專利名稱：一種分布式光纖溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用拉曼散射原理與光時域反射技術(shù)相結(jié)合沿光纖長進行環(huán)境溫度測量的技術(shù)，即分布式光纖溫度傳感技術(shù)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中大多數(shù)分布式光線溫度傳感器都是運用光的散射原理，采用光纖作為溫度的敏感元件和信息傳輸介質(zhì)，實現(xiàn)長距離連續(xù)空間溫度場分布測量，適合組網(wǎng)檢測，如瑞利(Rayleigh)散射、拉曼(Raman)散射和斯托克斯(Stokes)散射等，它們都是通過光纖中的散射光測量溫度的分布，其中基于拉曼散射的分布溫度傳感技術(shù)是分布式光纖傳感技術(shù)中最為成熟的一項技術(shù)，目前市場上已有產(chǎn)品面市，典型的有如Sentinel公司的DTS主機代表著目前國際上的最高水平，溫度分辨率可以達到0.01℃，其DTS-XR的測量距離達到了30km。
對于分布式光線溫度傳感器國內(nèi)外已有很多文章報導(dǎo)，具有代表性的如1、劉紅林等；30Km分布光纖溫度傳感器的空間分布率研究；儀器儀表學(xué)報26(11)2005.11；2、Zang zaixuan and al；Optical Fiber Raman Amplifier and DistributedFiber Raman Sensors；Proceeding of SPIE Vol.5129(2003)文章從不同角度描述了傳感器的工作原理與實現(xiàn)途徑和工作條件，討論分析了傳感器的溫度測量靈敏度及影響因素，空間分辨率，測量動態(tài)范圍等，并介紹了相關(guān)實驗結(jié)果。
目前，常規(guī)的分布式光線溫度傳感器工作原理如下，通過高功率的激光由光源注入傳感光纖，沿光纖傳輸所產(chǎn)生的帶有溫度信息的反向反斯托克斯散射光即一次拉曼光與瑞利散射光經(jīng)濾波后分別到達相應(yīng)光探測器，兩路光分別經(jīng)光探測器轉(zhuǎn)換為電信號后進入信號處理單元對兩者進行比較和相關(guān)信號處理，最后獲得沿光纖各點的溫度信號，包括點的距離與溫度值。從光信號獲取角度考慮，為獲得高的溫度分辨率，在同一測量溫度下，一次拉曼光的幅度愈高愈好。為此，通常的辦法是增大輸入脈沖光功率。另一方面，后向散射光中瑞利光占絕大部分，為獲取溫度信息，必須采用高隔離度光濾波器分別將反斯托克斯散射光與斯托克斯散射光從瑞利散射中分離出來。對于上述常規(guī)的高性能分布式光纖溫度傳感器來說，為了獲得高的溫度分辨率(0.1度以上)與大的測量距離(20公里以上)，往往需提供高的輸入激光功率(入纖光功率幾十瓦以上)和高隔離度的波長濾波器，才能得以最大限度提高信號幅度和提高拉曼/瑞利光信噪比。這就對光源與濾波器提出了很高要求，從而提高了系統(tǒng)的技術(shù)難度和成本。由于技術(shù)復(fù)雜性與成本提高，這就在很大程度上影響了產(chǎn)品的推廣使用和產(chǎn)品的穩(wěn)定性與日常維護。
實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題是如何提供一種分布式溫度傳感器，這種傳感器能克服上述常規(guī)高性能分布式溫度傳感器成本高，系統(tǒng)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、維護費用大等不足。
本實用新型的上述技術(shù)問題是這樣解決的提供一種分布式光纖溫度傳感器，包括脈沖激光光源1、傳感光纖、光探測器4和5以及信號處理單元6，其脈沖激光由所述光源1注入傳感光纖，沿光纖傳輸光所產(chǎn)生的后向反斯托克斯散射光2與瑞利散射光3經(jīng)分束和濾波后分別到達所述光探測器4和5，轉(zhuǎn)換為電信號后進入所述信號處理單元6，其特征在于，所述光纖溫度傳感器還設(shè)置有連續(xù)泵浦光源。
按照本實用新型所提供的分布式光纖溫度傳感器，其特征在于，所述連續(xù)泵浦光源為后向泵浦光源7。
按照本實用新型所提供的分布式光纖溫度傳感器，其特征在于，所述連續(xù)泵浦光源為前向泵浦光源8。
按照本實用新型所提供的分布式光纖溫度傳感器，其特征在于，所述連續(xù)泵浦光源可同時設(shè)有泵浦光源和前向泵浦光源。
按照本實用新型所提供的分布式光纖溫度傳感器，其特征在于，所述連續(xù)泵浦光源波長可為1300nm-1400nm.
