一種分布式傳感光纖及其製備裝置和方法

2023-05-15 22:26:36

專利名稱：一種分布式傳感光纖及其製備裝置和方法
技術領域：
本發明涉及光纖製備和傳感技術領域，這種弱布拉格反射周期結構光纖可作為分 布式傳感的檢測載體，不僅可以提高傳感的測量範圍，而且分布式傳感的距離和密集度都 可以得到質的提高。
背景技術：
近年來，分布式光纖傳感(DOFS)受到人們越來越多的關注，已經成為目前國際上 研究的熱點。在目前的分布式光纖傳感技術中，準分布式光纖布拉格光柵(FBG)復用技術 源於自身對溫度、應力、壓力及振動等外界參量的高靈敏度傳感功能，同時又具有體積小、 動態區間寬、可靠性高等突出優點，成為目前光纖傳感領域內最有力的競爭者，在許多工業 和工程領域特別是惡劣環境或超大型的結構中有廣泛的應用。在傳統的光柵復用傳感系統中，大多採用單個高反射非同光柵單元熔融焊接的波 分復用方法，系統損耗較大，光纖中各光柵單元佔用一定的運行帶寬和測量帶寬，彼此間不 能交疊，因此光柵復用數目受到寬帶光源譜寬限制，一個陣列一般只能復用10個左右的光 柵，不適於長距離檢測；還有一種全同光柵復用技術，理論上復用數目不受光源帶寬限制， 但是由於傳感光柵對特定波長完全反射，當出現兩個或兩個以上光柵的中心波長完全一致 時，入射光完全被第一個光柵反射，後面光柵的信息都會丟失，實質上復用數目仍然有限。目前光纖布拉格光柵的製作，是根據光敏光纖在193nmJMnm、33^m和351nm等 紫外波長處有較強吸收峰的性質，使用紫外光經過相位掩模板掃描光纖，形成折射率周期 變化結構的，但在刻寫光柵前需要先剝除光纖塗覆層，光敏光纖在紫外光照射成柵後需二 次塗覆，製備成本高，且性能及穩定性下降。同時，傳統光纖布拉格光柵的製備裝置只針對單個光柵設計，每次只能刻寫一個 光纖光柵，而沒有傳動裝置。分布式傳感光柵光纖是將多個製備好的光柵通過延遲光纖依 次串接而成。這種方法有以下缺點首先每個光柵要單獨製備，難以保證刻寫條件的一致 性，因此各個光柵單元的全同性難以達到。其次大量光柵串接的工藝實現較複雜，而且因光 纖熔接帶來的傳輸損耗較大，因此傳感距離和復用容量受到限制。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對現有的分布式光纖傳感技術存在的問題，提 出一種新穎的分布式傳感光纖及其在線製備裝置及方法，這種光纖作為分布式傳感的檢測 載體，可有效地提高傳感測量範圍，增大傳感的距離和密集度。本發明解決其技術問題採用以下的技術方案一種分布式傳感光纖，外層為紫外透明塗覆層，內層為光纖纖芯；光纖纖芯上每相隔一 段延遲光纖，連續分布著複數個物理結構和光學特性完全相同的弱布拉格反射周期結構。所述的光纖，紫外透明塗覆層對波長為355nm的紫外光透明。分布式傳感光纖的製備裝置，包括帶有光纖夾具的第一光纖移動控制臺、第二光纖移動控制臺、第一電動控制器和第二電動控制器；第一電動控制器接至第一光纖移動控 制臺，第二電動控制器接至第二光纖移動控制臺，分布式傳感光纖夾持在第一光纖移動控 制臺和第二光纖移動控制臺的光纖夾具上；分布式傳感光纖在第一光纖移動控制臺和第二 光纖移動控制臺之間的部分平行設置有相位掩模板，相位掩模板的外側還設有發射紫外光 的一維電動平移臺，第二光纖移動控制臺的外側還設有與制好後的分布式傳感光纖相連的 光纖絞盤機。