專利名稱：光纖雙折射溫度計(jì)和用于制造其的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有其雙折射取決于要測(cè)量的溫度的保偏感測(cè)光纖的光纖溫度計(jì)。本方法還涉及用于制造這樣的溫度計(jì)的方法。
背景技術(shù)：
光纖溫度計(jì)有利地在中壓和高壓應(yīng)用中使用，例如用于測(cè)量發(fā)電機(jī)電路斷路器或電力變壓器的溫度。在這樣的條件下的溫度測(cè)量系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)是通過到處于地電勢(shì)的控制柜中監(jiān)測(cè)單元的適合的信號(hào)傳輸在大約幾個(gè)IOkV或更多電勢(shì)上溫度的可靠檢測(cè)。已知[I]保偏(PM)光纖的差分相位速度的溫度依賴性使得將溫度信息編碼為偏振態(tài)成為可能。這樣的潛在便宜的偏振測(cè)量也不受EMI、振動(dòng)、濕度影響以及對(duì)長(zhǎng)壽命提供潛在可能，并且光信號(hào)可以通過光傳輸光纖容易地在地與中/高壓電勢(shì)之間傳遞。具有良好的引下線不靈敏性的反射偏振干涉儀已經(jīng)在[2]中提出。該概念依賴于偏振態(tài)通過傳輸光纖從感測(cè)元件不受干擾地輸送到讀出(光)電子設(shè)備，這需要精密且昂貴的PM連接器。在另一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的方法[3，4]中，從行進(jìn)通過PM光纖的兩個(gè)波長(zhǎng)的差分響應(yīng)(在該情況下為相位)來(lái)推論出被測(cè)對(duì)象(例如應(yīng)力、溫度)。

發(fā)明內(nèi)容
要由本發(fā)明解決的問題是提供成本有效且堅(jiān)固的光纖溫度計(jì)以及用于制造其的方法。該問題由根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的溫度計(jì)和方法解決。因此，溫度計(jì)包括生成至少兩個(gè)不同的光譜范圍中(S卩，在第一光譜范圍中和第二光譜范圍中)光的光源組裝件。單模傳輸光纖直接或間接連接到該光源組裝件并且運(yùn)送這兩個(gè)光譜范圍的光。該傳輸光纖典型地不是保偏光纖。偏振器用于使在傳輸光纖的遠(yuǎn)末端處退出的光偏振。來(lái)自該偏振器的光然后發(fā)送(通過可選的保偏導(dǎo)引光纖)到感測(cè)光纖中。該感測(cè)光纖是具有第一和第二雙折射軸的保偏光纖，其中這些軸之間的雙折射取決于要測(cè)量的溫度。偏振器和感測(cè)光纖的相互間布置使得來(lái)自偏振器的光耦合到感測(cè)光纖的兩個(gè)雙折射軸內(nèi)。感測(cè)光纖具有第一末端和第二末端，在該第一末端處它接收來(lái)自偏振器的光。反射器布置在該第二末端處并且將光反射回到感測(cè)光纖內(nèi)，使得它通過感測(cè)光纖、偏振器和傳輸光纖而傳回。提供檢測(cè)器組裝件以檢測(cè)通過偏振器和傳輸光纖從感測(cè)光纖返回的光。該檢測(cè)器組裝件生成表示第一光譜范圍中返回光的強(qiáng)度的第一信號(hào)A和表示第二光譜范圍中返回光的強(qiáng)度的第二信號(hào)B。信號(hào)A和B饋送到處理電路以用于從它們兩者來(lái)生成溫度信號(hào)。該設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)它在基于地的光電子模塊(光源組裝件、檢測(cè)器組裝件)與感測(cè)頭(偏振器、感測(cè)光纖)之間不需要保偏光纖或保偏連接器，同時(shí)兩個(gè)波長(zhǎng)處的測(cè)量允許甚至在基于地的設(shè)備與感測(cè)頭之間的連接器質(zhì)量變化時(shí)獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。有利地，溫度計(jì)還包括布置在感測(cè)光纖的第一末端與偏振器之間的保偏導(dǎo)引光纖。該導(dǎo)引光纖的雙折射軸是平行的并且垂直于偏振器的偏振方向，使得偏振器使其光僅耦合到它們中的一個(gè)內(nèi)。另一方面，相對(duì)于感測(cè)光纖的雙折射軸，導(dǎo)引光纖的雙折射軸在
