反射型保偏光纖溫度傳感器的製作方法

2023-12-11 15:33:52 1

專利名稱：反射型保偏光纖溫度傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種溫度傳感器，更特別的是指一種採用全光纖連接的反射型保偏光纖溫度傳感器。
背景技術：
保偏光纖是利用波導的形狀雙折射或應力雙折射來實現偏振保持的。現在廣泛採用施加應力來實現雙折射，即利用了一種熱膨脹係數比石英大的附加材料在光纖中產生應力。在製作應力型保偏光纖時，光纖預製棒是通過把兩個高濃度摻雜的石英棒(通常採用硼、磷或鋁)放置在芯區的兩邊而製成。在高溫下拉成光纖，光纖拉成後這兩個高摻雜棒在冷卻時收縮，但它們的熱收縮量受到周圍石英的影響，使高摻雜棒處於拉壓力下，通過反作用使光傳播所在的纖芯區產生應力沿兩個高摻雜棒的軸存在著一個拉應力作用，這個軸一般叫做慢軸；而沿與之正交的軸存在著一個壓應力作用，這個軸一般叫做快軸。圖1為三種常用的保偏光纖的斷面圖，圖中101為應力區，102為光纖芯，103為普通包層。在圖1(A)的「熊貓」型光纖中，高摻雜棒是圓的；在圖1(B)的「領結」型光纖中，高摻雜區域形狀象領結；在圖1(C)的「橢圓」型光纖中，應力包層是橢圓的。由於不同方向的應力不一樣，導致光纖斷面X方向的等效折射率neqx和Y方向的等效折射率neqy產生了等效折射率差Δnb＝neqx-neqy。其X方向傳輸常數為x=2neqx,]]>Y方向傳輸常數為y=2neqy,]]>λ為傳輸光波長。當這束光在保偏光纖中傳播時，將激起兩個傳輸常數βx和βy的傳播模式，它們在光纖中傳輸時，由於傳輸常數不一樣，隨著傳輸距離的增加，其相位差將增大，當這個相位差對應的光程差大於所用光源的相干長度時，這兩個模式將失去幹涉對比度，此時對應的傳輸光纖長度被定義為幹涉儀去相干長度。這種由傳輸常數差所產生的光程差對溫度敏感並成線性關係。

發明內容
本發明的目的是提供一種反射型保偏光纖溫度傳感器，所述傳感器是利用保偏光纖的兩偏振模式的傳輸係數差產生的光程差對溫度敏感性實現溫度的傳感，各光學器件採用全保偏光纖連接提高了傳感器的抗幹擾能力，同時測量精度優於0.01℃。
本發明的一種反射型保偏光纖溫度傳感器，由光源、光電探測器、光纖耦合器、起偏器、相位調製器、保偏光纜延遲環、保偏光纖、溫度傳感頭、鎖相放大器和信號發生電路構成，溫度傳感頭由傳感光纖和反射膜構成，反射膜鍍覆在傳感光纖的一端面上，傳感光纖的另一端與保偏光纖熔接；光源的尾纖與光電探測器的尾纖分別與光纖耦合器的兩根入纖熔接，耦合器的一根尾纖與起偏器的入纖熔接，起偏器的尾纖與相位調製器的入纖熔接，相位調製器的尾纖與保偏光纜延遲環的一端連接，保偏光纜延遲環的另一端與保偏光纖連接，保偏光纖的另一端與溫度傳感頭熔接，所述光電探測器的信號輸出端與鎖相放大器連接，所述信號發生電路輸出一次諧波信號給相位調製器，信號發生電路輸出二次諧波信號給鎖相放大器。
所述的反射型保偏光纖溫度傳感器，通過光電探測器輸出調製光電信號給鎖相放大器，所述調製光電信號經鎖相放大器處理後輸出調製波幅度VA，由所述調製波幅度VA得到被測溫度T=(arccos(VA-a1a2)-a3)/a4.]]>所述的反射型保偏光纖溫度傳感器，其起偏器的尾纖與相位調製器的入纖熔接形成一熔接點，所述熔接點的兩保偏光纖的主應力軸構成一夾角，所述夾角大於0°，小於90°；所述熔接點的兩保偏光纖的主應力軸構成的夾角角度優選為45°。其保偏光纖與溫度傳感頭的傳感光纖熔接形成一熔接點，所述熔接點的兩保偏光纖的主應力軸構成一夾角，所述夾角大於0°，小於90°，所述熔接點的兩保偏光纖的主應力軸構成的夾角角度優選為45°。
