光纖衰蕩環時分復用傳感系統的製作方法

2023-05-30 13:47:41

專利名稱：光纖衰蕩環時分復用傳感系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光纖衰蕩環時分復用傳感系統。
背景技術：
光纖衰蕩光譜法是在腔衰蕩光譜法的基礎上衍生出來的一種光纖傳感技術 (G. Berden, R. Peeters and G. Meijer, Cavity ring-down spectroscopy !Experimental schemes and applications, Int. Reviews in PHYSICALCHEMISTRY,2000, Vol. 19, No. 4, 565-607)。腔衰蕩光譜是一種靈敏的吸收光譜技術，因為它測量的是光學腔中光脈衝的吸收比例，而不是吸收大小。氣體樣本放入由兩個高反射鏡組成的高精密光學腔中。將窄脈衝光耦合如腔中，光會在腔體中來回反射，每次反射中都有一小部分漏出腔體。不是測量腔體中光的總強度，而是測量腔體漏出光的衰減時間，樣本吸收越多，測量到的衰減時間越短。這種方法有如下優勢吸收是由信號的時間特性決定的，而和雷射脈衝間的強度波動無關；有效吸收路徑長度由腔體鏡的反射率決定，可以達到幾公裡的長度，因此樣本量可以非常小；和其他吸收技術特別是那些調製方法比較，CRDS是對吸收的絕對測量；另一個優勢是CRD的實驗結構相對簡單。腔衰蕩光譜技術實用化中的最大問題來自於對光學腔的技術要求極高，需要保持其極低的固有損耗並匹配腔的諧振，對腔製作過程中的鍍膜和拋光精密度要求高而且價格貴。其次，光學腔對應用環境十分敏感，無法在惡劣環境下應用，也無法開發分布式的遠程檢測系統。因此，光纖衰蕩光譜法應運而生，它用光纖環和氣體吸收室的結構取代光學腔。 它繼承了腔衰蕩光譜技術測量衰減速度而不是光強度的優點，同時克服其光學腔技術要求高，價格貴的問題。

發明內容
要解決的技術問題基於光纖衰蕩光譜技術發明一種新型的時分復用光纖傳感系統，能應用於惡劣環境中，並可多點復用測量不同的參量，包括溫度、應變、壓力、和氣體濃
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/又寸。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種光纖衰蕩環時分復用傳感系統，它包含N個光纖衰蕩環、一個光源、一個光源驅動模塊、一個脈衝發生器、一個信號採集與處理器、一個光電轉換器和一個溫度控制模塊；其中每個光纖衰蕩環都包括一個輸入耦合器、一個輸出耦合器和一個傳感探頭；其光源驅動模塊接收脈衝發生器的脈衝信號控制光源輸出光脈衝，該脈衝光分別進入N個光纖衰蕩環的各個光纖衰蕩環變成衰蕩脈衝信號，然後依時間先後順序返回到光電轉換器，其信號採集與處理器一邊連接脈衝發生器獲得同步信號，另一邊連接光電轉換器，對其輸出的電信號進行處理和儲存，溫度控制模塊控制光源的工作溫度同時將工作溫度反饋給信號採集與處理器，其中N ^ 3的自然數。其中光源產生的脈衝光通過輸入耦合器一，一部分光進入光纖衰蕩環一，另一部分光傳輸到輸入耦合器二，進入光纖衰蕩環一的光先經過傳感探頭一，然後通過輸出耦合器一，一部分光返回到輸入耦合器一，另一部分光輸出到光電轉換器；通過輸入耦合器二的光，一部分光進入光纖衰蕩環二，另一部分光傳輸到下一個光纖衰蕩環，進入光纖衰蕩環二的光先經過傳感探頭二，然後通過輸出耦合器二，一部分光返回到輸入耦合器二，另一部分光輸出到光電轉換器；以此類推，通過輸入耦合器N的光，一部分光進入光纖衰蕩環N，先經過傳感探頭N，然後通過輸出耦合器N，一部分光返回到輸入耦合器N，一部分光輸出到光電轉換器。