一种消除光纤、光缆末端反射光噪声的装置及方法与流程

本发明涉及光纤滤波技术领域，具体涉及一种消除光纤末端反射光噪声的装置。

背景技术：

光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等发生改变时，其传光特性会发生变化，通过测量光纤中的光相位或光强的变化，就可以推算出被测物理量的变化，利用这一特性制成的传感器被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为基准光路和测量光路，外界参数(温度、压力、振动等)引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压力等外界物理量信息。现有技术中对于应用在敏感元件型或功能型光纤传感器内的光纤，通常将光信号发射端与光信号检测端设置在光纤的同一端，但对于光纤的另一端仅作出简单的断面固定处理，甚至不加处理；实际使用中，从光信号检测端捕获到的反馈光信号中极易出现干扰测量结果的光噪信号，这些光噪信号一定程度上会影响光纤传感器的测量精度；为克服这一缺陷，现有技术中采用牺牲测量精度的手段来掩盖这一技术缺陷，但这一技术缺陷的存在时刻制约着光纤传感器在精密测量领域内的应用空间，对光纤传感器未来的应用前景亦造成了不良影响。

经研究发现，上述光噪信号主要来源于光纤末端的端面反射，因此研发一款消除光纤末端反射光噪声的装置，从光噪信号的源头入手，消除光噪声，提高光纤传感器的信号灵敏度，以克服上述技术缺陷成为一种必需。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种消除光纤、光缆末端反射光噪声的装置及方法，具有：能有效滤除光纤、光缆端面反射光噪声信号的技术优点，将其应用在光纤传感器内能够大幅提升光纤传感器的信号敏感度。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一方面，本发明提供一种消除光纤末端反射光噪声的装置，包括：一端封闭的遮光罩筒和固热化双组分环氧树脂胶；所述遮光罩筒内饱和填充所述固热化双组分环氧树脂胶后，胶粘在光纤的末端；所述光纤位于所述遮光罩筒内的端面与所述遮光罩筒的内壁及筒底之间填充有所述固热化双组分环氧树脂胶。

在优选的实施方案中，所述固热化双组分环氧树脂胶为353ND。

在优选的实施方案中，所述遮光罩筒内胶粘的光纤的根数为多根。

另一方面，本发明还提供一种包含如前所述的消除光纤末端反射光噪声的装置的消除光缆末端反射光噪声的装置，其结构还进一步包括快速粘接剂和一端封闭的保护罩筒；所述保护罩筒内饱和填充所述快速粘接剂后，胶粘在光缆的末端；所述光缆末端所包含的光纤设置有所述消除光纤末端反射光噪声的装置；所述光缆的末端的端面位于所述保护罩筒内。

在优选的实施方案中，所述保护罩筒为金属管。

在优选的实施方案中，所述保护罩筒的内径为3.5mm，外径为4.5mm。

另一方面，本发明还提供一种消除光纤端面反射光噪声的方法，所述方法包括如下步骤：在一端封闭的遮光罩筒内饱和填充液态的固热化双组分环氧树脂胶；将光纤的末端插入固热化双组分环氧树脂胶，插入后光纤被插入一端的端面与遮光罩筒的内壁及筒底不接触；保持光纤相对于遮光罩筒的相对位置后静置，直至固热化双组分环氧树脂胶完全凝固。

另一方面，本发明还提供一种消除光缆末端反射光噪声的方法，所述方法包括如下步骤：按照消除光纤端面反射光噪声的方法，将位于光缆一端的光纤安置消除光纤末端反射光噪声的装置；在一端封闭的保护罩筒内饱和填充满快速粘接剂；将光缆的末端插入所述保护罩筒，所述光缆插入部分的外壁与所述遮光罩筒的内壁被所述快速粘接剂胶粘密封；静置，直至所述快速粘接剂完全凝固。

在优选的实施方案中，所述光缆插入部分的外壁与所述遮光罩筒的内壁重叠部分沿插入方向的长度范围不小于5mm。

在优选的实施方案中，所述除光纤端面反射光噪声的方法包括：在一端封闭的遮光罩筒内饱和填充液态的固热化双组分环氧树脂胶；将光纤的末端插入固热化双组分环氧树脂胶，插入后光纤被插入一端的端面与遮光罩筒的内壁及筒底不接触；保持光纤相对于遮光罩筒的相对位置后静置，直至固热化双组分环氧树脂胶完全凝固。

