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：
本實用新型涉及一種光電裝置，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等人首次成功實現(xiàn)了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)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?；诶⑸涞姆植际焦饫w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，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，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，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)合光時域反射 技術(shù)(OTDR，Optical Time Domain Ref lectometer)，就能夠定位溫度信息，從而實現(xiàn)了分 布式光纖溫度傳感。該傳感技術(shù)被稱為為Raman-DTS(Raman 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)用器件來實現(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，成為難點，也是核心技術(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60dB。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(101og(l/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上述常規(guī)的波分復(fù)用器件，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，結(jié)果難以獲得 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。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于克服現(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。為了實現(xiàn)本實用新型的實用新型目的，本實用新型提供的技術(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直器尾纖和 外接傳感光纖的第二準直器尾纖，所述第一準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頭。工作時，激光脈沖從第一準直器的尾纖輸入，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，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輸出。由于反斯托克斯光的隔離度主要由一個反斯托克斯波長的波分復(fù)用濾波片和一 個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，本實用新型具有如下有益效果從技術(shù)上實現(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，完全滿足當前 分布式光纖溫度傳感器對隔離度的嚴苛要求。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，完全能夠滿足當前分布式光纖溫度傳感器對插入損耗的要求。集成了雪 崩光電二極管和溫度探測頭，能夠直接輸出穩(wěn)定、準確的反斯托克斯光和斯托克斯光的電 信號。因此，在分布式光纖溫度傳感器利用本實用新型的光電裝置，能夠非常方便的獲得準 確的溫度信息，提高了系統(tǒng)的溫度分辨率。

圖1是本實用新型一個實施例結(jié)構(gòu)示意圖。圖中101、102-準直器尾纖103、104-準直器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-反斯托克斯電信號輸出端117-斯托克斯電信號輸出端 118、119-溫度探測頭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實施例的工作原理圖。圖5是圖1實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。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體的實施例對本實用新型用于分布式光纖溫度傳感器的光電 裝置做進一步詳細描述，該描述并不限制本實用新型的保護范圍。如圖1所示，本實施例用于分布式光纖溫度傳感器的光電裝置由準直器尾纖101、 102，準直器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 輸出端114，斯托克斯電信號輸出端117，溫度探測頭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直器尾纖101和外接傳感光纖的第二準直 器尾纖102，所述第一準直器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頭118。本實施例光電裝置的工作原理如附圖4所示，激光脈沖從本實用新型的光電裝 置的一個準直器的尾纖輸入，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，耦合進入另一個準直器，射入傳感光纖；傳感光纖中產(chǎn)生的背 向散射光從準直器返回；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)換為電信號輸出，反斯托克斯光的整個路徑為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)換為電信號輸出，斯托克斯光的整個路徑為 a — b — c — d — c — b — g — h。反斯托克斯光的隔離度主要由一個反斯托克斯波長的波分 復(fù)用濾波片和一個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 個雪崩光電二極管的反向電壓輸入端和信號輸出端，以及兩個溫度探測頭的輸出端分別接 調(diào)理電路。溫度探測頭用于給調(diào)理電路提供雪崩光電二極管的溫度信息，進而調(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 確的輸出反斯托克斯光和斯托克斯光的電信號。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0. 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和0. 3dB。除此之外，本實施例還有以下具體技術(shù)細節(jié)1、外接輸入激光脈沖的第一準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，兩個溫度探測頭分別緊 貼兩個雪崩光電二極管。4、該裝置安置在不銹鋼外殼內(nèi)。除以上實施例外，本實用新型還可以有其它實施方式，凡不脫離本實用新型創(chuàng)新 實質(zhì)的技術(shù)方案均落在本實用新型要求的保護范圍中。
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 直器尾纖(101)和外接傳感光纖的第二準直器尾纖(102)，所述第一準直器(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輸出端，以及兩個溫度探測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。
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，所述溫度探測頭緊貼對應(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)。
專利摘要本實用新型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、第二準直器尾纖，第一、二準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處分別安置第一、二雪崩光電二極管和溫度探測頭。在分布式光纖溫度傳感器利用本實用新型的光電裝置能夠非常方便的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G01K11/32GK201852651SQ20102060101
公開日2011年6月1日 申請日期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 申請人:金海新源電氣江蘇有限公司