[發明專利]一種用于多通道分布式光纖溫度傳感系統的微型光模塊

有效

• 申請號: 201310493817.2
• 申請日: 2013-10-21
• 公開（公告）號: CN103487167A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 鄭光輝
• 申請（專利權）人: 武漢六九傳感科技有限公司
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32;G01K1/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 鄧寅杰

技術領域

本發明涉及光纖傳感、光學測量技術領域，具體涉及一種用于多通道分布式光纖溫度傳感系統的微型光模塊。

背景技術

分布式光纖溫度傳感技術是近幾年國內飛速發展的關鍵技術之一。分布式光纖溫度傳感系統以普通多模光纖為傳感載體，不僅具有普通光纖傳感器的優點，另還有對光纖沿線各點的溫度場分布進行實時傳感的能力，非常適用于大范圍多點測溫的應用場合，比如高壓電力電纜、大型發電機、變壓器、煤炭、鍋爐等測溫場合。

分布式光纖溫度傳感系統基本原理主要是基于光纖的背向拉曼散射溫度效應和先進的光時域反射（OTDR）技術。當一個或一系列激光脈沖從光纖的一端注入光纖時，這個光脈沖會沿著光纖向前傳播，在傳播過程中，光會在光纖沿線的每一點都會產生喇曼散射現象，產生的喇曼散射光中，有一部分光被光纖重新捕獲并沿著激光傳播相反的方向返回，此部分喇曼散射光被稱為背向散射光。在散射光中，光波長大于入射激光脈沖波長的成分被稱為斯托克斯光(Stock，S)；波長小于入射激光脈沖波長的成分被稱為反斯托克斯光(Anti-Stockes,AS)。這兩種信號即喇曼斯托克斯光和喇曼反斯托克斯光的強度正好對當前光纖所在位置處的溫度敏感，因此可以通過探測這兩個信號的大小計算出當前光纖點所在位置處的溫度，并且通過計算背向散射信號與入射光脈沖之間的時間差，就可以通過背向散射信號在光纖中傳播的速度推算出此溫度數據是對應于光纖中的哪一點。

分布式光纖溫度傳感系統測量時間通常與測溫光纜長度成正比，因此在很多場合，都采用多通道測量方式來節約系統成本和系統占用體積。但目前大多廠家都是通過在主機內配置一個或多個光開光模塊來切換各個通道，如在專利“一種多通道分布式光纖溫度傳感系統”（專利號CN102539010A）中提到利用一個1xn耦合器將脈沖光源的光分開后，分別通過N個WDM模塊、N個光開光進入到N路通道中，從而達到多通道分布式光纖測溫的目的，見附圖4，此種結構的優點是脈沖光源可以復用，節省了光源的個數和系統成本，但通過眾多的分離模塊，整個系統的插入損耗會大大增加，從而降低了整個系統的檢測靈敏度和精度。

分布式光纖溫度傳感系統的核心技術之一是開發低插損、高隔離度、微型化的光學模塊。目前市面上通常采用分離元件的方法來提取斯托克斯光和反斯托克斯光分量，如附圖5所示，高功率脈沖激光通過一個三端口WDM耦合器連接光開光后注入到不同通道的光纖中，從不同通道的光纖中反射回的攜帶溫度信息量的斯托克斯光和反斯托克斯光分別從WDM耦合器的兩輸出端輸出，通過兩個分離的APD接收后進行信息處理。見專利“嵌入式光開關的分布式光纖拉曼溫度傳感器”（發明專利號：CN101813530A）。這種方法采用分離模塊搭建傳感系統，雖然簡單靈活，但引入的插損大、體積大、各個模塊選型時很難保證所用光纖類型完全匹配，導致整個系統拼接時差異性較大。另一個關鍵的問題是，在實際使用中，脈沖光信號是單模光纖輸入，而傳感光纖通常是多模光纖，這樣就存在模式不匹配的問題，同樣導致插入損耗的增加，導致傳感檢測的范圍和精度下降。雖然專利“一種光時域反射裝置”（見專利號：201010150195.X）也提出了一種采用空間光學方法實現的光時域反射裝置，也可應用于分布式光纖溫度傳感系統中，降低了插損、提高了檢測范圍和靈敏度，并且也實現了小型化，見附圖6。但該方案中，有如下幾個缺點：1）并沒有解決脈沖光源輸出的單模光纖與傳感反射回的多模光纖的模式匹配問題；2）第二個APD(410)的耦合位置與水平軸成一傾斜角度，既不利于耦合，也會使整個光學模塊體積增大；3）不能做到多通道測量。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種用于多通道分布式光纖溫度傳感系統的微型光模塊，能多通道測量，集成度高、體積小、可靠性高。

為解決以上技術問題，本發明的技術方案為：一種用于多通道分布式光纖溫度傳感系統的微型光模塊，其不同之處在于：其包括單模轉多模準直器、多模準直器、兩個波分復用濾波片、一個光路切換元件、兩個帶通濾波片、兩個具有會聚功能的TO氣密性封裝的雪崩光電二極管APD、閉封裝整個光學器件的殼體，所述單模轉多模準直器的透射光路上平行設置有兩個與光軸成夾角的波分復用濾波片，每個波分復用濾波片的反射光路上均設置有一個所述雪崩光電二極管APD，每個雪崩光電二極管APD上方均設置有所述帶通濾波片，所述帶通濾波片的入射光與光軸成夾角，波分復用濾波片與多模準直器之間設置有用以切換光路通道的光路切換元件。