專利名稱：一種用于分布式光纖溫度傳感器的光電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電裝置，特別是涉及一種用于分布式光纖溫度傳感器的光電 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(shí)現(xiàn)了基于喇曼散射的分布式測(cè)溫技術(shù)以來， 人們對(duì)實(shí)現(xiàn)分布式光纖溫度傳感的各種技術(shù)開展了廣泛研究，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(shí)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(shì)以光纖本身作為傳感媒介，一次測(cè)量就可以得到沿光纖分布的數(shù) 千點(diǎn)溫度信息，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)分布式測(cè)量，降低了測(cè)量不確定度；測(cè)量距離遠(yuǎn)，測(cè)量時(shí)間 短，適合遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控；靈敏度高，測(cè)量精度高，誤報(bào)率、漏報(bào)率低；耐腐蝕、耐水、 耐火、電磁干擾免疫，可靠性高，維護(hù)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(dāng)激光脈沖在光纖中傳播時(shí)，由于纖芯分子的熱振動(dòng)與光子相互作用而發(fā)生 能量交換，產(chǎn)生喇曼散射。具體的說，當(dāng)光子的一部分能量傳遞給分子的熱振動(dòng)時(shí)， 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(dāng)分子熱 振動(dòng)的一部分能量傳遞給光子時(shí)，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(duì)溫度很敏感，而喇曼斯托 克斯光對(duì)溫度不敏感，所以人們通常用喇曼反斯托克斯光來解調(diào)出溫度信息；并且，為 了消除光纖損耗及光源功率波動(dòng)的影響，通常采用喇曼斯托克斯光作為參考光。喇曼 散射技術(shù)結(jié)合光時(shí)域反射技術(shù)(OTDR，Optical TimeDomain Reflectometer)，就能夠定位 溫度信息，從而實(shí)現(xiàn)了分布式光纖溫度傳感。該傳感技術(shù)被稱為為Raman-DTS(Raman DistributedTemperature 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(jì)獨(dú)特的波分復(fù)用器件來實(shí)現(xiàn)。激光脈沖在光纖中傳輸?shù)倪^程中，除了會(huì)產(chǎn)生 喇曼反斯托克斯光和斯托克斯光外，還會(huì)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(duì)于喇曼反斯托克斯光和斯托克斯光而言，瑞利散射光的強(qiáng)度高很多； 通常，瑞利散射光的強(qiáng)度比斯托克斯光高三個(gè)數(shù)量級(jí)，比反斯托克斯光高四個(gè)數(shù)量級(jí)。 因此，在強(qiáng)瑞利光噪聲背景下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?dāng)_，成為難點(diǎn)，也是核心技術(shù)。為了準(zhǔn)確解調(diào)出溫度信息，通常對(duì) 這種波分復(fù)用器件的隔離度要求大于60dB。附圖2是公開號(hào)為CN 101696896中國專利申請(qǐng)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(gè)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(hào)為CN 101696896中國專利申請(qǐng)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(huì)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(qiáng)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上述常規(guī)的波分復(fù)用器件，由于隔離度不 夠，會(huì)造成反斯托克斯光和斯托克斯光的相互串?dāng)_，以及瑞利散射光的干擾，結(jié)果難以 獲得準(zhǔn)確的溫度信息和高分辨率，嚴(yán)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)明的目的在于克服現(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(zhǔn)確的反斯托克斯光 和斯托克斯光的電信號(hào)，進(jìn)而可以獲得準(zhǔn)確的溫度信息，提高了系統(tǒng)的溫度分辨率和精 確度。