40。與50°之間的角度，具體而言在45°角度，使得光耦合到所述感測(cè)光纖的兩個(gè)軸內(nèi)。該設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)允許使偏振器與感測(cè)光纖保持一定距離使得僅感測(cè)光纖而不是偏振器需要處于要測(cè)量的溫度。處理電路應(yīng)該適應(yīng)于從所述信號(hào)A和B計(jì)算溫度信號(hào)，其允許例如通過取決于(A-B) / (A+B)或log (A/B)來(lái)計(jì)算參量來(lái)明確地確定給定測(cè)量范圍中的溫度。
用于制造溫度計(jì)的方法不得不面臨非常難以制造完全正確長(zhǎng)度的光纖的問題。該方法通過下列步驟解決該問題
a)提供所述感測(cè)光纖，其具有略微超出期望的給定延遲的總延遲。b)通過沿感測(cè)光纖的第一和第二雙折射軸偏振的感測(cè)光纖發(fā)送光。這樣的光的偏振分量將經(jīng)受由感測(cè)光纖的延遲給定的相互間相移。c)通過分析從光纖退出的光來(lái)測(cè)量取決于光纖中的當(dāng)前延遲的參數(shù)。d)通過使感測(cè)光纖回火而永久地降低感測(cè)光纖的雙折射(S卩，通過使其暴露于如此高的溫度，使得其雙折射由于非可逆效應(yīng)而減小)直到所述參數(shù)指示當(dāng)前延遲等于期望延遲。以此方式制造的感測(cè)光纖在參考溫度處具有定義明確的光延遲，即在步驟a)中定義的“期望的給定延遲”，其允許更換處理電路而不重新校準(zhǔn)。其他有利的實(shí)施例在從屬的權(quán)利要求中以及下文的描述中列出。


從本發(fā)明的下列詳細(xì)描述將更好理解本發(fā)明并且除上文闡述的目的外的目的將變得明顯。這樣的描述參照附圖，其中
圖I示出溫度計(jì)的第一實(shí)施例，
圖2示出溫度計(jì)的第二實(shí)施例，
圖3示出如由溫度計(jì)測(cè)量的第一和第二信號(hào)A、B,以及從A和B得到的兩個(gè)信號(hào)，
圖4示出制造設(shè)置，以及 圖5示出傳感器頭。
具體實(shí)施例方式定義
術(shù)語(yǔ)“信號(hào)表示”給定值要理解為信號(hào)等于給定值或取決于給定值，具體而言通過從給定值得出或能得出。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，信號(hào)與給定值成比例。溫度計(jì)
使用PM感測(cè)光纖的熱敏雙折射的可能的溫度傳感器系統(tǒng)由三個(gè)基本組件組成，如可以在圖I的僅示范性和說(shuō)明性實(shí)施例中看到的(i)以光源布置2、一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器3、4和處理電路5為特征的光電子模塊I。在圖I的實(shí)施例中，該光源布置2包括兩個(gè)光源2a、2b。第一光源2a生成在第一光譜范圍中的光并且第二光源2b生成在第二光譜范圍中的光，其中這兩個(gè)光譜范圍不同，例如分別集中在 1310nm 和 1550nm。(ii)傳輸光纖8，用于首先將這兩個(gè)光譜范圍的光傳輸?shù)礁袦y(cè)頭10并且其次將編碼的溫度信號(hào)傳遞回光電子模塊I。(iii)感測(cè)頭10，其包括在兩個(gè)光譜范圍中操作的寬帶偏振器11、PM導(dǎo)引光纖12和長(zhǎng)度L的PM感測(cè)光纖13。感測(cè)光纖13具有取決于要測(cè)量的溫度的雙折射。偏振器11平行于導(dǎo)引光纖12的雙折射軸中的一個(gè)來(lái)布置。導(dǎo)引光纖12的雙折射軸相對(duì)于感測(cè)光纖13的雙折射軸有利地處于45°角度。感測(cè)光纖13具有連接到導(dǎo)引光纖12的第一末端13a,以及第二末端13b，其中反射器(鏡)14布置在第二末端13b處以將光反射回到感測(cè)光纖13中。
