专利名称：光纤传感器的制作方法
背景技术：
1.发明领域本发明一般地涉及光纤传感器，尤其涉及一种独立测量光纤温度及轴向应变的方法和设备。
2.技术背景对于许多智能结构和其它监测应用来说，光纤传感器特别是分布式光纤传感器备受关注。智能结构通常是一些组合结构，它们包含用于监测或积极控制结构工作的电子通信设备。传感器要求能够监测智能结构所处的环境。例如，可以将光纤传感器嵌入组合结构的各分层内，以确定应变和温度。还有其它的工业应用也要求了解工作环境，以便控制工艺质量和生产率。目前，最关注的是用布拉格光栅沿感测光纤的长度分布而获得的振奋人心的结果。随光纤传感器产生的一个问题是其对温度和应变的灵敏度。在已作考虑的一个方法中，研发了一种使用保偏光纤的应变温度组合传感器。不幸的是，由该传感器获得的温度值和应变值相互依赖。因此，用该传感器测得的值天性倾斜。
因此，需要一种能够测量温度但又不受应变分量负面影响的传感器，或者相反地需要一种能够测量应变但不受温度分量负面影响的传感器。
在另一种方法中，将具有椭圆纤芯的第一保偏光纤与具有椭圆纤芯的第二保偏光纤熔接。第二光纤的主轴相对第一光纤旋转90°。当偏振光信号通过光纤传输时，温度和应变对光信号的相位产生不同的影响。这一关系可以用下式表征Δφ1＝A1L1ΔT＋B1ΔL1，(1)Δφ2＝A2L2ΔT＋B2ΔL2，(2)其中Δφ1是第一光纤中相位差的变化，A1是关于第一光纤温度变化的温度系数，L1是第一光纤的长度，ΔT是温度变化，B1是关于第一光纤应变变化的应变系数，ΔL1是应变引起的第一光纤的长度变化，Δφ2是第二光纤中相位差的变化，A2是关于第二光纤温度变化的温度系数，L2是第二光纤的长度，ΔT是温度变化，B2是关于第二光纤应变变化的应变系数，ΔL2是应变引起的第二光纤的长度变化。
为了对温度和应变“去耦合”，必须如此选择两根光纤，使得它们的应变系数相等，或者温度系数相等，从而B1ΔL1＝B2ΔL2，或 (3)A1L1ΔT＝A2L2ΔT (4)由此，当两根光纤的相位差相减时，即Δφ＝Δφ1-Δφ2(5)消除了具有相同系数的变量。由此获得单个变量。但是，这种方法存在缺点。首先，必须精选这两根光纤，以便均衡由应变或温度在第一和第二光纤之间产生的相位差。其次，由等式3、4和5可以看出，传感器检测温度或应变受到限制。它不能同时检测两者。
因此，需要一种光纤传感器，它能精确测量光纤应变，并且测量结果不受温度的影响，并且该传感器能同时精确测量光纤环境的温度，而且温度测量结果不受所加应变的影响。
发明内容
用本发明可以解决上述存在的问题。本发明包括一对光纤，每根光纤都具有多个保偏光纤分段和一个移相器位于其中。由于每个光纤中所用移相器的应变和温度响应曲线是不同的，所以可以独立并同时测量温度和应变。
本发明的一个方面涉及一种光纤，它传播用一中心波长表征的光信号。光纤位于某一环境中，并用于测量多个环境参数。光纤包括多个保偏光纤分段，每个分段都有一个包层和一个椭圆纤芯。多个保偏光纤分段中每个分段的主轴都相对前一个光纤分段旋转45°，并且与前一个光纤分段光学连接。该光纤还在多个保偏光纤分段内包含一个传感元件。该传感元件响应于多个环境参数以一预定速率使光信号的中心波长发生相移。