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的發(fā)明目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下一種用于分布式光纖溫度傳感器的光電裝置，包括輸入激光的第一準(zhǔn)直器尾纖 和外接傳感光纖的第二準(zhǔn)直器尾纖，所述第一準(zhǔn)直器的透射光路上設(shè)有激光波長的波分 復(fù)用濾波片，所述第二準(zhǔn)直器的透射光路上設(shè)有反斯托克斯波長的波分復(fù)用濾波片；所 述激光波長的波分復(fù)用濾波片反射光路上設(shè)有一對(duì)平行安置的斯托克斯波長的帶通濾波 片，所述兩斯托克斯波長的帶通濾波片透射光路上安置第一自聚焦透鏡，所述第一自聚 焦透鏡的焦點(diǎn)處安置第一雪崩光電二極管，所述第一雪崩光電二極管的附近安置第一溫 度探測(cè)頭；所述反斯托克斯波長的波分復(fù)用濾波片以將激光波長的波分復(fù)用濾波片透射 光反射到第二準(zhǔn)直器的位置，設(shè)置在激光波長的波分復(fù)用濾波片透射光路上；所述反斯 托克斯波長的波分復(fù)用濾波片透射光路上安置反斯托克斯波長的帶通濾波片，所述反斯 托克斯波長的帶通濾波片透射光路上安置第二自聚焦透鏡，所述第二自聚焦透鏡的焦點(diǎn) 處安置第二雪崩光電二極管，所述第二雪崩光電二極管的附近安置第二溫度探測(cè)頭。工作時(shí)，激光脈沖從第一準(zhǔn)直器的尾纖輸入，經(jīng)過激光波長的波分復(fù)用濾波片 透射，再經(jīng)過反斯托克斯波長的波分復(fù)用濾波片反射，耦合進(jìn)入第二準(zhǔn)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(zhǔn)直器返回，背向散射光中的反斯托克斯 光，透射反斯托克斯波長的波分復(fù)用濾波片，然后透射反斯托克斯波長的帶通濾波片，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)換為反斯托克斯光的電信號(hào)輸 出。背向散射光中的斯托克斯光，分別經(jīng)過反斯托克斯波長的波分復(fù)用濾波片和激光波 長的波分復(fù)用濾波片反射，然后透射兩個(gè)斯托克斯波長的帶通濾波片，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)換為斯托克斯光的電信號(hào)輸出。由于反斯托克斯光的隔離度主要由一個(gè)反斯托克斯波長的波分復(fù)用濾波片和一 個(gè)反斯托克斯波長的帶通濾波片保證，因此能夠高于70dB;而斯托克斯光的隔離度主要 由兩個(gè)斯托克斯波長的帶通濾波片保證，因此也能夠高于70dB。歸納起來，本發(fā)明具有如下有益效果從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了一種光電裝置，能夠保 證斯托克斯光、反斯托克斯光及瑞利散射光三者的光路隔離度都大于70dB，完全滿足當(dāng) 前分布式光纖溫度傳感器對(duì)隔離度的嚴(yán)苛要求。反斯托克斯光和斯托克斯光的插入損耗 分別小于2dB和2.4dB，完全能夠滿足當(dāng)前分布式光纖溫度傳感器對(duì)插入損耗的要求。集 成了雪崩光電二極管和溫度探測(cè)頭，能夠直接輸出穩(wěn)定、準(zhǔn)確的反斯托克斯光和斯托克 斯光的電信號(hào)。因此，在分布式光纖溫度傳感器利用本發(fā)明的光電裝置，能夠非常方便 的獲得準(zhǔn)確的溫度信息，提高了系統(tǒng)的溫度分辨率。


圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。圖中101、102-準(zhǔn)直器尾纖 103、104-準(zhǔn)直器105-激光波長的波分復(fù)用濾波片106、107-斯托克斯波長的帶通濾波片108-反斯托克斯波長的波分復(fù)用濾波片109-反斯托克斯波長的帶通濾波片110、111-自聚焦透鏡 112、115-雪崩光電二極管(APD)113、116-APD反向電壓輸入端114-反斯托克斯電信號(hào)輸出端117-斯托克斯電信號(hào)輸出端118、119-溫度探測(cè)頭120-器件外殼圖2是CN 101696896公開的原理模型圖。圖中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圖3是CN 101696896公開的另一種原理模型圖。圖中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圖4是圖1實(shí)施例的工作原理圖。圖5是圖1實(shí)施例中的反斯托克斯光和斯托克斯光歷經(jīng)的插入損耗示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明用于分布式光纖溫度傳感器的光電裝置 做進(jìn)一步詳細(xì)描述，該描述并不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。