所述的製備裝置，在分布式傳感光纖的首端設有可調諧雷射器，分布式傳感光纖 的尾端設有光譜儀。所述的製備裝置，分布式傳感光纖在第一光纖移動控制臺和第二光纖移動控制臺 之間的部分接有光纖應力控制器。分布式傳感光纖的製備方法，分布式傳感光纖固定在第一光纖移動控制臺和第二 光纖移動控制臺之間，由光纖應力控制器拉緊分布式傳感光纖並保證整個製備過程中分 布式傳感光纖始終受到同樣的拉力作用；紫外光經過相位掩模板照射到分布式傳感光纖固 定在第一光纖移動控制臺和第二光纖移動控制臺之間的部分上，然後透過對紫外光透明的 塗覆層聚焦在分布式傳感光纖的纖芯上；一維電動平移臺控制紫外光沿分布式傳感光纖的 方向移動，在光纖纖芯上形成折射率周期性分布的結構，即製得弱布拉格反射周期結構，同 時，可調諧雷射器發出波長不斷變化的光波輸入分布式傳感光纖光纖中，經過弱布拉格反 射周期結構透射的光波從分布式傳感光纖輸出至光譜儀，觀察光譜儀上的光譜即可在線監 測製備的弱布拉格反射周期結構的質量和性能；完成一個弱布拉格反射周期結構刻寫後， 第一電動控制器和第二電動控制器分別控制第一光纖移動控制臺和第二光纖移動控制臺 的移動構成光纖連續傳感裝置，並與光纖絞盤機同步運動工作，拉動完成弱布拉格反射周 期結構刻寫的光纖段繞到光纖盤上，同時新的光纖段被拉動至紫外光掃描區域，再次重複 以上過程完成下一個弱布拉格反射周期結構的刻寫，如此重複多次之後，完成整個分布式 傳感光纖的在線製備。該發明與現有技術相比，具有以下主要優點其一，全同弱布拉格反射周期結構的分布式傳感光纖使光源整個帶寬可以全部提供給 分布式光纖沿線的任意周期結構，一方面可以大大提高傳感的測量範圍，另一方面分布式 傳感的距離和密集度都可以得到質的提高。其二，弱布拉格反射周期結構的反射率和中心波長由折射率調製強度和周期結構 長度決定，可以根據應用要求靈活設計。其三，在線製備的光纖採用紫外透明塗覆層，在刻寫弱布拉格反射周期結構時無 需剝除光纖塗覆層，減少了製作完成後要立即進行二次塗覆的工藝複雜性和造成的光學特 性不穩定性，大大簡化了製作過程，降低了成本，具有較好的可實現性、穩定性和可重複性。其四，分布式傳感光纖上的各周期結構式是在相同條件下線連續在線製備的，既 能保證穩定性和全同性，又能消除多個獨立周期結構單元串接構成分布式光纖時的熔接損 耗，有利於光纖傳感長度和復用容量的提高。


圖1是本發明的分布式傳感光纖結構設計示意圖。圖中1.紫外透明塗覆層；2.弱布拉格反射周期結構；3.傳感光纖；4.延遲光纖。圖2是本發明的分布式傳感光纖的在線製備裝置示意圖。圖中3.傳感光纖； 5.紫外光；6.第一光纖移動控制臺；7.第二光纖移動控制臺；8.第一電動控制器；9.第 二電動控制器；10.光纖應力控制器；11.電動平移臺；12.相位掩模板；13.光纖絞盤機； 14.可調諧雷射器；15.光譜儀。
