專利名稱：一種用于分布式光纖溫度傳感器的微型光機電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電裝置，特別涉及一種用于分布式光纖溫度傳感器的微型光機電裝置，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自1985年J. P. Dakin等人首次成功實現(xiàn)基于喇曼散射的分布式測溫技術(shù)以來，人們對實現(xiàn)分布式光纖溫度傳感的各種技術(shù)展開了廣泛的研究，其中基于喇曼散射的分布式傳感技術(shù)得到了最為廣泛的實際應(yīng)用。與傳統(tǒng)的傳感器相比，分布式光纖溫度傳感器具有諸多卓越的優(yōu)勢以光纖本身作為傳感媒介，一次測量就可以得到沿光纖分布的數(shù)千點溫度信息，實現(xiàn)了連續(xù)分布式測量，降低了測量不確定度；測量距離遠，測量時間短，適合遠程實時監(jiān)控；靈敏度高，測量精度高，誤報率、漏報率低；耐腐蝕、耐水、耐火、電磁干擾免疫， 可靠性高，維護成本低。基于喇曼散射的分布式光纖溫度傳感器的基本原理是在傳感光纖的一端注入激光脈沖，當激光脈沖在光纖中傳播時由于纖芯分子的熱振動與光子相互作用而發(fā)生能量交換，產(chǎn)生了喇曼散射。具體的說，當光子的一部分能量傳遞給分子的熱振動時，那么將發(fā)出波長比原來激光波長長的光子，稱為喇曼斯托克斯(Raman Stokes)光；當分子熱振動的一部分能量傳遞給光子時，那么將發(fā)出波長比原來激光波長短的光子，稱為喇曼反斯托克斯 (Raman Anti-Stokes)光。其中，喇曼反斯托克斯光對溫度很敏感，而喇曼斯托克斯光對溫度不敏感。因為光子在光纖中的傳播速度是一定的，通過測量喇曼反斯托克斯光與注入激光脈沖之間的時延，就能夠定位溫度信息，從而實現(xiàn)了分布式溫度傳感。通常稱這種傳感技術(shù)為 Raman-DTS (Raman Distributed Temperature Sensing)。Raman-DTS的關(guān)鍵技術(shù)之一是如何分離出喇曼反斯托克斯光和斯托克斯光，通常需要設(shè)計獨特的波分復(fù)用器來實現(xiàn)，激光脈沖在光纖中傳輸?shù)倪^程中，除了會產(chǎn)生喇曼反斯托克斯光和斯托克斯光外，還會產(chǎn)生瑞利散射光，其波長與輸入的激光脈沖波長相同。而且相對于喇曼反斯托克斯光和斯托克斯光而言，瑞利散射光的強度高很多；通常，瑞利散射光的強度比斯托克斯光高三個數(shù)量級，比反斯托克斯光高四個數(shù)量級。因此，在強瑞利光噪聲背景下準確的提取斯托克斯光和反斯托克斯光，以及防止斯托克斯光與反斯托克斯光相互串擾，成為Raman-DTS的關(guān)鍵技術(shù)。為了準確解調(diào)出溫度信息，通常對這種波分復(fù)用器件的隔離度要求大于60 dB。附圖2是公開號為CN 101696896中國專利申請公開的一種用于分布式光纖溫度傳感器的波分復(fù)用器件的原理模型圖。其中，21是光環(huán)行器，22是反斯托克斯波長的濾波片，23是斯托克斯波長的濾波片。激光脈沖由端口 1注入，并通過光環(huán)行器21輸出到端口 2，端口 2接傳感光纖；傳感光纖中的背向散射光返回端口 2，并通過光環(huán)行器21輸出到反斯托克斯波長的濾波片22 ；反斯托克斯光透射濾波片22由端口 3輸出；斯托克斯光和瑞利散射光被濾波片22反射，并輸出到斯托克斯波長的濾波片23，斯托克斯光透射濾波片23， 由端口4輸出。從而分離出反斯托克斯光和斯托克斯光。這種波分復(fù)用器件的隔離度主要取決于兩個濾波片22、23的透射隔離度，通常這樣的濾波片的的透射隔離度在35dB左右。 因此，器件的隔離度很難超過40dB。附圖3是公開號為CN 101696896中國專利申請公開的另一種用于分布式光纖溫度傳感器的波分復(fù)用器件的原理模型圖。其中，31是1X3雙向耦合器，32是反斯托克斯波長的濾波片，33是斯托克斯波長的濾波片。