本发明的另一方面涉及一种Mach-Zehnder器件，该器件用于耦合由一中心波长表征的光信号。Mach-Zehnder器件位于某一环境中，并用于测量多个环境参数。Mach-Zehnder器件包括用于传播光信号的第一保偏光纤。第一保偏光纤包括第一椭圆纤芯、第一包层和第一组多个光纤分段，其中多个第一组光纤分段中的每个分段都相对于前一个第一组光纤分段旋转45°，并与前一个第一组光纤分段光学连接。它还在第一保偏光纤附近包括第二保偏光纤。第二保偏光纤包括第二椭圆纤芯、第二包层和第二组多个光纤分段，其中多个第二组光纤分段中的每个分段都相对于前一个第二组光纤分段旋转45°，并与前一个第二组光纤分段光学连接。在第一保偏光纤和第二保偏光纤之间有一个耦合区，用于在第一和第二保偏光纤之间耦合光信号。传感元件放置在第一和第二保偏光纤中。该传感元件响应于多个环境参数中的一个或多个参数，在第一保偏光纤中以第一预定速率使光信号的中心波长相移，并在第二保偏光纤中以第二预定速率使光信号的中心波长相移。
本发明的另一方面涉及一种光纤传感器，该传感器位于某一环境中，并用于测量多个环境参数。该光纤传感器包括用于发射具有一中心波长的光信号的偏振光光源，以及连接偏振光光源的第一保偏光纤。第一保偏光纤包括第一椭圆纤芯、第一包层和第一组多个光纤分段。光纤传感器还在第一保偏光纤附近包括第二保偏光纤。第二保偏光纤包括第二椭圆纤芯、第二包层和第二组多个光纤分段。在第一保偏光纤和第二保偏光纤之间有一个耦合区，因此光信号可以在第一和第二保偏光纤之间耦合。传感元件放置在第一和第二保偏光纤中。该传感元件响应于多个环境参数中的一个或多个参数，在第一保偏光纤中以第一预定速率使光信号的中心波长相移，并在第二保偏光纤中以第二预定速率使光信号的中心波长相移。
与相关领域中揭示的传感器相比，本发明的光纤传感器有许多优点。首先，本发明可以精确测量光纤应变，并且测量结果不受温度的影响。其次，它能够精确测量光纤环境的温度，并且测量结果不受应变的影响。另外，本发明具有双重功能，即传感器可以用于同时测量温度和应变两者。
附图概述
图1是一示意图，示出了依照本发明光纤传感器的一个实施例；图2是一截面图，示出了图1中传感器的第一保偏光纤，给出了构成保偏光纤的三个光纤分段之间的关系；图3是第一和第二保偏光纤的详细示图；图4是一曲线图，比较了对于本发明传感器中所用的各种保偏光纤，相对于温度的波长位移；
图5是一曲线图，比较了对于本发明传感器中所用的各种保偏光纤，相对于所加应变的波长位移；和图6是一方框图，示出了检测器组件。
较佳实施例的详细描述现在详细参照本发明目前较佳的实施例，附图对其作了例示。在任何可能的地方，附图中相同的标号始终用来表示相同或类似的部件。图1示出了光纤传感器的一个例示实施例，并且一般始终用标号10表示该传感器。
依照本发明，光纤传感器10包括一对光纤30和40，它们被布置在一个带状光缆中，并用于独立测量纵向应力和温度。光纤传感器10能够精确测量光纤应变，并且测量结果不依赖于温度。同样，它能精确测量光纤环境的温度，并且温度测量结果不依赖于应变。
如本文实施和图1显示的，光纤传感器10包括偏振光光源80，该光源80与Mach-Zehnder器件20相连。Mach-Zehnder器件20与检测器组件90相连。Mach-Zehnder器件20包括第一保偏光纤30和第二保偏光纤40。在第一保偏光纤30和第二保偏光纤40之间形成一耦合区50。在耦合区50中，射入第一保偏光纤30的偏振光信号渐逝地耦合到第二保偏光纤40中。在两个光纤30和40中传播的光信号最终到达检测器组件90。第一光纤30包括分段32、34和36。第二光纤40包括分段42、44和46。分段34和44位于正在测量的环境100内。