除上文提到的組件外，光電子模塊I可包括組合器15，其用于使來(lái)自光源2a、2b的光組合；耦合器16，其用于使來(lái)自組合器15的光的一部分耦合到參考支路17和測(cè)量支路18內(nèi)并且用于使從測(cè)量支路18回來(lái)的光的一部分耦合到檢測(cè)支路19內(nèi)一這些組件的全部可例如實(shí)現(xiàn)為波導(dǎo)并且不必保偏但需要同時(shí)在兩個(gè)光譜區(qū)處適當(dāng)工作。來(lái)自參考支路17的光饋送到第一參考檢測(cè)器20和第二參考檢測(cè)器21。第一參考檢測(cè)器20配備有光濾波器22使得它測(cè)量表示如由光源組裝件2生成的第一光譜范圍的光的強(qiáng)度的第一原始強(qiáng)度信號(hào)SA0。相似地，第二參考檢測(cè)器21配備有光濾波器23使得它測(cè)量表示如由光源組裝件2生成的第二光譜范圍的光的強(qiáng)度的第二原始強(qiáng)度信號(hào)SB(I。相似地，來(lái)自參考支路19的光饋送到第一和第二信號(hào)檢測(cè)器24、25，其配備有光濾波器26、27使得它們分別測(cè)量表示通過傳輸光纖8返回的第一和第二光譜范圍的光的強(qiáng)度的第一原始返回信號(hào)Sa和第二原始返回信號(hào)SB。處理電路5可以適應(yīng)于計(jì)算表示SA/SA(I的第一信號(hào)A和表示SB/SB(I的第二信號(hào)B，即信號(hào)A和B分別表示由相應(yīng)光譜范圍中的光源組裝件2生成的光的量歸一化的在第一和第二光譜范圍的光的強(qiáng)度。第一單模連接器30可以布置在傳輸光纖8與光源組裝件2之間，即在圖I的實(shí)施例中在測(cè)量支路18與傳輸光纖8之間。第二單模連接器31布置在傳輸光纖8與偏振器11之間。 第一單模連接器30允許快速且容易地更換光電子模塊I。第二單模連接器30允許使傳輸光纖8與感測(cè)頭10斷開。溫度計(jì)的基本感測(cè)概念對(duì)應(yīng)于在參考[2]中描述的那個(gè)。然而，參考[2]的傳感器拓?fù)涫遣焕?，因?yàn)樗枰狿M光纖作為傳輸光纖以及精密且昂貴的PM連接器。與此形成對(duì)照，本設(shè)計(jì)不需要PM光纖作為傳輸光纖，但需要例如展現(xiàn)出徑向?qū)ΨQ波導(dǎo)而沒有優(yōu)選方位角方向的單模(SM)光纖。這極大地簡(jiǎn)化了斷開和閉合連接器而不干擾傳感器信號(hào)。由光源組裝件2生成的光傳播通過光電子模塊I進(jìn)入傳輸光纖8并且然后在感測(cè)頭側(cè)處由偏振器11偏振，該偏振器11充當(dāng)向前行進(jìn)光的偏振器以及向后行進(jìn)光的分析器。光從偏振器11沿導(dǎo)引光纖12的一個(gè)軸向下行進(jìn)，使用拼接角(優(yōu)選地45°拼接角)分裂(優(yōu)選同等地)到感測(cè)光纖13的兩個(gè)軸內(nèi)。光因此進(jìn)入感測(cè)光纖13的兩個(gè)偏振模式、在感測(cè)光纖13的第二末端13b處由反射器14反射回并且在拼接(優(yōu)選地45°拼接)處耦合到導(dǎo)引光纖12的兩個(gè)軸內(nèi)，其中來(lái)自感測(cè)光纖13的兩個(gè)波互相干涉。沿導(dǎo)引光纖12的兩個(gè)軸之一偏振的光經(jīng)過偏振器11、通過傳輸光纖8往回行進(jìn)并且返回光電子模塊1，其中如上文描述的信號(hào)A和B被測(cè)量以產(chǎn)生對(duì)感測(cè)光纖13處的溫度的測(cè)量。信號(hào)A和B取決于感測(cè)光纖13中的兩個(gè)偏振模式之間的差分延遲(即取決于感測(cè)光纖的溫度依賴雙折射)
ΡΠ - pr - I :*πτ)