如圖1所示，本實(shí)施例用于分布式光纖溫度傳感器的光電裝置由準(zhǔn)直器尾纖101、102，準(zhǔn)直器103、104，激光波長的波分復(fù)用濾波片105，斯托克斯波長的帶通濾 波片106、107，反斯托克斯波長的復(fù)用濾波片108，反斯托克斯波長的帶通濾波片109， 自聚焦透鏡110、111，雪崩光電二極管(APD) 112、115，APD反向電壓輸入端113、 116，反斯托克斯電信號(hào)輸出端114，斯托克斯電信號(hào)輸出端117，溫度探測(cè)頭118、 119，器件外殼120等組件構(gòu)成。其基本結(jié)構(gòu)可以描述為包括輸入激光的第一準(zhǔn)直器尾 纖101和外接傳感光纖的第二準(zhǔn)直器尾纖102，所述第一準(zhǔn)直器103的透射光路上設(shè)有激 光波長的波分復(fù)用濾波片105，所述第二準(zhǔn)直器104的透射光路上設(shè)有反斯托克斯波長的 波分復(fù)用濾波片108 ；所述激光波長的波分復(fù)用濾波片105反射光路上設(shè)有一對(duì)平行安置 的斯托克斯波長的帶通濾波片106、107，所述兩斯托克斯波長的帶通濾波片106、107透 射光路上安置第一自聚焦透鏡111，所述第一自聚焦透鏡111的焦點(diǎn)處安置第一雪崩光電 二極管115，所述第一雪崩光電二極管115的附近安置第一溫度探測(cè)頭119;所述反斯托 克斯波長的波分復(fù)用濾波片108以將激光波長的波分復(fù)用濾波片105透射光反射到第二準(zhǔn) 直器104的位置，設(shè)置在激光波長的波分復(fù)用濾波片105透射光路上；所述反斯托克斯 波長的波分復(fù)用濾波片108透射光路上安置反斯托克斯波長的帶通濾波片109，所述反斯 托克斯波長的帶通濾波片109透射光路上安置第二自聚焦透鏡110，所述第二自聚焦透鏡 110的焦點(diǎn)處安置第二雪崩光電二極管112，所述第二雪崩光電二極管112的附近安置第 二溫度探測(cè)頭118。本實(shí)施例光電裝置的工作原理如附圖4所示，激光脈沖從本發(fā)明的光電裝置的 一個(gè)準(zhǔn)直器的尾纖輸入，經(jīng)過激光波長的波分復(fù)用濾波片透射，再經(jīng)過反斯托克斯波長 的波分復(fù)用濾波片反射，耦合進(jìn)入另一個(gè)準(zhǔn)直器，射入傳感光纖；傳感光纖中產(chǎn)生的背 向散射光從準(zhǔn)直器返回；背向散射光中的反斯托克斯光，透射反斯托克斯波長的波分復(fù) 用濾波片，然后透射反斯托克斯波長的帶通濾波片，再經(jīng)過自聚焦透鏡耦合到雪崩光電 二極管，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，反斯托克斯光的整個(gè)路徑為a —b —c —d —c —e — f(如 圖4所示)；背向散射光中的斯托克斯光，分別經(jīng)過反斯托克斯波長的波分復(fù)用濾波 片和激光波長的波分復(fù)用濾波片反射，然后透射兩個(gè)斯托克斯波長的帶通濾波片， 再經(jīng)過自聚焦透鏡耦合到雪崩光電二極管，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，斯托克斯光的整個(gè) 路徑為a — b — c — d — c — b — g — h。反斯托克斯光的隔離度主要由一個(gè)反斯 托克斯波長的波分復(fù)用濾波片和一個(gè)反斯托克斯波長的帶通濾波片保證，能夠高于 70dB(35dB+35dB)；斯托克斯光的隔離度主要由兩個(gè)斯托克斯波長的帶通濾波片保證， 能夠高于 70dB (35dB+35dB)。附圖5說明了反斯托克斯光和斯托克斯光的插入損耗分別小于2dB和2.4dB。兩 個(gè)雪崩光電二極管的反向電壓輸入端和信號(hào)輸出端，以及兩個(gè)溫度探測(cè)頭的輸出端分別 接調(diào)理電路。溫度探測(cè)頭用于給調(diào)理電路提供雪崩光電二極管的溫度信息，進(jìn)而調(diào)節(jié)雪 崩光電二極管的反向電壓，使雪崩光電二極管的增益保持穩(wěn)定。最終，本光電裝置能夠 穩(wěn)定、準(zhǔn)確的輸出反斯托克斯光和斯托克斯光的電信號(hào)。本實(shí)施例中，因?yàn)檩斎氲募す饷}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 斯托克斯波長的波分復(fù)用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35dB和0.3dB，1457nm到1680nm為反射帶寬，反射插入損耗為