图2是一截面图，示出了图1所示的第一保偏光纤30。第一保偏光纤30包括三个光纤分段，它们按背对背的结构接头或熔接在一起。第一分段32具有一包层320和一椭圆纤芯322。第二光纤分段34也具有一包层340和一椭圆纤芯342。注意，第二光纤分段34相对第一分段32绕其纵轴旋转45°。第三光纤分段36也具有一包层360和一椭圆纤芯362。第三光纤分段36相对于第二分段34绕其纵轴旋转45°，并相对第一分段32旋转90°。每个保偏光纤都包括一传感元件38。传感元件38是通过使用掺杂纤芯380、掺杂包层382或者光栅384来实现的。
图3是第一保偏光纤30和第二保偏光纤40的详细示图。在本发明的一个实施例中，第一保偏光纤30和第二保偏光纤40被布置在一带状光缆110中。如上面简要提及的，第一保偏光纤30由三个熔接在一起的第一光纤分段32、34和36组成。第二保偏光纤40由三个第二光纤分段42、44和46组成，这三个分段同样熔接在一起，形成单个保偏光纤40。带状光缆110中位于环境100中的部分包括分段34和44。
图4示出了使用不同传感元件38时，波长相对保偏光纤22和24之温度的变化。由温度响应曲线60表示的传感元件38是用掺7％硼的纤芯实现的。此光纤具有Δ＝1％，并且其响应温度变化的相移速率为-0.632nm/℃，其中Δ表示纤芯和包层之间的相对折射率差的百分数。由温度响应曲线62表示的传感元件38是用掺7％硼的包层实现的。此光纤具有Δ＝2％，并且其响应温度变化的相移速率为-0.222nm/℃。用掺氧化锗的抛物线纤芯实现了传感元件38，它具有Δ＝2％，其中掺氧化锗的抛物线纤芯在纤芯中心掺杂了40％的氧化锗，在纤芯边缘掺杂0％。此光纤用温度响应曲线64表示。它响应温度变化的相移速率为-0.033nm/℃。
图5示出了关于图4中讨论的三种光纤，其波长相对轴向应力的改变。轴向应变响应曲线70表示用掺7％硼的纤芯实现的第一传感元件。其响应轴向应变的相移速率为+9.67nm/mε，其中mε是。轴向应变响应曲线72表示用掺7％硼的包层实现的第二传感元件。其响应轴向应变的相移速率为-23.37nm/mε。第三种传感元件用掺氧化锗的抛物线纤芯来实现，它在纤芯中心掺杂40％氧化锗，在纤芯边缘掺杂0％，并且具有Δ＝2％。掺氧化锗的纤芯用轴向应变响应曲线74表示。其响应光纤轴向应变的相移速率为-0.033nm/mε。
在图1-3所示的光纤传感器10的一个实施例中，保偏光纤对包括具有掺7％硼纤芯的第一光纤30，和具有掺7％硼包层的第二光纤40。由于图3和图4所示的响应曲线极为不同，所以此光纤对是合适的。在另一个实施例中，可以将Δ＝2％的掺氧化锗光纤与前述其它两种光纤中的任何一种一起使用，例如与具有掺硼纤芯的光纤或者具有掺硼包层的光纤一起使用。本领域的熟练技术人员应该明白，可以对传感元件38的选择做各种改变和改变。例如，可以选择上述针对图3或4讨论的三种光纤中的任何二种，用以实现光纤传感器10。
图6是检测器组件90的详细示图。检测器组件90由偏振器92、检测器94和处理器96组成。来自第一保偏光纤30的第一输出信号和来自第二保偏光纤40的第二输出信号经偏振器92偏振后，检测器94接收这两个信号。第一光纤30中存在传感元件38(未图示)，这使得其输出信号相对于来自光源80(参见图1)的输入光信号相移φ1。第二光纤40中存在的传感元件38也使得其输出信号相对于来自光源80的输入光信号相移φ2。处理器96用φ1和φ2的值来计算多个环境参数。在使用上面讨论的任何两种光纤时，按以下等式可以对应力和温度的值去耦合φ1＝C1ΔT＋K1ΔS(6)φ2＝C2ΔT＋K2ΔS(7)在等式(6)和(7)中，ΔT是温度变化，ΔS是轴向应变的变化，C1和C2是第一和第二保偏光纤30和40之温度响应曲线(图4)的斜率，而K1和K2是第一和第二保偏光纤30和40之轴向应力响应曲线(图5)的斜率。将等式(7)减去等式(6)，得到下式φ＝φ1－φ2＝(C1＋C2)ΔT＋(K1＋K2)ΔS(8)由于已知每种保偏光纤的物理特性，所以可以选择一个合适的倍数，以消除等式8中的一个变量φ＝χφ1－φ2＝(C1＋C2)ΔT(9)φ＝φ1－γφ2＝(K1＋K2)ΔS(10)于是，很容易对方程(9)求得温度，对方程(10)求得光纤的轴向应力。