所有光纖衰蕩環通過並聯的形式形成分布式的傳感系統，當脈衝光進過分光比為 99 1的輸入耦合器一時，只有約的能量通過分流端進入光纖衰蕩環一，而大部分光會通過信號端傳輸，為後面的光纖衰蕩環二和光纖衰蕩環三提供傳感的光源。在光纖衰蕩環內部循環的脈衝光每次進過傳感探頭時，能量或其分布都會因為被測量的變化而改變，從而形成一系列衰減速度不同的衰蕩信號。所有光纖衰蕩環產生的衰蕩信號通過輸出耦合器返回光電檢測模塊，由於光在光纖中傳輸時會產生時延，所以不同光纖衰蕩環產生的衰蕩信號的返回時間不一樣，在時域上可以分開。這種結構可以實現時分復用的光纖傳感系統。本發明的有益效果是，利用光纖衰蕩環的結構特性組成時分復用的傳感系統，由於測量的結果只和衰蕩信號的衰減速度相關，不受光源輸出強度波動或傳輸衰減的影響。 由於光纖傳感技術的引入，光纖傳感頭可設計為無源器件，如光纖布喇格光柵、光纖微彎傳感器、氣體吸收氣室等，設置在遠離檢測系統的惡劣環境中工作；而且測量參量也從腔衰蕩光譜技術只能測量氣體吸收，擴展為可測量溫度、應變、壓力等。時分復用的光纖傳感系統實現多點測量，可降低單點測量的成本。


圖1是光纖衰蕩環時分復用傳感系統結構中1-光纖衰蕩環一，2-光纖衰蕩環二，η-光纖衰蕩環N，4-光源，5-光源驅動模塊，6-脈衝發生器，7-信號採集與處理器，8-光電轉換器，9-溫度控制器，11-輸入耦合器一，12-輸出耦合器一，13-傳感探頭一，21-輸入耦合器二，22-輸出耦合器二，23-傳感探頭二，nl-輸入耦合器N，n2-輸出耦合器N，n3-傳感探頭N。
具體實施例方式本發明的光纖衰蕩環時分復用傳感系統，如圖1所示，包括光纖衰蕩環一 1、光纖衰蕩環二 2、……光纖衰蕩環N η(其中N彡3的自然數)、光源4、光源驅動模塊5、脈衝發生器6、信號採集與處理器7、光電轉換器8和溫度控制模塊9 ；其中光纖衰蕩環一 1包括輸入耦合器一 11、輸出耦合器一 12和傳感探頭一 13，光纖衰蕩環二 2包括輸入耦合器二 21、 輸出耦合器二 22和傳感探頭二 23，光纖衰蕩環Nn包括輸入耦合器N nl、輸出耦合器N n2 和傳感探頭N n3 ；其光源驅動模塊5接收脈衝發生器6的脈衝信號控制光源4輸出光脈衝， 該脈衝光分別進入光纖衰蕩環一 1、光纖衰蕩環二 2、光纖衰蕩環N η變成衰蕩脈衝信號，然後依時間先後順序返回到光電轉換器8，信號採集與處理器7—邊連接脈衝發生器6獲得同步信號，另一邊連接光電轉換器8，對其輸出的電信號進行處理和儲存，溫度控制模塊9控制光源的工作溫度同時將工作溫度反饋給信號採集與處理器7。
光源4產生的脈衝光通過輸入耦合器一 11，一部分光進入光纖衰蕩環一 1，另一部分光傳輸到輸入耦合器二 21，進入光纖衰蕩環一 1的光先經過傳感探頭一 13，然後通過輸出耦合器一 12，一部分光返回到輸入耦合器一 11，另一部分光輸出到光電轉換器8;通過輸入耦合器二 21的光，一部分光進入光纖衰蕩環二 2，另一部分光傳輸到下一個光纖衰蕩環， 進入光纖衰蕩環二 2的光先經過傳感探頭二 23，然後通過輸出耦合器二 22，一部分光返回到輸入耦合器二 21，另一部分光輸出到光電轉換器8;以此類推，通過輸入耦合器N nl的光，一部分光進入光纖衰蕩環N n，先經過傳感探頭N π3，然後通過輸出耦合器N η2，一部分光返回到輸入耦合器N nl，一部分光輸出到光電轉換器8。以此類推。光源4是分布式反饋雷射器模塊驅動模塊，脈衝調製速度可以達到2. 488Gbits/ s。光源驅動模塊5是MAXIM公司提供的以MAX3736晶片為核心的控制電路，其調製速度可以達到3. 2Gbps。光電轉換器8是Menlo Systems公司的FPD310，響應頻率IMHz 1. 8GHz。 輸入耦合器一 11、輸入耦合器二 21、輸入耦合器N nl、輸出耦合器一 12、輸出耦合器二 22、 輸出耦合器N n2為分光比99 1的光纖耦合器。傳感探頭一 13、傳感探頭二 23、傳感探頭N η3是光纖布喇格光柵傳感器，或光纖微彎傳感器，或氣體吸收傳感器。