按照本實用新型所提供的分布式光纖溫度傳感器，其特征在于，所述連續(xù)泵浦光源功率可為0.1瓦-2瓦。
本實用新型所提供的分布式光纖溫度傳感器主要在常規(guī)傳感器基礎(chǔ)上增加一專門針對反斯托克斯散射光(一次拉曼光)放大的連續(xù)泵浦光源(前向泵浦)或(后向泵浦)，利用這一拉曼放大可在不需大大提高輸入脈沖光功率的情況下將帶有溫度信息的一次拉曼光(反斯托克斯散射光)放大，即主要是在常規(guī)測溫系統(tǒng)上增加了一級分布式拉曼放大器即連續(xù)泵浦光源，對由常規(guī)光源與濾波器獲取的表征溫度的拉曼信號(一次拉曼光)進行放大。由于所選用的放大波長就是一次拉曼光波長，從而自動提高了拉曼/瑞利光信噪比；而且所用泵浦光源無需重新激發(fā)拉曼散射，因而可采用較低閾值的連續(xù)工作方式。泵浦光可從正向或反向注入，由于反向光注入與接收的一次拉曼光同向效率更高，它將更有利于彌補入射光的衰落。從而可使溫度分辨率與測量距離得以大大提高。用于拉曼增強放大的光波長在1300nm～1400nm范圍選擇(利用斯托克斯光放大)，功率可在0.1-2瓦范圍內(nèi)選擇，具體可視系統(tǒng)而定。在所選定波長下產(chǎn)生的拉曼放大可提高分布式光纖溫度傳感器中一次拉曼放大光的幅度，從而提高傳感器的信噪比改善溫度測量分辨率和提高測量距離范圍。綜上述，該實用新型技術(shù)將有效提高傳感器的性能，溫度分辨率可達到0.01度，測量距離可達到40公里，相對于同樣或更高性能傳感器，其成本將下降1/3，不會帶來技術(shù)復(fù)雜性與維護難度，而且性能更優(yōu)。


圖1是常規(guī)高性能分布式光纖溫度傳感器工作原理圖。
圖2是本實用新型提供的分布式光纖溫度傳感器的工作原理圖。
圖3是本實用新型提供的分布式光纖溫度傳感器的電路圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型進行詳細說明。
常規(guī)高性能分布式光纖溫度傳感器工作原理如圖1所示，1為高功率脈沖激光光源，2為帶有溫度信息的后向反斯托克斯散射光，3為瑞利散射光，4和5為光探測器，6為信號處理單元。高功率脈沖激光由光源注入傳感光纖，沿光纖傳輸光所產(chǎn)生的帶有溫度信息的后向反斯托克斯散射光2即一次拉曼光與瑞利散射光3經(jīng)濾波后分別到達光探測器4和5，兩路光分別經(jīng)光探測器轉(zhuǎn)換為電信號后進入信號處理單元6對兩者進行比較和相關(guān)信號處理，最后獲得沿光纖各點的溫度信號，包括點的距離與溫度值。從光信號獲取角度考慮，為獲得高的溫度分辨率，在同一測量溫度，并且在非飽和狀態(tài)下，一次拉曼光(反斯托克斯散射光)的幅度愈高愈好，為此，通常的辦法是增大輸入脈沖光功率。另一方面，后向散射光中瑞利光占絕大部分，為獲取溫度信息，必須采用高隔離度光濾波器分別將反斯托克斯散射光(一次拉曼光)與斯托克斯散射光從瑞利散射中分離出來。濾波器的隔離度也將影響到溫度測量分辨率。由于系統(tǒng)采用光時域反射(OTDR)技術(shù)來確定測溫點位置，輸入光功率的提高也將增大測量距離。
本實用新型所提供的分布式光纖溫度傳感器工作原理圖2所示，1為高功率脈沖激光光源，2為帶有溫度信息的后向反斯托克斯散射光，3為瑞利散射光，4和5為光探測器，6為信號處理單元，7為前向泵浦光源，8為后向泵浦光源。是在常規(guī)高性能分布式溫度傳感器的設(shè)置基礎(chǔ)上增加一專門針對反斯托克斯散射光(一次拉曼光)放大的連續(xù)泵浦光源7(前向泵浦)或8(后向泵浦)，利用這一拉曼放大可在不需大大提高輸入脈沖光功率的情況下將帶有溫度信息的一次拉曼光(反斯托克斯散射光)放大5-15dB，從而可使溫度分辨率與測量距離得以大大提高。在1550nm波長附近脈沖光注入下，所產(chǎn)生的一次拉曼光波長為1450nm左右。用于拉曼增強放大的光波長在1300nm～1400nm范圍選擇(利用斯托克斯光放大)。在所選定波長下產(chǎn)生的拉曼放大可提高分布式光纖溫度傳感器中一次拉曼放大光的幅度，從而提高傳感器的信噪比改善溫度測量分辨率和提高測量距離范圍。