图1和图6所示的光纤传感器工作如下。光源80将偏振光信号射入光纤30。在耦合区50中，光信号耦合到光纤40中。分段34和44位于正在测量的环境100中。环境100中的温度和应变改变了分段34和44的路径长度，从而使光信号相移。作为举例，光纤30中的传感元件38是掺7％硼的纤芯，而光纤40中的传感元件38是掺氧化锗的抛物线纤芯。因此，当光纤30和光纤40的路径长度因环境中温度和应变变化而改变时，用每个光纤感测到的相移φ1和φ2是不同的，因为每种光纤中存在不同类型的传感元件。这些值将按照图4和图5所示的温度和应变响应曲线。在偏振器92对光信号进行偏振后，检测器94检测相移。处理器96经编程获悉每根光纤中存在哪一种传感元件38。因此，在从检测器94接收到φ1和φ2之后，处理器96将为等式(6)-(10)提供合适的常数，并计算温度和应变。
本领域的熟练技术人员应该明白，在不脱离本发明精神或范围的情况下可以对本发明进行各种变化和改变。因此，本发明试图覆盖这些变化和改变，只要它们落在后附权利要求书及其等效技术方案的范围内。
权利要求
1.一种光纤传感器，它位于某一环境中，用于测量多个环境参数，其特征在于，所述光纤传感器包括偏振光光源，用于发射具有一中心波长的光信号；第一保偏光纤，它与所述偏振光光源相连，所述第一保偏光纤包括第一椭圆纤芯、第一包层和第一组多个光纤分段；第二保偏光纤，用于耦合所述光信号，所述第二保偏光纤位于所述第一保偏光纤附近，并且包括第二椭圆纤芯、第二包层和第二组多个光纤分段；传感元件，它位于所述第一和第二保偏光纤中，用于响应多个环境参数，在所述第一保偏光纤中以第一预定速率位移光信号的中心波长，并在所述第二保偏光纤中以第二预定速度位移光信号的中心波长；和检测器组件，用于根据所述第一预定速率和所述第二预定速率独立确定多个环境参数中的每个参数。
2.如权利要求21所述的光纤传感器，其特征在于，第一组多个光纤分段还包括第一光纤分段；第二光纤分段，它相对所述第一光纤分段旋转45°；和第三光纤分段，它相对所述第二光纤分段旋转45°，并相对所述第一光纤分段旋转90°。
3.如权利要求22所述的光纤传感器，其特征在于，第二组多个光纤分段还包括第四光纤分段；第五光纤分段，它相对所述第四光纤分段旋转45°；和第六光纤分段，它相对所述第五光纤分段旋转45°，并相对所述第四光纤分段旋转90°。
4.如权利要求23所述的光纤传感器，其特征在于，移相器包括在第一椭圆纤芯中掺杂的氧化锗，以及在第二包层中掺杂的7％硼。
5.如权利要求24所述的光纤传感器，其特征在于，第一保偏光纤具有第一Δ包层＝2.0％，而第二保偏光纤具有第二Δ包层＝2.0％。
6.如权利要求25所述的光纤传感器，其特征在于，移相器包括在第一椭圆纤芯中掺杂的氧化锗，以及在第二椭圆纤芯中掺杂的7％硼。
7.如权利要求26所述的光纤传感器，其特征在于，第一保偏光纤具有第一Δ包层＝2.0％，而第二保偏光纤具有第二Δ包层＝1.0％。
8.如权利要求23所述的光纤传感器，其特征在于，移相器包括在第一椭圆纤芯中掺杂的7％硼，以及在第二包层中掺杂的7％硼。