其中P ^是參考溫度Ttl (例如室溫)處的延遲，dT是參考溫度的偏差并且Q是溫度系數(shù)。測(cè)量的延遲P⑴的溫度依賴性由雙折射的溫度系數(shù)G+ +4 1/|> * (tip/GT)以及參考(室)溫度處的延遲P:. . 4J1L/Lh支配。這里，L是感測(cè)光纖的長(zhǎng)度并且Lb是PM光纖類型的感測(cè)光纖的拍長(zhǎng)(beat length)。如上文描述的，第一和第二信號(hào)A和B因此是
Λ = O . 5 * (I + cos {pi (1}) a = 0.5 * (I + c.os{p2(Tl),
其中p i和p 2分別是第一和第二光譜范圍的中心波長(zhǎng)λ P λ 2處的延遲(假設(shè)這兩個(gè)光譜范圍足夠窄)。信號(hào)Α、Β因?yàn)樵谌?和λ 2處不同的拍長(zhǎng)和溫度依賴性Q而主要不同。溫度信息編碼為在兩個(gè)波長(zhǎng)處檢測(cè)的光強(qiáng)度的比率并且因此對(duì)例如單模連接器30,31的透射率變化不敏感。兩個(gè)光源的差分波動(dòng)由信號(hào)Α、Β可以由如上文描述的原始信號(hào)SA(I、Sbo歸一化這一事實(shí)而校正。在圖I的實(shí)施例中，兩個(gè)光譜范圍處的信號(hào)由光濾波器22、23、26、27分離。圖2示出采用在兩個(gè)不同頻率和f2的兩個(gè)調(diào)制源的備選實(shí)施例。它包括分別以和f2操作的第一和第二幅度調(diào)制器35、36。第一幅度調(diào)制器35與第一光源2a配合以用于調(diào)制具有頻率的第一光譜范圍中的光的強(qiáng)度，并且第二幅度調(diào)制器36與第二光源2b配合以用于調(diào)制具有頻率f2的第一光譜范圍中的光的強(qiáng)度。幅度調(diào)制器35、36可以例如是調(diào)制對(duì)光源2a、2b的饋電電流的電流調(diào)制器。可以在時(shí)域中獨(dú)立地在向前行進(jìn)光處監(jiān)測(cè)并且在從感測(cè)頭回來(lái)的光處檢測(cè)調(diào)制幅度(對(duì)兩個(gè)波長(zhǎng)僅使用一個(gè)檢測(cè)器)。由于該目的，每個(gè)光檢測(cè)器3、4分別連接到第一和第二帶通濾波器37、38和39、40。這些帶通濾波器37-40可以例如分別是集中在頻率和f2上的鎖定濾波器或基于軟件的濾波器。圖3示出信號(hào)A、B和由此得出的兩個(gè)信號(hào)作為溫差Λ T=T-TO的函數(shù)的行為，其中T是感測(cè)光纖13處的溫度并且TO是參考或環(huán)境溫度。圖3中的曲線對(duì)應(yīng)于A1=ISlOnnuλ 2=1550nm并且假設(shè)E-芯光纖(橢圓芯光纖)中的感測(cè)光纖具有下列屬性Q=3. 2 ·10_4 Γ1，LB=6mm ( λ ^1310 處的拍長(zhǎng))，L=29. 5mm。在圖3中假設(shè)拍長(zhǎng)與波長(zhǎng)λ P λ 2成比例并且溫度依賴性Q對(duì)于兩個(gè)波長(zhǎng)是相等的，其對(duì)于一次近似是合理的。實(shí)際參數(shù)用于1310nm和1550nm的波長(zhǎng)并且用于現(xiàn)有的橢圓芯光纖，即在1310nm處的6mm拍長(zhǎng)和Q=3. 2 · 10_4 [I/K]的溫度依賴性。信號(hào)A、B指如由如上文描述的處理電路5測(cè)量的兩個(gè)波長(zhǎng)的調(diào)制幅度或歸一化的光強(qiáng)度。在圖3中可以看到對(duì)于L=29. 5mm的感測(cè)光纖的長(zhǎng)度，可以獲得160°C溫度范圍上的非模糊感測(cè)信號(hào)。這樣的溫度范圍通常對(duì)于電力產(chǎn)品中的應(yīng)用是足夠的?！?°的傳感器精度在上文提到的范圍上是可能的，因?yàn)樗饕晒鈴?qiáng)度或調(diào)制幅度的測(cè)量精度確定，該測(cè)量精度應(yīng)該在ppm范圍中。處理電路5應(yīng)該從A和B計(jì)算溫度信號(hào)，該溫度信號(hào)是期望溫度范圍上的溫度的非模糊函數(shù)。在第一有利實(shí)施例中，溫度信號(hào)S可以例如從比率A/B計(jì)算。由于對(duì)稱原因，非常適合的參量是例如