本發明與現有技術相比具有的優點是採用一種簡單的全保偏幹涉儀和由短尺寸的保偏光纖溫度傳感頭，利用保偏光纖的兩偏振模式的傳輸係數差產生的光程差對溫度敏感性實現溫度的傳感，同時採用成熟、通用的鎖相放大檢測技術進行信號檢測，實現了溫度的測量。由於這種幹涉儀具有很好的穩定性，因此這種方法具有很好的抗幹擾能力；由於採用相位檢測技術檢測精度高且測量動態範圍大、線性度好，因此本方法可實現高精度，優於0.01℃，和大範圍-200℃～+400℃的溫度測量。


圖1為三種常用的保偏光纖的斷面圖。
圖2是本發明溫度傳感器的結構示意圖。
圖3是本發明溫度傳感頭的結構示意圖。
圖中1.光源 2.耦合器 3.起偏器 4.光電探測器 5.相位調製器6.保偏光纜延遲環 7.保偏光纖 8.溫度傳感器 9.鎖相放大器10.信號發生電路 11.一次諧波信號 12.二次諧波信號 13.模擬量14.耦合器尾纖 15.熔接點 16.熔接點 17.反射膜 18.傳感光纖
具體實施例方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
請參見圖2所示，本發明是一種反射型保偏光纖溫度傳感器，由光源1、光纖耦合器2、起偏器3、光電探測器4、相位調製器5、保偏光纜延遲環6、保偏光纖7、溫度傳感頭8、鎖相放大器9和信號發生電路10構成，所述溫度傳感頭8由傳感光纖18和反射膜17構成，反射膜17鍍覆在傳感光纖18的一端面上，傳感光纖18的另一端與保偏光纖7熔接，傳感光纖18為雙折射保偏光纖；光源1的尾纖和光電探測器4的尾纖分別與光纖耦合器2的兩根入纖熔接，耦合器2的一根尾纖與起偏器3的入纖熔接，起偏器3的尾纖與相位調製器5的入纖熔接，相位調製器5的尾纖與保偏光纜延遲環6的一端連接，保偏光纜延遲環6的另一端與保偏光纖7連接，保偏光纖7的另一端與溫度傳感頭8熔接；信號發生電路10輸出一次諧波信號11給相位調製器5，信號發生電路10輸出二次諧波信號12給鎖相放大器9，光電探測器4的輸出端與鎖相放大器9連接。本發明中的光源1為寬譜光源，相位調製器5是PZT調製器或者光電調製器。
在本發明中溫度傳感頭8的傳感光纖18長度小於所用寬譜光源1相干長度的一半，寬譜光源1相干長度Lc＝譜寬/中心波長2，溫度傳感頭8的傳感光纖18長度優選為10mm～25mm。
在本發明中，溫度傳感頭8、保偏光纜延遲環6、相位調製器5、起偏器3、光纖耦合器2、光源1和光電探測器4構成了一個光纖幹涉儀，所述光纖幹涉儀是一個保偏光纖幹涉儀，各光學器件的連接為全光纖連接。
光電探測器4為普通的探測器組件；信號發生電路10和鎖相放大器9都可採用一般常用的電路或者採用儀器表來實現此功能，如採用Tek公司的AFG310型信號發生器和Standford公司的SR830型鎖相放大器，信號發生電路10和鎖相放大器9的輸入輸出均為帶屏蔽的信號電纜。本發明傳感器經鎖相放大器9輸出為模擬量13，但可以通過模數轉換為數字量。
在本發明中，信號發生電路10輸出給相位調製器5的一次諧波信號11是正弦調製波；信號發生電路10輸出給鎖相放大器9的二次諧波信號12為鎖相放大器9的參考信號。
本發明的反射型保偏光纖溫度傳感器，其光的走向為(請參見圖2所示)寬譜光源1發出的光進入光纖耦合器2後被分為兩束相等的光，一部分光進入起偏器3，另一部分從光纖耦合器2的尾纖14射出，進入起偏器3的光經起偏轉變為線偏振光後並沿保偏光纖主偏振軸傳輸。起偏器3的尾纖與相位調製器5的入纖熔接，熔接點16的兩保偏光纖(起偏器3的尾纖和相位調製器5的入纖)的主應力軸成一夾角，該夾角大於0°，小於90°，優選值為45度，沿保偏光纖的主軸傳輸的光經過熔接點16後出現偏振模式耦合，激起兩傳輸常數βx和βy的傳播模式，這兩個模式在保偏光纖中傳輸，經過PZT光纖相位調製器5調製後，再經過保偏光纖延遲環6和保偏光纖7到達溫度傳感頭8(溫度傳感頭8的結構請參見如圖3所示)，溫度傳感頭8由傳感光纖18和反射膜17構成，反射膜17鍍覆在傳感光纖18一端面上，使傳感光纖18形成的一種保偏光纖反射器。