激光脈沖由端口 1注入，并通過1X3雙向耦合器 31輸出到端口 2，端口 2接傳感光纖；傳感光纖中的背向散射光返回端口 2，并通過1X3雙向耦合器31 ；用反斯托克斯波長的濾波片32、斯托克斯波長的濾波片33分別濾出反斯托克斯光和斯托克斯光，并分別由端口 3和端口 4輸出。從而分離出反斯托克斯光和斯托克斯光。 首先，這種波分復(fù)用器件采用的是1X3雙向耦合器，會引入約9. 5dB (IOlog(1/9) =9. 5dB) 的額外損耗，大大削弱了可以利用的反斯托克斯光和斯托克斯光強度；其次，器件的隔離度很難超過40dB，原因同上。如果在分布式光纖溫度傳感器中使用常規(guī)的波分復(fù)用器件，通常由于隔離度不夠，會造成反斯托克斯光和斯托克斯光的相互串擾，以及瑞利散射光的干擾，這樣的話，就難以獲得準確的溫度信息和高分辨率，嚴重情況下甚至導(dǎo)致溫度曲線扭曲，系統(tǒng)不能正常工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種具有高隔離度、低插入損耗的用于分布式光纖溫度傳感器的光電裝置，從而能夠直接獲得準確的反斯托克斯光和斯托克斯光的電信號，進而可以獲得準確的溫度信息，提高了系統(tǒng)的溫度分辨率和精確度。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種用于分布式光纖溫度傳感器的微型光機電裝置，包括安裝在殼體內(nèi)的輸入激光脈沖的第一準直器尾纖、輸入背向散射光的第二準直器尾纖以及反射激光脈沖和背向散射光的衍射光柵，所述第二準直器尾纖外接有傳感光纖， 所述背向散射光經(jīng)衍射光柵的反射光路上安置有反斯托克斯光波長的帶通濾波片和斯托克斯光波長的帶通濾波片，所述反斯托克斯光波長的帶通濾波片的透射光路上安置有第一自聚焦透鏡，所述第一自聚焦透鏡的焦點處安置有第一雪崩光電二極管，所述斯托克斯光波長的帶通濾波片的透射光路上安置有第二自聚焦透鏡，所述第二自聚焦透鏡的焦點處安置有第二雪崩光電二極管。本發(fā)明工作時，激光脈沖從第一準直器的尾纖輸入，經(jīng)過衍射光柵衍射，耦合進入第二準直器，射入傳感光纖；傳感光纖中產(chǎn)生的背向散射光從第二準直器返回；背向散射光中的反斯托克斯光經(jīng)衍射光柵衍射，透射反斯托克斯光波長的帶通濾波片，再經(jīng)過第一自聚焦透鏡耦合到第一雪崩光電二極管，轉(zhuǎn)換為電信號輸出；背向散射光中的斯托克斯光經(jīng)衍射光柵衍射，透射斯托克斯光波長的帶通濾波片，再經(jīng)過第二自聚焦透鏡耦合到第二雪崩光電二極管，轉(zhuǎn)換為電信號輸出，從而完成了反斯托克斯光和斯托克斯光的分離；由于反斯托克斯光的隔離度主要由衍射光柵和反斯托克斯光波長的帶通濾波片保證，因此能夠高于60 dB ；而斯托克斯光的隔離度主要由衍射光柵和斯托克斯光波長的帶通濾波片保證， 因此也能夠高于60 dB。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于其提供了實現(xiàn)高隔離度的一種波分復(fù)用器件，使得反斯托克斯光、斯托克斯光及瑞利散射光三者的隔離度都大于 60 dB，完全滿足當前分布式光纖溫度傳感器對隔離度的嚴苛要求。并且，反斯托克斯光和斯托克斯光的插入損耗都小于1. 7 dB，完全能夠滿足當前分布式光纖溫度傳感器對插入損耗的要求，因此在分布式光纖溫度傳感器利用本光機電裝置，能夠獲得準確的溫度信息，提高系統(tǒng)的溫度分辨率；與此同時，本裝置僅通過使用兩個準直器、一個衍射光柵、一個反斯托克斯光波長的帶通濾波片、一個斯托克斯光波長的帶通濾波片、兩個自聚焦透鏡、兩個雪崩光電二極管即完成了對反斯托克斯光與斯托克斯光的精確分離，其結(jié)構(gòu)簡單，體積小，節(jié)約了材料，節(jié)省了生產(chǎn)成本。作為本發(fā)明的改進，所述激光脈沖經(jīng)衍射光柵反射到第二準直器內(nèi)的光路上安置有反射鏡，所述反射鏡上連接有反射鏡驅(qū)動，所述激光脈沖經(jīng)反射鏡的反射光路上設(shè)置有輸入背向散射光的第三準直器尾纖，所述第三準直器尾纖外接有傳感光纖。