具體實施例方式本發明提供了分布式傳感光纖的結構設計、製備方法及裝置。本發明提供一種特殊的分布式傳感光纖的結構設計。這種光纖上間隔一定距離地 連續分布著一系列物理結構和光學特性完全相同的弱布拉格反射周期結構。這種結構的物 理實質是光纖纖芯折射率呈周期性分布，折射率調製深度和長度可靈活設計。這種結構的 光學特性表現為能夠對某個波長反射，而對其他波長全部透射，但又與布拉格光柵的強反 射不同，它的傳輸特性是一種窄帶寬弱反射，因此我們稱之為「弱布拉格反射周期結構」。當 信號光入射光纖纖芯，到達弱布拉格反射周期結構位置時，其中較微弱的一部分光被中心 波長與信號光波長一致的周期結構反射，剩下的大部分光繼續向前傳輸直至到達下一個周 期結構位置。這些結構對外界參量例如溫度、應力變化具有敏感特性，可以作為傳感單元。 因此整根光纖表現為能夠對光纖沿線的外界參量進行分布式感知檢測，因此稱為「分布式 傳感光纖」。本發明提供一種連續內刻弱布拉格反射周期結構的分布式傳感光纖的在線製備 方法，其特徵是以塗覆層對355nm波長紫外光透明的光纖作為載體，不用事先去掉光纖塗 覆層，而採用紫外光透過相位掩模板直接照射光纖，在光纖纖芯上形成折射率周期調製，從 而完成弱布拉格反射周期結構的刻寫。同時，採用連續傳動裝置將刻寫好的光纖段移動並 繞到光纖盤上，重複紫外刻寫過程在下一段光纖上刻寫下一個相同的弱布拉格反射周期結 構。如此不斷重複上述過程，完成整根分布式傳感光纖的在線製備。整個製備過程中，周期 結構刻寫裝置保持不動，僅光纖移動，而光纖受到的拉應力由應力控制器控制保持恆定，室 內溫度保持恆定；同時可調諧雷射器和光譜儀構成檢測裝置，實時在線監測刻寫的周期結 構的質量和性能，因此能夠保證製備過程中各周期結構的穩定性和全同性。本發明提供一種連續內刻弱布拉格反射周期結構的分布式傳感光纖的在線製備 裝置，包括載體光纖、紫外光、兩個帶有光纖夾具的平移臺、兩個電動馬達、光纖應力控制 器、一維電動平移臺、相位掩模板、光纖絞盤機、可調諧雷射器和光譜儀等構成。分布式傳感光纖的結構如圖1所示這種光纖基於塗覆層對355nm波長紫外光透 明的載體光纖設計，其上間隔一定延遲光纖、連續分布著一系列物理結構和光學特性完全 相同的弱布拉格反射周期結構。這種結構的物理實質是光纖纖芯折射率呈周期性分布，折 射率調製深度和長度可靈活設計。這種結構的光學特性表現為，對入射的寬帶光(Pin)中某 個波長反射(Ps)，而對其他波長全部透射(Pt)，但又與布拉格光柵的強反射不同，它的傳輸 特性是一種窄帶寬弱反射，因此我們稱之為「弱布拉格反射周期結構」。當信號光入射光纖， 到達弱布拉格反射周期結構位置時，其中較微弱的一部分光被中心波長與信號光波長一致 的周期結構反射，剩下的大部分光繼續向前傳輸直至到達下一個周期結構位置。這些結構 對外界參量例如溫度、應力變化具有敏感特性，可以作為傳感單元。因此整根光纖表現為能5其中， 為耦合係數，L為柵區長度，An為光纖光柵中纖芯的折射率調製幅度，Λ為光 柵的周期，^5f為光纖中傳播模式的有效折射率^力Bragg (布拉格)中心波長。 根據公式(1)、(2)，可以通過改變折射率調製強度和調製區長度設計不同中心波 長和反射率的弱布拉格反射周期結構。採用弱光敏性光纖和長相位模板製作特定反射率、 帶寬的布拉格反射周期結構是完全可行的。通過理論分析計算可以得到紫外光照的強度和 掃描刻寫的長度，並製作出反射率弱於1%的弱布拉格反射周期結構。