S=Iog (A/B)。在測(cè)量范圍上也對(duì)稱的另一個(gè)非常適合的參量是 S= (A-B) / (A+B)。對(duì)于S的這兩個(gè)定義都在圖3中示出?！て衿?1與感測(cè)光纖13之間的PM光纖12有利地被保護(hù)性地封裝以避免偏振交叉奉禹合。對(duì)傳感器校準(zhǔn)有關(guān)的光纖屬性(P ο, Q)由感測(cè)光纖13的光導(dǎo)芯給出并且因此在石英玻璃內(nèi)部受到很好保護(hù)并且預(yù)期不會(huì)由于例如濕度而顯示出老化。制造方法
溫度傳感器的重要屬性是在制造期間“一個(gè)點(diǎn)”校準(zhǔn)的可能性和傳感器頭與讀出電子設(shè)備的可互換性。為了獲得這兩個(gè)屬性，現(xiàn)在公開制造方法，其允許制作相同的傳感器頭。這些傳感器頭然后可以例如在單模連接器30或31的位置處互換。對(duì)于給定的光纖類型，差分延遲的溫度依賴性Q保持恒定。傳感器校準(zhǔn)則純粹是光學(xué)長(zhǎng)度(即，差分延遲Ptl(Ttl))的函數(shù)，即必須制造具有正確的總延遲的光纖。為了獲得限定的延遲，感測(cè)光纖最初制備得有一點(diǎn)超長(zhǎng)。然后使用在圖4中示出的制造設(shè)置來(lái)確定延遲。該技術(shù)基于觀察由感測(cè)光纖在某一波長(zhǎng)(其可等于或可不等于上文的第一和第二波長(zhǎng)入1和λ 2中的一個(gè))處和受控室溫處攜帶的兩個(gè)偏振。接著，通過例如在拼接機(jī)或一些其他回火室41中施加熱(回火)而以逐步的方式使延遲P ^減小。熱可施加于感測(cè)光纖13中的全部或僅施加于其的一段。熱施加于PM感測(cè)光纖(其可以例如是橢圓芯光纖)促使光纖芯略微擴(kuò)散到覆層材料內(nèi)，由此使得芯的雙折射更小并且因此在橢圓芯光纖的情況下使引起的延遲減小。對(duì)于采用應(yīng)力體來(lái)產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)的PM光纖，熱的施加將促使應(yīng)力體擴(kuò)散到覆層內(nèi)并且因此改變光纖芯中的應(yīng)力場(chǎng)以及雙折射。相似的方法成功地用于制造具有預(yù)定溫度依賴性(即光學(xué)長(zhǎng)度)的光纖電流傳感器(FOCS)的四分之一波延遲器[5]。在圖4中示出的設(shè)置圖示來(lái)自光源的光被發(fā)送通過第一分束器42、第一偏振器43和第二分束器44進(jìn)入保偏光纖45內(nèi)，該保偏光纖45已經(jīng)在45°連接到感測(cè)光纖13。第一偏振器43對(duì)齊以f禹合到保偏光纖45的僅一個(gè)偏振模式內(nèi)。光經(jīng)過保偏光纖45進(jìn)入感測(cè)光纖13的兩個(gè)偏振模式內(nèi)、由反射器14反射并且通過感測(cè)光纖13和保偏光纖45返回。在第二分束器44處,一部分的光通過偏振器46 (其相對(duì)于偏振器43與90°的偏振對(duì)齊)轉(zhuǎn)向并且到達(dá)第一檢測(cè)器47，而另一部分的光通過第一偏振器43、在第一分束器42處轉(zhuǎn)向以到達(dá)第二檢測(cè)器48。檢測(cè)器47、48分別生成信號(hào)SI和S2，其的比率是描述感測(cè)光纖13中的延遲的參數(shù)。以此方式，測(cè)量感測(cè)光纖13的延遲。如果它還未降到期望的延遲，使感測(cè)光纖13回火。繼續(xù)這些步驟直到測(cè)量的參數(shù)指示延遲已經(jīng)降到期望延遲。該過程稱為“調(diào)諧”。