在保偏光纖7與溫度傳感頭8熔接形成的熔接點15，熔接點15的兩保偏光纖(保偏光纖7與傳感光纖18)的主應力軸成一夾角，該夾角大於0°，小於90°，優選為45度。在熔接點15，再次出現偏振模式耦合，所有的傳輸模式光在反射膜17的反射面處反射，並沿傳感光纖18、保偏光纖7、保偏光纖延遲環6、PZT調製器5、起偏器3和光纖耦合器2進入探測器4。
進入探測器4的反射光信號經轉換輸出光電流信號給鎖相放大器9，當在PZT調製器5上加載頻率為ωm的正弦調製波，則光電探測器4輸出的光電流為I＝K·γ(δ)·(1+cos(δ))·(1+cos(φmsin(ωmt)))(1)式(1)中，k為入射到光電探測器4上的光強電信號的常係數，γ(δ)為寬譜光源1的相干度函數，φm為調製係數，ωm為加載頻率，δ為相位差。
相位差δ是由溫度變化引起的，則相位差δ為δ＝L·(βx-βy)＝L·Δβ (2)式(2)中，L為溫度傳感頭8中傳感光纖18的長度，βx為光在X方向上的傳輸常數，βy為光在y方向上的傳輸常數，Δβ為傳輸常數βx和βy的差。
在傳感光纖18(傳感光纖18為保偏光纖)中Δβ＝βx-βy在溫度-200℃～+400℃的範圍內與被測量物體溫度成線性比例關係，其係數約為10-3，符號為負。傳感光纖18長度與溫度成正比，係數約為10-6，與C1相比可以忽略，設被測物體溫度為T，Δβ和傳感光纖18長度L的溫度係數分別為C1和C2，溫度傳感頭8在溫度T0時的長度為L0，則Δβ的初始值為Δβ0，由式(2)有相位差δ＝Δβ0L0[1+C1(T-T0)][1+C2(T-T0)]，若忽略二階小量和小係數，可得到被測物體溫度T＝A·δ+B，其中A＝1/Δβ0L0C1，B＝(C1T0-1)/C1。
當用Bessel函數將式(1)展開後，可發現所有的諧波分量都攜帶VA的信息，其中，信號發生電路10輸出的二次諧波信號12最強，而且對其它幹擾位相不敏感，在本項發明中，選取二次諧波信號12的幅度作為檢測對象。如圖2所示，光電探測器4輸出光電電流信號給鎖相放大器9，信號發生電路10輸出的一次諧波信號11用於PZT相位調製器5的相位調製，信號發生電路10輸出的二次諧波信號12作為參考信號輸出給鎖相放大器9。鎖相放大器9輸出的溫度值如式(3)所描述VA＝K·γ(δ)·(1+cos(δ)) (3)VA與相位差δ直接相關，測出VA後，根據式(2)可得到相位差δ的值，進而測得溫度值。因此信號檢測的目的在於檢測式(1)描述的信號的幅值。從式(3)可以看出，當有溫度場通過接觸或輻射作用在溫度傳感頭8上時，在光纖幹涉儀中將產生比例於溫度的非互易位相變化，通過信號檢測可測出位相變化，通過模型變換便可得到測量的溫度值，這個模型為T=(arccos(VA-a1a2)-a3)/a4---(4)]]>式(4)中a1，a2，a3和a4為模型參數，可通過溫度標定得到。其中的運算功能已有通用的技術，當需要模擬信號輸出時，可採用模擬電路實現，需要數字輸出時，可通過數字計算得到。
本發明的反射型保偏光纖溫度傳感器，是採用一種簡單的全保偏幹涉儀和由短尺寸的保偏光纖溫度傳感頭(即溫度傳感頭8)，利用保偏光纖(即兩根光纖熔接產生的熔點)的兩偏振模式的傳輸係數差產生的光程差對溫度敏感性實現溫度的傳感，同時採用成熟、通用的鎖相放大檢測技術進行信號檢測，實現了溫度的測量。由於本發明的光纖幹涉儀具有較高的穩定性，使溫度傳感器具有較強的抗幹擾能力；由於採用相位檢測技術檢測精度高且測量動態範圍大、線性度好，因此本發明的溫度傳感器可以實現高精度即優於0.01℃和大範圍-200℃～+400℃的溫度測量。
權利要求