本发明的有益效果为：

一方面本发明通过提供上述结构的消除光纤末端反射光噪声的装置能够达到有效滤除光纤端面反射噪声的技术效果。其中，光纤在设置消除光纤末端反射光噪声的装置之前，端面反射幅度可高达160mv，配置本发明上述装置之后端面反射幅度能够降至0mv。将配置有上述装置的光纤应用在传感器内，能够高效提升光纤传感器的感应灵敏度，大幅提升光纤信号的测试精度。

进一步的，本发明通过采用353ND，能够达到更为高效吸收光信号，遏止光反射的技术效果。353ND是美国Epoxy Technology公司研制开发并生产的光纤粘接剂产品。适用于光通信器件的生产，广泛用在光纤连接器的生产上。EPO—TEK 353ND是双组分，100％实体，为高温条件下研制的一种热固化环氧树脂胶，虽然EPO—TEK 353ND设计在200℃连续工作。但它在300-400℃也能工作若干分钟，EPO—TEK 353ND对多种溶剂和化学品具有优异的抵抗性，是一种理想的用于绑定光纤、金属、玻璃、陶瓷和多数塑料的粘接剂。

进一步的，本发明通过在同一根遮光罩筒内胶粘多根光纤，即能满足每根光纤的滤噪需要，又能达到节省遮光罩筒设置数量的技术效果，便于在多根光纤并列存在的环境下，减少将消除光纤末端反射光噪声的装置设置后，占据的结构空间，为设置后形成的装置微型化提供了有力的结构支持。

另一方面，本发明通过提供一种消除光缆末端反射光噪声的装置，能够有效滤除在光缆末端反射产生的光噪声，将配置有上述装置的光缆应用在传感器或测试仪器内，能够高效提升光缆传感器的感应灵敏度，及大幅提升光学测试仪器的测试精度；其中，配置上述装置后，在光缆内无论包含多少根光纤，均能达到端面反射幅度降至0mv的技术效果。进一步的，保护罩筒的设置能够在光缆末端形成高强度的机械防护，不仅能够达到对光缆端面形成防水密封的技术效果，还能够让光缆端面进一步耐受至少10Mpa外界压力的技术效果，使光缆的端面结构性能得到大幅提升。进一步的，由于位于同一根光缆内的所有光纤还可以采用将光纤分组胶粘在多个遮光罩筒内，或将所有光纤均胶粘在同一遮光罩筒内这一技术手段，故最终制得的消除光缆末端反射光噪声的装置的体积可以做的十分微小，适合应用在高精度光纤传感器或光学测试仪器中。

进一步的，本发明通过提供消除光纤端面反射光噪声的方法及消除光缆末端反射光噪声的方法，为如何装配及使用消除光纤末端反射光噪声的装置和消除光缆末端反射光噪声的装置提供了有力的技术支持。

附图说明

下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明实施例1中消除光纤末端反射光噪声的装置的结构示意图；

图2是本发明实施例2中消除光缆末端反射光噪声的装置的结构示意图；

图3是本发明实施例4中消除光缆末端反射光噪声的装置的结构示意图；

图4是本发明实施例5中光线在光纤端面反射后形成背向散射光的光路示意图；

图5是图4中光线在光纤中发生拉曼散射后形成的光路示意图；

图6是本发明实施例5中背向散射光的“快照”；

图7是本发明实施例5中在光纤末端不加处理时利用分布式光纤检测系统测得的反射光强曲线图；

图8是本发明实施例5中在光纤末端依现有技术做出滤噪处理后利用分布式光纤检测系统测得的反射光强曲线图；

图9是本发明实施例5中在光纤末端安置本发明上述消除光纤末端反射光噪声的装置后利用分布式光纤检测系统测得的反射光强曲线图。

图中：

100、一端封闭的遮光罩筒；200、固热化双组分环氧树脂胶；GXZ、消除光纤末端反射光噪声的装置；300、光纤；400、快速粘接剂；500、一端封闭的保护罩筒；600、光缆；1、光缆；2、快速粘接剂；3、光纤；4、钢管；5、塑料直管；6、353ND；R、入射光；B、背向散射光；Y、信号强度；X、频率位移；S、斯托克斯；F、反斯托克斯；A1、第一反射光线；A2、第二反射光线；Z、反射噪声。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本发明提供一种消除光纤末端反射光噪声的装置，包括：一端封闭的遮光罩筒100和固热化双组分环氧树脂胶200；所述遮光罩筒100内饱和填充满所述固热化双组分环氧树脂胶200后，胶粘在光纤300的末端；所述光纤300位于所述遮光罩筒100内的端面与所述遮光罩筒100的内壁及筒底之间填充有所述固热化双组分环氧树脂胶。