如圖2所示，分布式傳感光纖在線製備裝置的構成如下待刻寫光纖部分的兩端 由兩個光纖平移臺上的光纖夾具固定，調節光纖與相位掩模板平行放置。兩個電動馬達分 別與兩個光纖平移臺相連，電動馬達控制光纖平移臺沿光纖方向移動。光纖在兩個光纖平 移臺之間的部分安裝在光纖應力控制器上，控制光纖製備過程中光纖受到的應力大小。紫 外光放置在一維電動平移臺上，通過電動平移臺的運動控制紫外光沿光纖方向移動。製備 好的分布式傳感光纖由光纖絞盤機拉動並繞纖成盤。可調諧雷射器與光纖的一端相連，光 譜儀與光纖的另一端相連，用於監測製備的分布式傳感光纖的質量和性能。採用圖2所示的在線製備裝置製作分布式傳感光纖的製作方法是光纖的待刻寫 部分固定在2個光纖平移臺之間，由光纖應力控制器拉緊光纖並保證整個製備過程中光纖 受到恆定的拉力作用。紫外光經過相位掩模板照射到光纖待刻寫部分上，然後透過對紫外 光透明的塗覆層聚焦在光纖的纖芯上。一維電動平移臺控制紫外光沿光纖方向從左向右移 動，在纖芯上形成折射率周期性分布的結構，即弱布拉格反射周期結構。完成一個弱布拉格 反射周期結構刻寫後，2個電動馬達分別控制對應的光纖平移臺移動，構成光纖連續傳感裝 置，並和光纖絞盤機同步運動工作，拉動完成刻寫的光纖段繞到光纖盤上，同時新的待刻寫 光纖段被拉動至紫外光掃描區域，再次重複以上過程完成下一個弱布拉格反射周期結構的 刻寫。如此過程重複多次之後，完成整個分布式傳感光纖的在線製備。在整個製備過程中， 周期結構刻寫裝置保持不動，僅光纖移動，而光纖受到的拉應力由應力控制器控制保持恆 定，室內溫度保持恆定，能夠保證製備過程中各周期結構的穩定性和全同性。同時，可調諧 雷射器發出波長不斷變化的光波輸入光纖中，經過弱布拉格反射周期結構透射的光波從光 纖輸出至光譜儀，觀察光譜儀上的光譜即可在線監測製備的弱布拉格反射周期結構的質量 和性能。下面結合附圖進一步詳述本發明。分布式傳感光纖是在塗覆層1對波長為355nm的紫外光5透明的光纖3上連續分 布著一系列弱布拉格反射周期結構2。這些結構2的物理結構和光學特性完全相同，在光纖 3上順序排列，相鄰結構之間相隔一段延遲光纖4。這些結構2對外界參量例如溫度、應力6CN 102053303 A說明書4/6 頁夠對光纖沿線的外界參量進行分布式感知檢測，因此稱為「分布式傳感光纖」。 根據耦合波理論和傳輸矩陣分析方法，光纖布拉格光柵的中心波長反射率i 和帶寬AJ由折射率調製強度和光柵長度決定，即R = tanh2 (c L)(1)變化具有敏感特性，可以作為傳感單元。弱布拉格反射周期結構2，其特徵是物理結構上表現為光纖3纖芯的折射率呈周 期性分布，且折射率調製深度較低，周期性分布結構長度較長。這種結構2對通過光纖入射 的光波具有特定的反射特性，這種反射特性表現為對特定波長範圍內的光反射，而對其他 波長光全部透射，而且反射率低，反射帶寬窄，即對中心波長附近很小的範圍有極低的反射率。多個弱布拉格反射周期結構2直接在光纖3上連續刻寫得到，相鄰弱布拉格反射 周期結構2之間沒有光纖連接的熔接點，弱布拉格反射周期結構2與延遲光纖4之間也沒 有光纖連接的熔接點。