工作過程中可通過控制反射鏡驅(qū)動而控制反射鏡工作，將經(jīng)衍射光柵衍射后的激光脈沖反射進入第三準直器，再射入傳感光纖；傳感光纖中產(chǎn)生的背向散射光從第三準直器中返回，其原理與從第二準直器中返回的背向散射光原理相同，實現(xiàn)了反斯托克斯光和斯托克斯光的分離，通過增加本套反射系統(tǒng)實現(xiàn)了光路通道的切換，擴大了本光機電裝置的適用范圍。作為本發(fā)明的進一步改進，所述反射鏡上鍍有覆蓋激光脈沖波長、反斯托克斯光波長及斯托克斯光波長的高反射膜，反射率大于98%，插入損耗小于0. ldB。為了進一步保證光的反射和耦合效果，所述衍射光柵為反射式平面相位衍射光柵。所述衍射光柵能夠?qū)⑤斎氲募す饷}沖、反斯托克斯光和斯托克斯光的零級衍射錯開一定的角度，使得三種波長的光分離。衍射效率大于96%，插入損耗小于0. 2dB，三種波長的隔離度大于10 dB。所述反斯托克斯光波長的帶通濾波片雙面鍍有帶通膜，其透射中心波長與輸入激光脈沖所激發(fā)的反斯托克斯光波長相匹配，其透射帶寬能夠覆蓋反斯托克斯光譜，這種帶通濾波片透射隔離強度大于50dB，透射插入損耗小于0. 5dB。同樣地，所述斯托克斯光波長的帶通濾波片雙面鍍有帶通膜，其透射中心波長與輸入激光脈沖所激發(fā)的斯托克斯光波長相匹配，其透射帶寬能夠覆蓋斯托克斯光譜，這種帶通濾波片透射隔離強度大于50dB，透射插入損耗小于0. 5dB。所述第一準直器、第二準直器、第三準直器、第一自聚焦透鏡、第二自聚焦透鏡上都鍍有增透膜，其插入損耗小于0. 2dB。為了進一步獲得準確的溫度信息，提高系統(tǒng)的溫度分辨率，所述第一雪崩光電二極管的光接收面位于第一自聚焦透鏡的焦點，所述第二雪崩光電二極管的光接收面位于第二自聚焦透鏡的焦點。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為背景技術(shù)文件之一(公開號CN 101696896)的原理模型圖。圖3為背景技術(shù)文件之二(公開號CN 101696896)的原理模型圖。圖4為本發(fā)明一種工作狀態(tài)原理圖。圖5為本發(fā)明另一種工作狀態(tài)原理圖。其中，101-第一準直器尾纖；102-第一準直器；103-第二準直器尾纖；104-第二準直器；105-傳感光纖；106-衍射光柵；107-反斯托克斯光波長的帶通濾波片；108-第一自聚焦透鏡；109-第一雪崩光電二極管；110-斯托克斯光波長的帶通濾波片；111-第二自聚焦透鏡；112-第二雪崩光電二極管；113-反射鏡；114-反射鏡驅(qū)動；115-第三準直器尾
5纖；116-第三準直器；21-光環(huán)行器；22-反斯托克斯波長的濾波片；23-斯托克斯波長的濾波片；31-1X3雙向耦合器；32-反斯托克斯波長的濾波片；33-斯托克斯波長的濾波片。
具體實施例方式如圖1所示的一種用于分布式光纖溫度傳感器的微型光機電裝置，包括安裝在殼體內(nèi)的輸入激光脈沖的第一準直器尾纖101、輸入背向散射光的第二準直器尾纖103以及反射激光脈沖和背向散射光的衍射光柵106，第二準直器尾纖103外接有傳感光纖105，背向散射光經(jīng)衍射光柵106的反射光路上安置有反斯托克斯光波長的帶通濾波片107和斯托克斯光波長的帶通濾波片110，反斯托克斯光波長的帶通濾波片107的透射光路上安置有第一自聚焦透鏡108，第一自聚焦透鏡108的焦點處安置有第一雪崩光電二極管109，斯托克斯光波長的帶通濾波片110的透射光路上安置有第二自聚焦透鏡111，第二自聚焦透鏡 111的焦點處安置有第二雪崩光電二極管112，激光脈沖經(jīng)衍射光柵106反射到第二準直器 104內(nèi)的光路上安置有反射鏡113，反射鏡113上連接有反射鏡驅(qū)動114，激光脈沖經(jīng)反射鏡 