描述了這種結構。溫度變化也影響芯的雙折射。但是，側孔光纖傳感器對壓力的敏感度遠大于其對溫度的敏感性。因此，可在溫度變化很小的應用中有效使用側孔光纖壓力傳感器。在溫度和壓力都可變化的應用中，必須采用復雜的措施以補償溫度對傳感器雙折射的影響以及所產生的壓力測量值。而且，側孔光纖壓力傳感器對溫度的較不敏感使得其不適合于測量溫度。因此，通常為此目的采用和側孔光纖壓力傳感器處于相同位置的單獨和不同的溫度傳感器。