分布式傳感光纖的在線製備裝置，包括光纖3，紫外光5，兩個帶有光纖夾具的第 一、第二光纖移動控制臺6、7，第一、第二電動控制器8、9，光纖應力控制器10，一維電動平 移臺11，相位掩模板12，光纖絞盤機13，可調諧雷射器14，以及光譜儀15。所述的分布式傳感光纖在線製備裝置，光纖3由第一、第二光纖移動控制臺6、7上 的光纖夾具固定，與相位掩模板12平行放置。第一電動控制器8與第一光纖移動控制臺6 相連，第二電動控制器9與第二光纖移動控制臺7相連，電動控制器控制相應光纖移動控制 臺沿光纖3方向移動。光纖3在第一光纖移動控制臺6和第二光纖移動控制臺7之間的部 分安裝在光纖應力控制器10上，控制光纖製備過程中光纖受到的應力大小。紫外光5放置 在一維電動平移臺11上，通過電動平移臺11的運動控制紫外光5沿光纖3方向移動。制 備好的分布式傳感光纖3由光纖絞盤機12繞纖成盤。可調諧雷射器14與光纖3的一端相 連，光譜儀15與光纖3的另一端相連，用於監測製備的分布式傳感光纖3的性能。分布式傳感光纖的在線製備方法是光纖3固定在第一光纖移動控制臺6和第二 光纖移動控制臺7之間，由光纖應力控制器10拉緊光纖3並保證整個製備過程中光纖3 始終受到同樣的拉力作用。紫外光5經過相位掩模板12照射到光纖3固定在第一光纖移 動控制臺6和第二光纖移動控制臺7之間的部分上，然後透過對紫外光5透明的塗覆層1 聚焦在光纖3的纖芯上。一維電動平移臺11控制紫外光5沿光纖3方向從左向右移動，在 纖芯上形成折射率周期性分布的結構，即弱布拉格反射周期結構2。同時，可調諧雷射器14 發出波長不斷變化的光波輸入光纖3中，經過弱布拉格反射周期結構2透射的光波從光纖 3輸出至光譜儀(15)，觀察光譜儀15上的光譜即可在線監測製備的弱布拉格反射周期結構 2的質量和性能。完成一個弱布拉格反射周期結構2刻寫後，第一、第二電動控制器8、9分 別控制第一、第二光纖移動控制臺6、7移動構成光纖連續傳感裝置，和光纖絞盤機13同步 運動工作，拉動完成弱布拉格反射周期結構2刻寫的光纖段繞到光纖盤上，同時新的光纖 段被拉動至紫外光掃描區域，再次重複以上過程完成下一個弱布拉格反射周期結構2的刻 寫。如此重複多次之後，完成整個分布式傳感光纖的在線製備。上述實施方式僅限於對本發明的進一步說明，並不構成對本發明技術方案的限定。該分布式傳感光纖上連續分布著一系列完全相同的弱布拉格反射周期結構，對外 界參量例如溫度、應力變化具有敏感特性，其光波傳輸特性類似於光纖中的非線性後向散 射，但反射光功率比一般散射高出6-7個數量級，因此能夠實現長距離、高精度檢測。該分布式傳感光纖基於塗覆層對355nm波長紫外光透明的光纖製備，通過紫外光直接照射在光纖上在線刻寫弱布拉格反射周期結構作為傳感單元，並通過連續傳動裝置完 成整根光纖上一系列弱布拉格反射周期結構的製備。這種方法大大簡化了分布式傳感光纖 的製作過程，具有較好的可實現性、穩定性和可重複性。
權利要求
1.一種分布式傳感光纖，其特徵在於其外層為紫外透明塗覆層(1)，內層為光纖纖 芯；光纖纖芯上每相隔一段延遲光纖(4)，連續分布著複數個物理結構和光學特性完全相 同的弱布拉格反射周期結構(2)。
2.根據權利要求1所述的光纖，其特徵在於紫外透明塗覆層(1)對波長為355nm的紫 外光透明。