為了把感測(cè)頭最后定下來(lái)并且獲得如在圖5中示出的產(chǎn)品，在一側(cè)上具有單模光纖50和單模連接器31的寬帶偏振器11在另一側(cè)處附連到于此在0°角度的保偏光纖45(在一個(gè)特定情況下通過在0°角度拼接到退出偏振器的PM光纖51)，使得PM光纖45變成最終產(chǎn)品的一部分或整個(gè)導(dǎo)引光纖12。這具有的優(yōu)點(diǎn)為在上文描述的調(diào)諧過程期間充分解決導(dǎo)引光纖12與感測(cè)光纖13之間的拼接區(qū)中的延遲并且其以后不再改變?，F(xiàn)在可以封裝感測(cè)頭并且使其連接到任何光電子模塊并且其將提供準(zhǔn)確的溫度讀數(shù)。還可以通過使用具有與在圖I或2中示出的那個(gè)相似的設(shè)置的雙波長(zhǎng)測(cè)量來(lái)確定延遲，而不是執(zhí)行如在圖4中示出的單波長(zhǎng)測(cè)量。光源組裝件
光源組裝件2有利地使用具有不同波長(zhǎng)(例如1310nm，1550nm)的兩個(gè)光源。由于成本原因，可以分配光源來(lái)為多個(gè)傳感器頭(例如，對(duì)于變壓器應(yīng)用是8個(gè)，未示出)服務(wù)，或可使用大約850nm的便宜的VCSEL源。來(lái)自光源2a、2b具有兩個(gè)不同波長(zhǎng)(調(diào)制或未調(diào)制)的光可用于若干溫度測(cè)量點(diǎn)。對(duì)此，星形耦合器(未示出)可用于將來(lái)自光源2a、2b的光在測(cè)量通道之間粗略地平均分配。該星形耦合器對(duì)于這兩個(gè)波長(zhǎng)必須同時(shí)運(yùn)行。這樣，光源的成本可在變壓器中應(yīng)用的典型10個(gè)測(cè)量通道之間分配。通道之間強(qiáng)度的精確分配將在星形耦合器后通過使用參考檢測(cè)器(例如上文的檢測(cè)器3)而監(jiān)測(cè)。必須注意，沿PM光纖行進(jìn)的兩個(gè)波經(jīng)歷差分群時(shí)延，即原來(lái)完全同相的波在沿PM光纖的兩個(gè)不同模式行進(jìn)時(shí)在時(shí)間和空間中取得相對(duì)距離。提出的傳感器配置依賴以下事實(shí)在45°入口拼接處分裂的兩個(gè)波在沿光纖前后行進(jìn)后將在45°退出拼接處互相干涉。如果這兩個(gè)波與采用的光的相干長(zhǎng)度相比取得明顯的差分群時(shí)延則干涉條紋可見度以及因此傳感器信號(hào)將降低。降低的條紋可見度將損害傳感器的信噪比。以此公開的最大化干涉對(duì)比度的方法是(i)具有最小差分群色散的感測(cè)光纖的選擇和(ii )光源相干長(zhǎng)度的管理。橢圓芯光纖可用作感測(cè)光纖13，因?yàn)樵擃愋偷墓饫w允許通過參數(shù)(例如芯直徑和芯覆層折射率差)的正確設(shè)計(jì)來(lái)修整(tailor)屬性?？紤]設(shè)計(jì)過程的光纖屬性是雙折射、雙折射溫度依賴性和差分群時(shí)延。第一光譜范圍中以及第二光譜范圍中采用的光的相干長(zhǎng)度應(yīng)該長(zhǎng)到足以保證良好的傳感器條紋可見度同時(shí)短到足以抑制來(lái)自連接器及類似物處的雜散反射的影響。光源在其相干和波長(zhǎng)屬性方面應(yīng)該非常穩(wěn)定。獲得該屬性的一個(gè)選項(xiàng)是具有另外的光帶通濾波器的超熒光LED的使用以修整帶寬并且因此修整光的相干屬性。光濾波器可放置在光路中的任何地方。第一光譜范圍以及第二光譜范圍的光譜寬度有利地是lnm-30nm。注意
這里描述的解決方案組合偏振測(cè)量的成本有效性和信息傳送的高低不平性(ruggedness)(當(dāng)編碼為波長(zhǎng)樣式時(shí))。為了在集成到HV設(shè)備期間操縱光纖傳感器以及在十年后更換讀出電子設(shè)備而仍使用相同的傳感器頭，極其有利的是使用便宜且堅(jiān)固的光纖連接器，即單模連接器而不是PM (保偏)連接器。此外，傳感器頭需要與任何電子設(shè)備表現(xiàn)完全一樣而沒有任何種類的重新校準(zhǔn)。這里公開的傳感器設(shè)計(jì)拓?fù)浣鉀Q了第一需要，同時(shí)需要的感測(cè)元件的相同感測(cè)屬性由公開的用于制造的方法提供。感測(cè)光纖與電子設(shè)備電隔離并且振動(dòng)不敏感。傳輸光纖可以是具有單模連接器(其便宜且健壯)的單模光纖。傳輸光纖和連接器不必保偏。在制造期間的“一個(gè)點(diǎn)”校準(zhǔn)以及在160°C范圍上的±1°C精度是可能的。此外，傳感器構(gòu)成內(nèi)在光纖傳感器，即不需要外部傳感器(例如，空腔諧振器、GaAs芯片、熒光材料)附連到光纖。提出的方法允許非常簡(jiǎn)單且成本有效的溫度測(cè)量，因?yàn)閮H需要少量且便宜的組件(例如在850nm或1310nm)。所有組件對(duì)于電信應(yīng)用是商業(yè)上可用的。參考文獻(xiàn)