權利要求
1.一種光纖衰蕩環時分復用傳感系統，其特徵是它包含N個光纖衰蕩環、一個光源 G)、一個光源驅動模塊(5)、脈衝發生器(6)、信號採集與處理器(7)、光電轉換器(8)和溫度控制模塊(9)；其中每個光纖衰蕩環都包括一個輸入耦合器、一個輸出耦合器和一個傳感探頭；其光源驅動模塊( 接收脈衝發生器(6)的脈衝信號控制光源(4)輸出光脈衝，該脈衝光分別進入N個光纖衰蕩環的各個光纖衰蕩環變成衰蕩脈衝信號，然後依時間先後順序返回到光電轉換器(8)，其信號採集與處理器(7) —邊連接脈衝發生器(6)獲得同步信號，另一邊連接光電轉換器(8)，對其輸出的電信號進行處理和儲存，溫度控制模塊(9)控制光源的工作溫度同時將工作溫度反饋給信號採集與處理器(7)，其中N彡3的自然數。
2.根據權利要求1所述的光纖衰蕩環時分復用傳感系統，其特徵是光源(4)產生的脈衝光通過輸入耦合器一(11)，一部分光進入光纖衰蕩環一(1)，另一部分光傳輸到輸入耦合器二(21)，進入光纖衰蕩環一(1)的光先經過傳感探頭一(13)，然後通過輸出耦合器一(12)，一部分光返回到輸入耦合器一(11)，另一部分光輸出到光電轉換器(8)；通過輸入耦合器二的光，一部分光進入光纖衰蕩環二 O)，另一部分光傳輸到下一個光纖衰蕩環，進入光纖衰蕩環二( 的光先經過傳感探頭二(23)，然後通過輸出耦合器二(22)，一部分光返回到輸入耦合器二(21)，另一部分光輸出到光電轉換器(8)；以此類推，通過輸入耦合器N(nl)的光，一部分光進入光纖衰蕩環N(n)，先經過傳感探頭N(n3)，然後通過輸出耦合器N (n2)，一部分光返回到輸入耦合器N (nl)，一部分光輸出到光電轉換器(8)。
3.根據權利要求1中所述的光纖衰蕩環時分復用傳感系統，其特徵是光源(4)是分布式反饋雷射器模塊驅動模塊，脈衝調製速度可以達到2. 488Gbits/s0
4.根據權利要求1中所述的光纖衰蕩環時分復用傳感系統，其特徵是光源驅動模塊 (5)是以MAX3736晶片為核心的控制電路，其調製速度達到3. 2(ibpS。
5.根據權利要求1中所述的光纖衰蕩環時分復用傳感系統，其特徵是光電轉換器(8) 是FPD310，響應頻率IMHz 1. 8GHz。
6.根據權利要求1中所述的光纖衰蕩環時分復用傳感系統，其特徵是輸入耦合器一 (11)、輸入耦合器二(21)、輸入耦合器N(nl)、輸出耦合器一(12)、輸出耦合器二 0 和輸出耦合器N(n2)均為分光比99 1的光纖耦合器。
7.根據權利要求1中所述的光纖衰蕩環時分復用傳感系統，其特徵是傳感探頭一 (13)、傳感探頭二和傳感探頭N(M)是光纖布喇格光柵傳感器，或光纖微彎傳感器，或氣體吸收傳感器。
全文摘要
一種光纖衰蕩環時分復用傳感系統。該系統包括多個光纖衰蕩環、光源、光源驅動模塊、脈衝發生器、信號採集與處理器、光電轉換器和溫度控制模塊；其中光纖衰蕩環包括輸入耦合器、輸出耦合器和傳感探頭；其光源驅動模塊接收脈衝發生器的脈衝信號控制光源輸出光脈衝，該脈衝光分別進入各個光纖衰蕩環變成衰蕩脈衝信號，然後依時間先後順序返回到光電轉換器，信號採集與處理器一邊連接脈衝發生器獲得同步信號，另一邊連接光電轉換器，對其輸出的電信號進行處理和儲存，溫度控制模塊控制光源的工作溫度同時將工作溫度反饋給信號採集與處理器。本系統可實現惡劣環境中的，多點多參量實時測量。
文檔編號G01D5/36GK102494703SQ20111038524
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月29日 優先權日2011年11月29日
發明者範典 申請人:武漢理工大學