3.分布式傳感光纖的製備裝置，其特徵在於其包括帶有光纖夾具的第一光纖移動控 制臺(6)、第二光纖移動控制臺(7)、第一電動控制器(8)和第二電動控制器(9)；第一電動 控制器(8)接至第一光纖移動控制臺(6)，第二電動控制器(9)接至第二光纖移動控制臺 (7)，分布式傳感光纖(3)夾持在第一光纖移動控制臺(6)和第二光纖移動控制臺(7)的光 纖夾具上；分布式傳感光纖(3)在第一光纖移動控制臺(6)和第二光纖移動控制臺(7)之間 的部分平行設置有相位掩模板(12)，相位掩模板(12)的外側還設有發射紫外光的一維電 動平移臺(11)，第二光纖移動控制臺(7)的外側還設有與制好後的分布式傳感光纖(3)相 連的光纖絞盤機(13)。
4.根據權利要求3所述的製備裝置，其特徵在於在分布式傳感光纖(3)的首端設有可 調諧雷射器(14)，分布式傳感光纖(3)的尾端設有光譜儀(15)。
5.根據權利要求3所述的製備裝置，其特徵在於分布式傳感光纖(3)在第一光纖移動 控制臺(6)和第二光纖移動控制臺(7)之間的部分接有光纖應力控制器(10)。
6.分布式傳感光纖的製備方法，其特徵在於分布式傳感光纖(3)固定在第一光纖移 動控制臺(6)和第二光纖移動控制臺(7)之間，由光纖應力控制器(10)拉緊分布式傳感光 纖(3)並保證整個製備過程中分布式傳感光纖(3)始終受到同樣的拉力作用；紫外光經過 相位掩模板(12)照射到分布式傳感光纖(3)固定在第一光纖移動控制臺(6)和第二光纖 移動控制臺(7)之間的部分上，然後透過對紫外光透明的塗覆層(1)聚焦在分布式傳感光 纖(3)的纖芯上；一維電動平移臺(11)控制紫外光沿分布式傳感光纖(3)的方向移動，在 光纖纖芯上形成折射率周期性分布的結構，即製得弱布拉格反射周期結構(2)，同時，可調 諧雷射器(14)發出波長不斷變化的光波輸入分布式傳感光纖光纖(3)中，經過弱布拉格反 射周期結構(2)透射的光波從分布式傳感光纖(3)輸出至光譜儀(15)，觀察光譜儀(15)上 的光譜即可在線監測製備的弱布拉格反射周期結構(2)的質量和性能；完成一個弱布拉格 反射周期結構(2)刻寫後，第一電動控制器(8)和第二電動控制器(9)分別控制第一光纖移 動控制臺(6)和第二光纖移動控制臺(7)的移動構成光纖連續傳感裝置，並與光纖絞盤機 (13)同步運動工作，拉動完成弱布拉格反射周期結構(2)刻寫的光纖段繞到光纖盤上，同時 新的光纖段被拉動至紫外光掃描區域，再次重複以上過程完成下一個弱布拉格反射周期結 構(2)的刻寫，如此重複多次之後，完成整個分布式傳感光纖(3)的在線製備。
全文摘要
本發明公開了一種分布式傳感光纖及其製備裝置和方法。本發明的分布式傳感光纖的外層為紫外透明塗覆層(1)，內層為光纖纖芯；光纖纖芯上每相隔一段延遲光纖(4)，連續分布著複數個物理結構和光學特性完全相同的弱布拉格反射周期結構(2)。本發明的這種光纖作為分布式傳感的檢測載體，可有效地提高傳感測量範圍，增大傳感的距離和密集度。
文檔編號G01D5/26GK102053303SQ20101059033
公開日2011年5月11日 申請日期2010年12月16日 優先權日2010年12月16日
發明者劉德明, 孫琪真, 張滿亮, 李曉磊, 沃江海, 王梓 申請人:華中科技大學