1.一種反射型保偏光纖溫度傳感器，包括光源(1)、光電探測器(4)、相位調製器(5)、信號發生電路(10)，其特徵在於還包括光纖耦合器(2)、起偏器(3)、保偏光纜延遲環(6)、保偏光纖(7)、溫度傳感頭(8)和鎖相放大器(9)組成；所述溫度傳感頭(8)由傳感光纖(18)和反射膜(17)構成，反射膜(17)鍍覆在傳感光纖(18)的一端面上，傳感光纖(18)的另一端與保偏光纖(7)熔接；光源(1)的尾纖與光電探測器(4)的尾纖分別與光纖耦合器(2)的兩根入纖熔接，耦合器(2)的一根尾纖與起偏器(3)的入纖熔接，起偏器(3)的尾纖與相位調製器(5)的入纖熔接，相位調製器(5)的尾纖與保偏光纜延遲環(6)的一端連接，保偏光纜延遲環(6)的另一端與保偏光纖(7)連接，保偏光纖(7)的另一端與溫度傳感頭(8)熔接，所述光電探測器(4)的信號輸出端與鎖相放大器(9)連接，所述信號發生電路(10)輸出一次諧波信號(11)給相位調製器(5)，信號發生電路(10)輸出二次諧波信號(12)給鎖相放大器(9)。
2.根據權利要求1所述的反射型保偏光纖溫度傳感器，其特徵在於所述光電探測器(4)輸出調製光電信號給鎖相放大器(9)，所述調製光電信號經鎖相放大器(9)處理後輸出調製波幅度VA，由所述調製波幅度VA得到被測溫度T=(arccos(VA-a1a2)-a3)/a4.]]>
3.根據權利要求1所述的反射型保偏光纖溫度傳感器，其特徵在於信號發生電路(10)輸出給相位調製器(5)的一次諧波信號(11)是正弦調製波；信號發生電路(10)輸出給鎖相放大器(9)的二次諧波信號(12)為鎖相放大器(9)的參考信號。
4.根據權利要求1所述的反射型保偏光纖溫度傳感器，其特徵在於溫度傳感頭(8)中的傳感光纖(18)為應力型雙折射保偏光纖。
5.根據權利要求1所述的反射型保偏光纖溫度傳感器，其特徵在於起偏器(3)的尾纖與相位調製器(5)的入纖熔接形成一熔接點(16)，所述熔接點(16)的兩保偏光纖的主應力軸構成一夾角，所述夾角大於0°，小於90°；所述熔接點(16)的兩保偏光纖的主應力軸構成的夾角角度優選為45°。
6.根據權利要求1所述的反射型保偏光纖溫度傳感器，其特徵在於保偏光纖(7)與溫度傳感頭(8)的傳感光纖(18)熔接形成一熔接點(15)，所述熔接點(15)的兩保偏光纖的主應力軸構成一夾角，所述夾角大於0°，小於90°，所述熔接點(15)的兩保偏光纖的主應力軸構成的夾角角度優選為45°。
7.根據權利要求1所述的反射型保偏光纖溫度傳感器，其特徵在於溫度傳感頭(8)的傳感光纖(18)長度小於光源(1)相干長度的一半，優選傳感光纖(18)的長度為10mm～25mm。
8.根據權利要求1所述的反射型保偏光纖溫度傳感器，其特徵在於溫度測量範圍為-200℃～+400℃，溫度測量精度優於0.01℃。
全文摘要
本發明公開了一種反射型保偏光纖溫度傳感器，溫度傳感頭的傳感光纖端面鍍覆有反射膜，光源的尾纖與光電探測器的尾纖分別與光纖耦合器的兩根入纖熔接，耦合器的一根尾纖與起偏器的入纖熔接，起偏器的尾纖與相位調製器的入纖熔接，相位調製器的尾纖與保偏光纜延遲環的一端連接，保偏光纜延遲環的另一端與保偏光纖連接，保偏光纖的另一端與溫度傳感頭熔接，光電探測器的信號輸出端與鎖相放大器連接，信號發生電路輸出一次諧波信號給相位調製器，信號發生電路輸出二次諧波信號給鎖相放大器。本發明反射型保偏光纖溫度傳感器利用保偏光纖的兩偏振模式的傳輸係數差產生的光程差對溫度敏感性實現溫度的傳感，通過對鎖相放大器輸出的調製波幅度V
文檔編號G01K11/00GK1687725SQ20051007506
公開日2005年10月26日 申請日期2005年6月8日 優先權日2005年6月8日
發明者楊遠洪, 沈銘 申請人:北京航空航天大學