權(quán)利要求
1.一種光纖溫度計(jì)，包括 光源組裝件(2)，其至少生成第一光譜范圍中和第二光譜范圍中的光，其中所述第一光譜范圍與所述第二光譜范圍不同， 單模傳輸光纖(8)，其連接到所述光源組裝件(2)并且運(yùn)送所述第一和第二光譜范圍的光， 偏振器(11 )，其布置成使來(lái)自所述傳輸光纖(8 )的光偏振， 保偏感測(cè)光纖(13)，其具有第一和第二雙折射軸，其中所述第一和第二雙折射軸之間的所述感測(cè)光纖(13)的雙折射取決于要測(cè)量的溫度，并且其中所述偏振器(11)布置成使來(lái)自所述光源的光耦合到兩個(gè)所述雙折射軸中，其中所述感測(cè)光纖(13)具有第一末端(13a)和第二末端(13b)并且其中所述偏振器(11)布置在所述傳輸光纖(8)與所述第一末端(13b)之間， 反射器(14)，其布置在所述感測(cè)光纖(13)的所述第二末端(13b)處并且使光反射回到所述感測(cè)光纖(13)中， 檢測(cè)器組裝件(3，4)，其適應(yīng)于檢測(cè)通過所述偏振器(11)和所述單模傳輸光纖(8)從所述感測(cè)光纖(13)返回的光，其中所述檢測(cè)器組裝件(3，4)生成表示在所述第一光譜范圍中返回光的強(qiáng)度的第一信號(hào)A和表示在所述第二光譜范圍中返回光的強(qiáng)度的第二信號(hào)B，以及 處理電路(5 )，用于從所述第一信號(hào)A和第二信號(hào)B生成溫度信號(hào)。
2.如權(quán)利要求I所述的溫度計(jì)，還包括保偏導(dǎo)引光纖(12)，所述保偏導(dǎo)引光纖(12)具有第一和第二雙折射軸并且布置在所述偏振器(11)與所述感測(cè)光纖(13)的所述第一末端(13a)之間，其中所述導(dǎo)引光纖(12)的雙折射軸是平行的并且垂直于所述偏振器(11)的偏振方向并相對(duì)于所述感測(cè)光纖(13)的雙折射軸在40與50°之間的角度，具體而言在45°角度。
3.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的溫度計(jì)，包括所述傳輸光纖(8)與所述光源組裝件(2)之間的第一單模連接器(30)。
4.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的溫度計(jì)，包括所述傳輸光纖(8)與所述偏振器(11)之間的第二單模連接器(31)。
5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的溫度計(jì)，其中所述處理電路(5)適應(yīng)于通過取決于(A-B)/ (A+B)或log (A/B)來(lái)計(jì)算參量而組合所述第一信號(hào)A和所述第二信號(hào)B。
6.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的溫度計(jì)，其中所述檢測(cè)器組裝件(3，4)適應(yīng)于檢測(cè)表示如由所述光源組裝件(2)生成的所述第一光譜范圍的光的強(qiáng)度的第一原始強(qiáng)度信號(hào)Saci、表示通過所述傳輸光纖(8)返回的所述第一光譜范圍的光的強(qiáng)度的第一原始返回信號(hào)Sa、表示如由所述光源組裝件(2)生成的所述第二光譜范圍的光的強(qiáng)度的第二原始強(qiáng)度信號(hào)Sbci、表示通過所述傳輸光纖(8)返回的所述第二光譜范圍的光的強(qiáng)度的第二原始返回信號(hào)Sb,并且其中所述第一信號(hào)A表不Sa/Sao并且所述第二信號(hào)B表不SB/SB(I。
