[發明專利]一種可自校正的全分布式光纖拉曼溫度傳感器

有效

• 申請號: 201210475054.4
• 申請日: 2012-11-16
• 公開（公告）號: CN102980682A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發明（設計）人: 趙春柳;牛犖;王治強;康娟;張在宣;金尚忠
• 申請（專利權）人: 中國計量學院
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于光纖傳感領域，涉及一種可自校正的全分布式光纖拉曼溫度傳感器。該傳感器結構簡單，靈活可調，信噪比高，具有自反饋和自校正功能，可在生產過程、土木工程、災害監測等系統中實現對溫度的實時連續監測。

技術背景

近幾十年，分布式光纖拉曼溫度傳感器由于其體積小、重量輕、耐高溫、抗電磁干擾能力強、抗腐蝕等優點獲得了廣泛的關注與研究。該類傳感器利用光纖的本征特性，光纖瑞利、拉曼和布里淵散射效應，采用光時域(OTDR)技術實現對溫度的監控。傳感所用光纖既是傳輸介質又是傳感介質，可實現實時在線的光纖溫度場測量，廣泛應用于煤礦、隧道的火災自動報警系統、大型變壓器、發動機組的溫度分布測量系統以及地下電纜的溫度報警系統等領域。傳統的分布式光纖拉曼溫度傳感器主要是利用斯托克斯光信號或瑞利散射光信號做參考通道，反斯托克斯光信號做信號通道，利用溫度敏感的反斯托克斯拉曼散射光強與瑞利散射光強或斯托克斯散射光強的比值實現對溫度的測量。該方法可以克服由于光源波動而導致的測量誤差，但隨著測量距離的增加，為了獲得更高的測量精度，需要修正由反斯托克斯散射、斯托克斯散射和瑞利散射中心波長不同而帶來的傳輸損耗。為修正上述傳輸損耗，需要得到與反斯托克斯光信號中心波長相同的斯托克斯光信號或瑞利散射光信號。2008年，Kwang?Suh與Chung?Lee等提出用波長差為拉曼位移波長的雙光源法，采用光開關時分交替輸出的副激光器的斯托克斯光來解調主激光器的光纖背向反斯托克斯光，實現了由于中心波長不同而帶來損耗的自校正功能。但光開關的不同時性影響了系統的穩定性；同時由于該系統采用雙光源及雙光電探測模塊，為獲得相匹配的中心波長，對雙光源的選取要求很高，增加了系統的復雜性及器件成本。2010年，韓國Dusun?Hwang等人提出在傳感光纖末端連接反射鏡，以獲得正反兩束反斯托克斯光信號實現自校正(OPTICS?EXPRESS，2010，Vol.18，No.10：9747-9754)。但由于受反射鏡反射率的限制，前向傳輸的泵浦光不可能被完全反射，使得泵浦光和反斯托克斯光衰減，降低了系統信噪比。2011年，中國計量學院的康娟等提出采用雙芯光纜末端連接的方法作為傳感光纖，使得泵浦光源變成正反向兩束，從而獲得兩束具有相同中心波長的反斯托克斯光束，以抵消光纖本身的損耗。但由于雙芯光纜的不一致性，在測量過程中會引入誤差；且雙芯光纜需要特殊的封裝技術，同時增加了光纖長度，提高系統成本。

本發明采用傳感光纖末端連接光纖環鏡的方法，代替了反射鏡和雙芯光纜，提供了一種更為靈活簡單、信噪比高、可靠性好、具有自反饋和自校正功能的可自校正的全分布式光纖拉曼溫度傳感器。該傳感器只需使用單光源和傳統的單模光纖光纜即可實現溫度檢測。通過自動偏振控制器調整光纖環鏡的反射率，使得入射光束被完全反射，從而獲得同一光源產生的具有相同波長中心的正反兩束反斯托克斯光，用于抵消光纖自身吸收、應變、彎曲等引起的損耗，實現自校正功能。

發明內容

本發明的目的是提供了一種更為靈活簡單、信噪比高、可靠性好的可自校正的全分布式光纖拉曼溫度傳感器。

本發明的技術解決方案如下：

一種可自校正的全分布式光纖拉曼溫度傳感器，包括激光器、波分復用器、傳感光纖、3dB耦合器、自動偏振控制器、光電探測模塊、信號采集系統和顯示器。其中波分復用器包括三個端口，端口2-1與激光器相連，端口2-2與傳感光纖相連，端口2-3與光電探測模塊的輸入端相連；光電探測模塊的輸出端與信號采集系統的輸入端相連；信號采集系統的輸出端與顯示器相連。上述的3dB耦合器的耦合比滿足在波長范圍為1300nm～1650nm內實現光束比為1∶1輸出的要求。它包括四個端口，端口4-1連接傳感光纖，端口4-3連接自動偏振控制器的輸入端，端口4-4連接自動偏振控制器的輸出端，共同構成一個光纖環鏡；端口4-2連接自動偏振控制器5的輸入端，可實現對偏振器狀態的自動調整，從而改變光纖環鏡的反射率，使得光纖環鏡具有自反饋功能，在任意時刻均能實現全反射。

激光器發出泵浦光束后，通過波分復用器耦合進入傳感光纖，光纖中產生瑞利散射、斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射光。由于傳感光纖末端連接光纖環鏡，泵浦光源在傳感光纖中前向傳輸到達末端后會發生全反射進行背向傳輸，使得光電探測模塊獲得正反兩束由同一泵浦光產生的帶有溫度場信息的反斯托克斯拉曼散射光。對這兩束反斯托克斯光信號進行相乘運算處理，便能實現可自校正的分布式溫度測量。

本發明的有益效果在于：