作為一個具體實施例子，設(shè)選擇入射脈沖光波長在1550nm附近，如1545nm，所產(chǎn)生的帶有溫度信息的一次拉曼光(反斯托克斯散射光)波長為1446nm，用于拉曼增強的新增泵浦光波長根據(jù)拉曼放大特性選擇為1320nm，功率1瓦，此時帶有溫度信息的一次拉曼光可獲得約10dB的增益，而溫度信號分辨率可提高近8倍，測量距離達到40公里。當(dāng)注入脈沖光波長在1550nm附近其它波長時，拉曼增強用新增泵浦光波長在1300nm～1400nm范圍內(nèi)依據(jù)所采用的光纖的拉曼放大特性進行選取，其功率大小在0.1瓦-2瓦內(nèi)視系統(tǒng)要求(溫度分辨率、傳感距離)而定。
權(quán)利要求1.一種分布式光纖溫度傳感器，包括脈沖激光光源(1)、傳感光纖、光探測器(4)和(5)以及信號處理單元(6)，其脈沖激光由所述光源(1)注入傳感光纖，沿光纖傳輸光所產(chǎn)生的后向反斯托克斯散射光(2)與瑞利散射光(3)經(jīng)分束和濾波后分別到達所述光探測器(4)和(5)，轉(zhuǎn)換為電信號后進入所述信號處理單元(6)，其特征在于，所述光纖溫度傳感器還設(shè)置有連續(xù)泵浦光源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式光纖溫度傳感器，其特征在于，所述連續(xù)泵浦光源為后向泵浦光源(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式光纖溫度傳感器，其特征在于，所述連續(xù)泵浦光源為前向泵浦光源(8)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式光纖溫度傳感器，其特征在于，所述連續(xù)泵浦光源可同時設(shè)有后向泵浦光源和前向泵浦光源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的分布式光纖溫度傳感器，其特征在于，所述連續(xù)泵浦光源波長可為1300nm-1400nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的分布式光纖溫度傳感器，其特征在于，所述連續(xù)泵浦光源功率可為0.1瓦--2瓦。
專利摘要本實用新型公開了一種分布式光纖溫度傳感器，包括脈沖激光光源1、傳感光纖、光探測器4和5以及信號處理單元6，其脈沖激光由所述光源1注入傳感光纖，沿光纖傳輸光所產(chǎn)生的后向反斯托克斯散射光2與瑞利散射光3經(jīng)分束和濾波后分別到達所述光探測器4和5，轉(zhuǎn)換為電信號后進入所述信號處理單元6，其特征在于，所述光纖溫度傳感器還設(shè)置有連續(xù)泵浦光源。該實用新型技術(shù)將有效提高傳感器的性能，溫度分辨率可達到0.01度，測量距離可達到40公里，相對于同樣或更高性能傳感器，其成本將下降1/3，而且不會帶來技術(shù)復(fù)雜性與維護難度。這種傳感器能克服常規(guī)高性能分布式溫度傳感器成本高，系統(tǒng)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、維護費用大等不足。
文檔編號G01K11/32GK2896250SQ20062003419
公開日2007年5月2日 申請日期2006年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月15日
發(fā)明者劉永智, 代志勇, 彭增壽, 歐中華, 張利勛, 胡浩 申請人:四川萊威科技有限公司