7.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的溫度計(jì)，其中所述光源組裝件(2)包括 第一幅度調(diào)制器(35)，用于調(diào)制具有第一頻率(f\)的所述第一光譜范圍中的光的強(qiáng)度，以及 第二幅度調(diào)制器(36)，用于調(diào)制在第二頻率(f2)處的所述第二光譜范圍中的光的強(qiáng)度，所述第二頻率(f2)與所述第一頻率(f\)不同，并且 其中所述檢測(cè)器組裝件(3，4 )包括 光檢測(cè)器(3，4)， 在所述第一頻率(f\)處的第一帶通濾波器(37，39)，以及 在所述第二頻率(f2)處的第二帶通濾波器(38，40)， 其中所述濾波器(37-40 )均連接到所述光檢測(cè)器(3，4 )。
8.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的溫度計(jì)，其中所述光源組裝件(2)包括生成所述第一光譜范圍中的光的第一光源(2a)和生成所述第二光譜范圍中的光的第二光源(2b)。
9.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的溫度計(jì)，其中所述第一光譜范圍以及所述第二光譜范圍各自具有在Inm和30nm之間的光譜寬度。
10.一種用于制造如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的溫度計(jì)的方法，包括以下步驟 a)提供所述感測(cè)光纖(13)，其具有超出期望的雙折射延遲的原本雙折射延遲， b)通過沿所述感測(cè)光纖(13)的所述第一和所述第二雙折射軸偏振的所述感測(cè)光纖(13)發(fā)送光， c)測(cè)量取決于所述感測(cè)光纖(13)中的當(dāng)前延遲的參數(shù)，以及 d)通過使所述感測(cè)光纖(13)回火而永久地降低所述感測(cè)光纖(13)的雙折射直到所述參數(shù)指示所述當(dāng)前延遲等于所述期望延遲。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中提供所述感測(cè)光纖(13)的所述步驟包括提供具有附連的保偏光纖(45)的所述感測(cè)光纖(13)，其中所述保偏光纖(45)的雙折射軸相對(duì)于所述感測(cè)光纖(13)的雙折射軸布置在40°-50°范圍中的角度，具體而言在45°，并且，其中所述方法還包括在完成步驟d后使所述保偏光纖(45)附連到所述偏振器(11)或在0°角度退出所述偏振器的PM光纖(51)。
全文摘要
描述了光纖溫度計(jì)，其使用雙折射保偏感測(cè)光纖(13)以及單模傳輸光纖(8)以用于在感測(cè)頭與光電子模塊(1)之間傳輸光信號(hào)。該光電子模塊(1)包含在不同光譜范圍操作的兩個(gè)光源(2a，2b)。來(lái)自光源的非偏振光通過傳輸光纖(8)來(lái)發(fā)送、通過偏振器(11)來(lái)發(fā)送并且耦合到感測(cè)光纖(13)的兩個(gè)雙折射軸內(nèi)。波在感測(cè)光纖(13)的遠(yuǎn)末端(13b)處的反射器(14)處反射，于是它通過感測(cè)光纖(13)、偏振器(11)和傳輸光纖(8)返回。通過對(duì)兩個(gè)光譜范圍分析返回信號(hào)，可以得出健壯的溫度信號(hào)。該溫度計(jì)設(shè)計(jì)消除了在光電子模塊(1)和傳感器頭之間使用保偏光纖和保偏連接器的需要。
文檔編號(hào)G01K11/32GK102959374SQ201080067937
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2010年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月7日
發(fā)明者R.維斯特, T.比勒, F.比希特 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司