113的反射光路上設(shè)置有輸入背向散射光的第三準直器尾纖115，第三準直器尾纖115外接有傳感光纖105，反射鏡113上鍍有覆蓋激光脈沖波長、反斯托克斯光波長及斯托克斯光波長的高反射膜，衍射光柵106為反射式平面相位衍射光柵106，反斯托克斯光波長的帶通濾波片107雙面鍍有帶通膜，其透射中心波長與輸入激光脈沖所激發(fā)的反斯托克斯光波長相匹配，其透射帶寬能夠覆蓋反斯托克斯光譜，斯托克斯光波長的帶通濾波片110雙面鍍有帶通膜，其透射中心波長與輸入激光脈沖所激發(fā)的斯托克斯光波長相匹配，其透射帶寬能夠覆蓋斯托克斯光譜，第一準直器102、第二準直器104、第三準直器116、第一自聚焦透鏡 108、第二自聚焦透鏡111上都鍍有增透膜，第一雪崩光電二極管109的光接收面位于第一自聚焦透鏡108的焦點，第二雪崩光電二極管112的光接收面位于第二自聚焦透鏡111的隹占。
ν 、、/、、人 °本實施例中，因為輸入的激光脈沖波長為1550nm、帶寬為lnm，斯托克斯波長約為1663nm、帶寬約為3nm，反斯托克斯波長約為1450nm、帶寬約為3nm，所以選擇反斯托克斯波長的帶通濾波片的透射中心波長為1450nm，透射帶寬為14nm，透射隔離度和插入損耗分別為50dB和0. 5dB ；斯托克斯波長的帶通濾波片的透射中心波長為1663nm，透射帶寬為 14nm，透射隔離度和插入損耗分別為50dB和0. 5dB。本發(fā)明工作時
若反射鏡113復(fù)位，如圖4所示，光路通道ch(Tchl工作，激光脈沖從第一準直器 102的尾纖輸入，經(jīng)過衍射光柵106反射，耦合進入第二準直器104，射入傳感光纖105 ； 傳感光纖105中產(chǎn)生的背向散射光從第二準直器104返回；背向散射光中的反斯托克斯光經(jīng)衍射光柵106反射，透射反斯托克斯光波長的帶通濾波片107，再經(jīng)過第一自聚焦透鏡108耦合到第一雪崩光電二極管109，轉(zhuǎn)換為電信號輸出，反斯托克斯光的整個路徑為 a — b — C1 — b — d — e ；背向散射光中的斯托克斯光經(jīng)衍射光柵106反射，透射斯托克斯光波長的帶通濾波片110，再經(jīng)過第二自聚焦透鏡111耦合到第二雪崩光電二極管112，轉(zhuǎn)換為電信號輸出，斯托克斯光的整個路徑為a — b — C1 — b — f — g，從而完成了反斯托克斯光和斯托克斯光的分離；
若第三準直器116對應(yīng)的反射鏡113被驅(qū)動，如圖5所示，光路通道ch(Tch2工作，激光脈沖從第一準直器102的尾纖輸入，經(jīng)過衍射光柵106反射后再經(jīng)反射鏡113反射，耦合進入第三準直器116，射入傳感光纖105 ；傳感光纖105中產(chǎn)生的背向散射光從第三準直器116返回；背向散射光中的反斯托克斯光經(jīng)衍射光柵106反射，透射反斯托克斯光波長的帶通濾波片107，再經(jīng)過第一自聚焦透鏡108耦合到第一雪崩光電二極管109，轉(zhuǎn)換為電信號輸出，反斯托克斯光的整個路徑為a — b — C2 — b — d — e ；背向散射光中的斯托克斯光經(jīng)衍射光柵106反射，透射斯托克斯光波長的帶通濾波片110，再經(jīng)過第二自聚焦透鏡111耦合到第二雪崩光電二極管112，轉(zhuǎn)換為電信號輸出，斯托克斯光的整個路徑為 a — b — C2 — b — f — g，從而完成了反斯托克斯光和斯托克斯光的分離。如果設(shè)置更多的反射鏡113及反射鏡113驅(qū)動114，則可以擴展更多的光路通道， 工作原理與上述相同。