组装时，在一端封闭的遮光罩筒内饱和填充液态的固热化双组分环氧树脂胶；将光纤的末端插入固热化双组分环氧树脂胶，插入后光纤被插入一端的端面与遮光罩筒的内壁及筒底不接触；保持光纤相对于遮光罩筒的相对位置后静置，直至固热化双组分环氧树脂胶完全凝固。

使用时，可将设置有上述消除光纤末端反射光噪声的装置的光纤应用在光纤传感器或光纤测试仪器内，由于光纤反馈回来的光信号不再携带端面反射信号，安装完毕后光纤传感器获得的感应灵敏度，及光纤测试仪器改进后的测试精度均能获得大幅度的提高。

优选的，在本实施例的一个优选技术方案中，所述固热化双组分环氧树脂胶为353ND。本发明通过采用353ND，能够达到更为高效吸收光信号，遏止光反射的技术效果。353ND是美国Epoxy Technology公司研制开发并生产的光纤粘接剂产品。适用于光通信器件的生产，广泛用在光纤连接器的生产上。EPO—TEK353ND是双组分，100％实体，为高温条件下研制的一种热固化环氧树脂胶，虽然EPO—TEK 353ND设计在200℃连续工作。但它在300-400℃也能工作若干分钟，EPO—TEK 353ND对多种溶剂和化学品具有优异的抵抗性，是一种理想的用于绑定光纤、金属、玻璃、陶瓷和多数塑料的粘接剂。

优选的，在本实施例的一个优选技术方案中，所述遮光罩筒内胶粘的光纤的根数为多根。本发明通过在同一根遮光罩筒内胶粘多根光纤，即能满足每根光纤的滤噪需要，又能达到节省遮光罩筒设置数量的技术效果，便于在多根光纤并列存在的环境下，减少将消除光纤末端反射光噪声的装置设置后，占据的结构空间，为设置后形成的装置微型化提供了有力的结构支持。

优选的，在本实施例的一个优选技术方案中，所述遮光罩筒的内径为2mm，外径为2.8mm。本发明通过采用内径为2mm，外径为2.8mm的遮光罩筒，即能满足单根光纤的滤噪需要，又能达到节省材料的技术效果。

本发明通过提供上述结构的消除光纤末端反射光噪声的装置能够达到有效滤除光纤端面反射噪声的技术效果。其中，光纤在设置消除光纤末端反射光噪声的装置之前，端面反射幅度可高达160mv，配置本发明上述装置之后端面反射幅度能够降至0mv。将配置有上述装置的光纤应用在传感器内，能够高效提升光纤传感器的感应灵敏度，大幅提升光纤信号的测试精度。

实施例2：

图2所示，本实施例在实施例1的基础上，进一步提供一种消除光缆末端反射光噪声的装置，包括消除光纤末端反射光噪声的装置GXZ，还包括快速粘接剂400和一端封闭的保护罩筒500；所述保护罩筒500内饱和填充满所述快速粘接剂400后，胶粘在光缆600的末端；所述光缆600末端所包含的光纤300设置有所述消除光纤末端反射光噪声的装置；所述光缆的末端的端面位于所述保护罩筒内。

优选的，在本实施例的一个优选技术方案中，所述保护罩筒为金属管。

优选的，在本实施例的一个优选技术方案中，所述保护罩筒为304不锈钢钢管。

优选的，在本实施例的一个优选技术方案中，所述保护罩筒的内径为3.5mm，外径为4.5mm。

使用时，按照消除光纤端面反射光噪声的方法，将位于光缆一端的光纤安置消除光纤末端反射光噪声的装置；在一端封闭的保护罩筒内饱和填充满快速粘接剂；将光缆的末端插入所述保护罩筒，所述光缆插入部分的外壁与所述遮光罩筒的内壁被所述快速粘接剂胶粘密封；静置，直至所述快速粘接剂完全凝固。需要说明的是本实施例中，光缆内所包含的每一根光纤都需要做端面滤噪处理，实际操作设置消除光纤末端反射光噪声的装置时可以选择在每一根光纤上单独胶粘遮光罩筒；也可以将光纤分成若干组，每组包含若干根光纤，然后将每个光纤组分别胶粘在相应的遮光套筒内；还可以采用将所有光纤都集中后集体胶粘在同一遮光罩筒内。实验表明上述不同的实施方式均能取得良好的光纤端面滤噪的技术效果。