9.如权利要求28所述的光纤传感器，其特征在于，第一保偏光纤具有第一Δ包层＝1.0％，而第二保偏光纤具有第二Δ包层＝1.0％。
10.如权利要求24所述的光纤传感器，其特征在于，检测器组件检测所述第一保偏光纤中的第一相移量φ1，和所述第二保偏光纤中的第二相移量φ2。
11.如权利要求32所述的光纤传感器，其特征在于，检测器组件还包括处理器，用于根据所述第一保偏光纤中的第一相移量φ1和所述第二保偏光纤中的第二相移量φ2，确定多个环境参数。
12.如权利要求32所述的光纤传感器，其特征在于，第一相移量φ1和第二相移量φ2用以下等式表征φ1＝C1ΔT＋K1ΔS；和φ2＝C2ΔT＋K2ΔS，其中C1是第一保偏光纤中波长位移与温度变化的比，C2是第二保偏光纤中波长位移与温度变化的比，K1是第一保偏光纤中波长位移与所加轴向应力变化的比，K2是第二保偏光纤中波长位移与所加轴向应力变化的比，ΔT是温度的变化，而ΔS是所加轴向应力的变化。
13.一种在光纤传感器中测量多个环境参数的方法，其中所述传感器包括用于发射具有一中心波长的光信号的偏振光光源；与所述偏振光光源相连的第一保偏光纤，所述第一保偏光纤包括第一椭圆纤芯、第一包层和第一组多个光纤分段，其特征在于，所述方法包括以下步骤提供第二保偏光纤，所述第二保偏光纤位于第一保偏光纤附近，致使光信号在所述第一和第二保偏光纤之间耦合，所述第二保偏光纤包括第二椭圆纤芯、第二包层和第二组多个光纤分段；和响应于多个环境参数，在第一保偏光纤中使光信号的中心波长相移第一数量φ1，并在第二保偏光纤中使光信号的中心波长相移第二数量φ2。
14.如权利要求33所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤检测第一相移量φ1和第二相移量φ2；并且根据第一相移量φ1和第二相移量φ2，确定多个环境参数的每个参数，其中对每个计算得到的环境参数去耦合，使其与多个环境参数中的其它任何参数无关。
15.如权利要求34所述的方法，其特征在于，多个环境参数包括温度和所加的轴向应力。
16.如权利要求35所述的方法，其特征在于，第一数量φ1和第二数量φ2用以下等式表征φ1＝C1ΔT＋K1ΔS；和φ2＝C2ΔT＋K2ΔS，其中C1是第一保偏光纤中波长位移与温度变化的比，C2是第二保偏光纤中波长位移与温度变化的比，K1是第一保偏光纤中波长位移与所加轴向应力变化的比，K2是第二保偏光纤中波长位移与所加轴向应力变化的比，ΔT是温度的变化，而ΔS是所加轴向应力的变化。
全文摘要
用于同时并独立测量温度和轴向应力的光纤传感器(10)包括偏振光光源(80)和连接Mach－Zehnder器件(20)的检测器组件(90)。其中Mach－Zehnder器件包括一对保偏光纤(30,40),它们具有已知的应变和温度响应曲线。在保偏光纤之间形成一个耦合区(50),用于渐逝地耦合光纤。每根保偏光纤(30,40)都具有多个光纤分段(32、34、36、42、44、46),其中椭圆纤芯相对前一分段的纤芯旋转45°。每根光纤中有一个分段(34,44)位于待测环境中。检测每根光纤中由温度或应力引起的相移,并根据检测到的相移导出应变和温度。此光纤传感器能起温度传感器和轴向应力传感器的双重作用。
文档编号G02B6/10GK1331795SQ99814707
公开日2002年1月16日 申请日期1999年11月30日 优先权日1998年12月18日
发明者G·E·伯基, M·F·克罗尔, D·A·诺兰 申请人:康宁股份有限公司