本發(fā)明并不局限于上述實施例，如增加反射系統(tǒng)的數(shù)量，在本發(fā)明公開的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)所公開的技術(shù)內(nèi)容，不需要創(chuàng)造性的勞動就可以對其中的一些技術(shù)特征作出一些替換和變形，這些替換和變形均在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于分布式光纖溫度傳感器的微型光機電裝置，其特征在于，包括安裝在殼體內(nèi)的輸入激光脈沖的第一準直器尾纖、輸入背向散射光的第二準直器尾纖以及反射激光脈沖和背向散射光的衍射光柵，所述第二準直器尾纖外接有傳感光纖，所述背向散射光經(jīng)衍射光柵的反射光路上安置有反斯托克斯光波長的帶通濾波片和斯托克斯光波長的帶通濾波片，所述反斯托克斯光波長的帶通濾波片的透射光路上安置有第一自聚焦透鏡，所述第一自聚焦透鏡的焦點處安置有第一雪崩光電二極管，所述斯托克斯光波長的帶通濾波片的透射光路上安置有第二自聚焦透鏡，所述第二自聚焦透鏡的焦點處安置有第二雪崩光電二極管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于分布式光纖溫度傳感器的微型光機電裝置，其特征在于，所述激光脈沖經(jīng)衍射光柵反射到第二準直器內(nèi)的光路上安置有反射鏡，所述反射鏡上連接有反射鏡驅(qū)動，所述激光脈沖經(jīng)反射鏡的反射光路上設(shè)置有輸入背向散射光的第三準直器尾纖，所述第三準直器尾纖外接有傳感光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于分布式光纖溫度傳感器的微型光機電裝置，其特征在于，所述反射鏡上鍍有覆蓋激光脈沖波長、反斯托克斯光波長及斯托克斯光波長的高反射膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的一種用于分布式光纖溫度傳感器的微型光機電裝置，其特征在于，所述衍射光柵為反射式平面相位衍射光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的一種用于分布式光纖溫度傳感器的微型光機電裝置，其特征在于，所述反斯托克斯光波長的帶通濾波片雙面鍍有帶通膜，其透射中心波長與輸入激光脈沖所激發(fā)的反斯托克斯光波長相匹配，其透射帶寬能夠覆蓋反斯托克斯光譜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的一種用于分布式光纖溫度傳感器的微型光機電裝置，其特征在于，所述斯托克斯光波長的帶通濾波片雙面鍍有帶通膜，其透射中心波長與輸入激光脈沖所激發(fā)的斯托克斯光波長相匹配，其透射帶寬能夠覆蓋斯托克斯光譜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的一種用于分布式光纖溫度傳感器的微型光機電裝置，其特征在于，所述第一準直器、第二準直器、第三準直器、第一自聚焦透鏡、第二自聚焦透鏡上都鍍有增透膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的一種用于分布式光纖溫度傳感器的微型光機電裝置，其特征在于，所述第一雪崩光電二極管的光接收面位于第一自聚焦透鏡的焦點，所述第二雪崩光電二極管的光接收面位于第二自聚焦透鏡的焦點。
全文摘要
本發(fā)明公開了光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的一種用于分布式光纖溫度傳感器的微型光機電裝置，包括安裝在殼體內(nèi)的第一準直器尾纖、第二準直器尾纖以及衍射光柵，第二準直器尾纖外接有傳感光纖，背向散射光經(jīng)衍射光柵的反射光路上安置有反斯托克斯光波長的帶通濾波片和斯托克斯光波長的帶通濾波片，反斯托克斯光波長的帶通濾波片的透射光路上安置有第一自聚焦透鏡，第一自聚焦透鏡的焦點處安置有第一雪崩光電二極管，斯托克斯光波長的帶通濾波片的透射光路上安置有第二自聚焦透鏡，第二自聚焦透鏡的焦點處安置有第二雪崩光電二極管，本發(fā)明可靠的分離出反斯托克斯光和斯托克斯光，從而獲得準確的溫度信息，提高了系統(tǒng)的溫度分辨率。
文檔編號G02B6/42GK102539014SQ20121002363
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月3日
發(fā)明者周金龍, 朱冬宏, 田群 申請人:金海新源電氣江蘇有限公司