优选的，在本实施例的一个优选技术方案中，所述光缆插入部分的外壁与所述遮光罩筒的内壁重叠部分沿插入方向的长度范围不小于5mm。

需要说明的是本实施例中光缆内所包裹的光纤数量不受限制，本发明中所用快速粘接剂为现有技术，依现有技术所获取的任意成分的快速粘接剂均可适用于本发明，故与快速粘接剂相关的生产厂家及型号在此不再赘述。

本发明通过提供一种消除光缆末端反射光噪声的装置，能够有效滤除在光缆末端反射产生的光噪声，将配置有上述装置的光缆应用在传感器或测试仪器内，能够高效提升光缆传感器的感应灵敏度，及大幅提升光学测试仪器的测试精度；其中，配置上述装置后，在光缆内无论包含多少根光纤，均能达到端面反射幅度降至0mv的技术效果。进一步的，保护罩筒的设置能够在光缆末端形成高强度的机械防护，不仅能够达到对光缆端面形成防水密封的技术效果，还能够让光缆端面进一步耐受至少10Mpa外界压力的技术效果，使光缆的端面结构性能得到大幅提升。进一步的，由于位于同一根光缆内的所有光纤还可以采用将光纤分组胶粘在多个遮光罩筒内，或将所有光纤均胶粘在同一遮光罩筒内这一技术手段，故最终制得的消除光缆末端反射光噪声的装置的体积可以做的十分微小，适合应用在高精度光纤传感器或光学测试仪器中。

实施例3：

本发明在上述实施例基础上，还提供一种消除光纤端面反射光噪声的方法，所述方法包括如下步骤：

在一端封闭的遮光罩筒内饱和填充液态的固热化双组分环氧树脂胶；

将光纤的末端插入固热化双组分环氧树脂胶，插入后光纤被插入一端的端面与遮光罩筒的内壁及筒底不接触；

保持光纤相对于遮光罩筒的相对位置后静置，直至固热化双组分环氧树脂胶完全凝固。

需要说明的是本方法中插入同一遮光罩筒内的光纤数量不受限制，当多根光纤并列存在时，将多根光纤同时胶粘在同一遮光罩筒内也应落入本发明的保护范围。

本发明在上述实施例基础上，还进一步提供一种消除光缆末端反射光噪声的方法，所述方法包括如下步骤：

按照消除光纤端面反射光噪声的方法，将位于光缆一端的光纤安置消除光纤末端反射光噪声的装置；

在一端封闭的保护罩筒内饱和填充满快速粘接剂；

将光缆的末端插入所述保护罩筒，所述光缆插入部分的外壁与所述遮光罩筒的内壁被所述快速粘接剂胶粘密封；

静置，直至所述快速粘接剂完全凝固。

优选的，本实施例在上述实施例的基础上，所述光缆插入部分的外壁与所述遮光罩筒的内壁重叠部分沿插入方向的长度范围不小于5mm。

进一步的，在本实施例的一个优选技术方案中，上述除光纤端面反射光噪声的方法包括：

在一端封闭的遮光罩筒内饱和填充液态的固热化双组分环氧树脂胶；

将光纤的末端插入固热化双组分环氧树脂胶，插入后光纤被插入一端的端面与遮光罩筒的内壁及筒底不接触；

保持光纤相对于遮光罩筒的相对位置后静置，直至固热化双组分环氧树脂胶完全凝固。

本发明通过提供消除光纤端面反射光噪声的方法及消除光缆末端反射光噪声的方法，为如何装配及使用消除光纤末端反射光噪声的装置和消除光缆末端反射光噪声的装置提供了有力的技术支持。

实施例4：

如图3所示，本发明提供一款消除仅含一根光纤的光缆端面反射噪声的装置，其结构包括：快速粘接剂2、钢管4、塑料直管5和353ND(6)组成。本实施例中采用内径2mm外径2.8mm长度是15mm的塑料直管5中放入调好比例的353ND，把光纤3尾端插入塑料直管中。从插入到凝固过程中，光纤3端面反射都完全消失。本实施例中采用内径是3.5mm外径是4.5mm长度是30mm的304不锈钢钢管4，尾端是封闭的，里面充入快速粘接剂2，把内径2mm的直管插入钢管中，这样直管和一部分光缆都固定在钢管中，光缆1尾端就起到密封防水，耐10Mpa的压力。本发明通过上述装置即解决了光纤端面反射的问题，又解决了光缆端面密封和耐压的问题。使用后原始端面反射幅度由160mv减少至0mv。