60.2dB ；激光波長的波分復(fù)用濾波片的透射中心波長為1550nm，透射帶寬為14nm，透射 隔離度和插入損耗分別為35dB和0.3dB，1420nm到1543nm、1557nm到1680nm為反射帶 寬，反射插入損耗為0.2dB ；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35dB和0.3dB;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35dB 禾口 0.3dB。除此之外，本實(shí)施例還有以下具體技術(shù)細(xì)節(jié)1、外接輸入激光脈沖的第一準(zhǔn)直器與激光波長的波分復(fù)用濾波片之間的入射角 約為20度(20士2度)；第二準(zhǔn)直器與反斯托克斯波長的波分復(fù)用濾波片之間的入射角也 約為20度(20士2度)。2、自聚焦透鏡的端面度有增透膜，自聚焦透鏡的焦點(diǎn)位于雪崩光電二極管的光 接受面。3、雪崩光電二極管為TO封裝的銦鎵砷雪崩光電二極管，兩個(gè)溫度探測(cè)頭分別 緊貼兩個(gè)雪崩光電二極管。4、該裝置安置在不銹鋼外殼內(nèi)。除以上實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其它實(shí)施方式，凡不脫離本發(fā)明創(chuàng)新實(shí)質(zhì)的 技術(shù)方案均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍中。
權(quán)利要求
1.一種用于分布式光纖溫度傳感器的光電裝置，其特征在于包括輸入激光的第一 準(zhǔn)直器尾纖(101)和外接傳感光纖的第二準(zhǔn)直器尾纖(102)，所述第一準(zhǔn)直器(103)的透 射光路上設(shè)有激光波長的波分復(fù)用濾波片(105)，所述第二準(zhǔn)直器(104)的透射光路上設(shè) 有反斯托克斯波長的波分復(fù)用濾波片(108)；所述激光波長的波分復(fù)用濾波片(105)反射 光路上設(shè)有一對(duì)平行安置的斯托克斯波長的帶通濾波片(106、107)，所述兩斯托克斯波 長的帶通濾波片(106、107)透射光路上安置第一自聚焦透鏡(111)，所述第一自聚焦透 鏡(111)的焦點(diǎn)處安置第一雪崩光電二極管(115)，所述第一雪崩光電二極管(115)的附 近安置第一溫度探測(cè)頭(119)；所述反斯托克斯波長的波分復(fù)用濾波片(108)以將激光波 長的波分復(fù)用濾波片(105)透射光反射到第二準(zhǔn)直器(104)的位置，設(shè)置在激光波長的波 分復(fù)用濾波片(105)透射光路上；所述反斯托克斯波長的波分復(fù)用濾波片(108)透射光路 上安置反斯托克斯波長的帶通濾波片(109)，所述反斯托克斯波長的帶通濾波片(109)透 射光路上安置第二自聚焦透鏡(110)，所述第二自聚焦透鏡(110)的焦點(diǎn)處安置第二雪崩 光電二極管(112)，所述第二雪崩光電二極管(112)的附近安置第二溫度探測(cè)頭(118)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于分布式光纖溫度傳感器的光電裝置，其特征在于所述 兩雪崩光電二極管的反向電壓輸入端和信號(hào)輸出端，以及兩個(gè)溫度探測(cè)頭的輸出端分別 接調(diào)理電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述用于分布式光纖溫度傳感器的光電裝置，其特征在于所 述第一準(zhǔn)直器與激光波長的波分復(fù)用濾波片之間的入射角，以及所述第二準(zhǔn)直器與反斯 托克斯波長的波分復(fù)用濾波片之間的入射角均為20士2度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述用于分布式光纖溫度傳感器的光電裝置，其特征在于所述 自聚焦透鏡的端面度具有增透膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述用于分布式光纖溫度傳感器的光電裝置，其特征在于所述 雪崩光電二極管的光接受面位于自聚焦透鏡的焦點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述用于分布式光纖溫度傳感器的光電裝置，其特征在于所述 雪崩光電二極管為TO封裝的銦鎵砷雪崩光電二極管，所述溫度探測(cè)頭緊貼對(duì)應(yīng)的雪崩光 電二極管。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述用于分布式光纖溫度傳感器的光電裝置，其特征在于所述 光電裝置安置在不銹鋼外殼內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于分布式光纖溫度傳感器的光電裝置，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括第一、第二準(zhǔn)直器尾纖，第一、二準(zhǔn)直器的透射光路上分別設(shè)有波分復(fù)用濾波片；兩波分復(fù)用濾波片的光路上分別設(shè)有帶通濾波片，兩帶通濾波片透射光路上安置第一、二自聚焦透鏡，兩自聚焦透鏡的焦點(diǎn)處分別安置第一、二雪崩光電二極管和溫度探測(cè)頭。在分布式光纖溫度傳感器利用本發(fā)明的光電裝置能夠非常方便的獲得準(zhǔn)確的溫度信息，提高了系統(tǒng)的溫度分辨率。
文檔編號(hào)G01K11/32GK102012284SQ201010539330
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月11日
發(fā)明者周金龍, 朱冬宏, 田群 申請(qǐng)人:金海新源電氣江蘇有限公司