实施例5：

本实施例中，将本发明上述装置及方法应用在分布式光纤传感技术中后具体方案及效果如下：

首先，分布式光纤检测系统主要由两部分构成：分布式光纤信号解调仪和线性多模感温光缆。分布式光纤信号解调仪内部封装光器件、激光器、数据处理等部分组成，主要用于整个系统的信号采集、信号分析和分析结果输出等功能。多模感温光缆作为线型传感器，一根光缆可以长至数公里，甚至数十公里，通过分析光缆内不同位置上的光散射信号得到相应的温度信息。分布式光纤检测系统可以准确地测量整根光纤上成千上万位置点温度信息。

故分布式光纤具有如下优点：

1、在分布式光纤测温系统中，光缆既是温度传感器又是信号传输通道，不再需要其它的测量或传输装置；

2、一根光缆能够提供上万个测量点的信息，安装快捷简便且成本低廉，安装后长期使用且免维护；

3、光纤具有耐高温(能够承受超过1000℃的高温)、抗腐蚀、阻水和长寿命的特质，适用于各种复杂有害或恶劣环境；

4、光纤具有抗射频和抗电磁干扰的特质，适用于高压场合；

5、光纤具有无静电、无辐射的特质，不会产生电火花，适用于易燃易爆环境；

6、光纤本身轻细纤柔，体积小，重量轻，不仅便于布设安装，而且对埋设部位的材料性能和力学参数影响甚小，能实现无损埋设等。

上述分布式光纤检测系统的工作原理如下：

激光光脉冲射入传感用的光纤之中，在光脉冲向前的传播过程中，由于光纤的密度、应力、材料组成、温度和弯曲变形等原因发生散射现象，有一部分的散射光会按照入射光相反的方向传播，称之为背向散射光，返回的背向散射光包括：

1、瑞利(RayLeigh)散射，由光纤折射率的微小变化引起，其频率与入射光脉冲一致；

2、拉曼(Raman)散射，由光子与光声子相互作用引起，其频率与入射光脉冲相差几十太赫兹；图4所示，入射光进入光纤后发生拉曼(Raman)散射，进入光纤内的入射光在光纤内的反射路径如图5所示。图中，入射光R经光纤反射后形成背向散射光B。

3、布里渊(Brillouin)散射，由光子与光纤内弹性声波场低频声子相互作用引起。其频率与入射光脉冲相差几十吉赫兹；

图6所示背向散射光的“快照”，Raman散射会产生两个不同频率的信号：斯托克斯(Stokes)光(比光源波长长的光)和反斯托克斯(Anti-Stokes)光(比光源波长短的光)，光纤受外部温度的调制使光纤中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光强发生变化，Anti-Stokes与Stokes的比值提供了温度的绝对指示，利用这一原理可以实现对沿光纤温度场的分布式测量。其中，图6所示，纵轴Y为信号强度，横轴X为频率位移，斯托克斯S与温度无关，而反斯托克斯F与温度有关，入射光R的波长为1064nm。

其中，分布式光纤检测系统定位原理如下：

光学时域反射技术(OTDR)最初用于评价通信光纤、光缆和耦合器的性能，是用于检验光纤损耗、光纤故障的手段。一般将DTS测温原理和定位原理称为ROTDR，其工作机理是向被测光纤发射光脉冲，发生拉曼散射现象，在光纤中形成背向散射光和前向散射光。其中，背向散射光向后传播至光纤的起始端(也就是光脉冲的注入端)，由于每一个背向传播的散射光都对应光纤上的一个散射点，因此，根据背向散射光的行进时间便可判断出光纤上发生散射点的位置。

d＝(c×t)/2×(IOR)

其中，c是光在真空中的速度，而t是信号发射后到接收到信号(双程)的总时间，IOR是光纤折射率。

通过采集和分析入射光脉冲从光纤的一端(注入端)注入后在光纤内传播时产生的Raman背向反射光的时间和强度信息得到相应的位置。

图7～图9所示，在光纤末端不加处理、只依现有技术对光纤末端做出处理及依本发明上述技术方案将光纤末端做出处理后的反射光强曲线图，从图中能够清晰比较出，反射光线A1和A2在图7和图8中均存在光反射噪声Z，其中，图7中的光反射噪声最为明显；图9所示，采用本发明上述装置之后，对光反射噪声Z的消除作用格外明显，光反射噪声Z已得到完全的遏止，光反射信号十分清晰。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。