专利名称：单端双波长高精度分布式光纤温度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光传感技术领域，具体地说是一种单光源双端输入探测型分布式光 纤温度传感器的设计方案。
背景技术：
分布式光纤温度传感器问世以来，至今已经出现了许多商业化产品，然而所达 到的指标在许多场合下仍不能满足要求。尤其是分布式光纤温度传感器的测量精度和防 区空间分辨率，目前测量精度和防区空间分辨率最高的指标水平对应为l°c和0.1m，且 大多仍处于研发阶段。光纤传感器的基本原理是由光源发出的光经过光纤进入调制区，在被测对 象的作用下，光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质发生了变化，使它成为 被调制了的信号，再经过光纤送入光探测器和电信号处理装置，最终获得待测对象的信 肩、ο通常，为了使分布式光纤拉曼温度传感器产品的空间分辨率技术达到小于等于 Im,光源需产生小于等于IOns的脉冲光，而且单个波长光脉冲不能太大，否则拉曼散射 光将发生非线性现象，从而导致散射光信号很弱，故通过直接提供超窄脉冲(小于IOns) 光源的做法在光探测时存在很大难度。近年来，分布式光纤拉曼温度传感器产品的空间分辨率技术已达到lm，但还不 能满足石化管道、电力高压开关和电力电缆热保护等领域实现分米级的空间分辨率的应 用要求，虽然可以采用光纤绕组的点探头测温，但受热区的随机性，无法预计。另一方 面分布式光纤拉曼温度传感器产品的测温精度已达到小于rc，但还满足不了石化反应 o.rc的需要。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种单端双波长高精度分布式光 纤温度传感器，其采用的技术方案为脉冲驱动器连接两个波长不同的光源，两个光 源发出的光经过一个合波器合为一束，从光分路器中进入传感光纤；光分路器连接两 个滤波器，用于把传感光纤中产生的后向拉曼散射光分离为携带温度信号的反斯托克斯 (Anti-stokes)光和作为参考信号的斯托克斯(Stokes)光。本发明采用两个波长不同的光源，通过脉冲驱动器同步控制，发出两束脉冲宽 度不同的脉冲光，利用第一组脉冲光，与第二脉冲光源产生的后向散射光信号相比较， 此时，被脉冲驱动器同步驱动的各脉冲光源的脉冲宽度以及各脉冲宽度的差异是决定空 间分辨率的主要因素。脉冲宽度差越小，对应的空间分辨率越高，对比所获得的各组拉 曼散射光，从而可以测量物理量。根据该测量物理量，从而可以在很短的光纤区间中测 量检测信号，由此，可大幅提高空间分辨率。采用后向散射探测方法，由脉冲驱动器同步产生两个不同脉冲宽度tl和t2的窄光脉冲，即光探测脉冲。两个光探测脉冲的宽度差确定了分布式光纤温度传感系统的空 间分辨率，光探测器在某个时刻探测到的光能量是与光脉冲宽度对应的一段光纤的后向 散射光能量的贡献总和，因此由光脉冲宽度差就决定了一个空间分辨率，这样两个不同 脉冲宽度tl和t2的窄光脉冲可选用比较宽的光脉冲，而系统的空间分辨率却仅由光脉冲 宽度差(tl_t2)决定，在同样空间分辨率下能提高激光脉冲宽度而获得更好的信噪比，对 单个激光脉冲的峰值功率要求的降低又可有效地防止光纤非线性效应。。本发明的单端双波长高精度分布式光纤温度传感器，利用两个不同波长不同光 脉冲宽度的光源同步产生自发拉曼散射效应和光时域反射原理，利用合波器的波长分光 合光功能，巧妙地将后向散射反斯托克斯(Anti-stokes)光、斯托克斯(Stokes)光融合 在一起，增强了光纤中携带的温度信息的拉曼散射光的强度；提高了传感器系统的信噪 比，使得系统温度的测量精度提高，空间分辨率更高。两不同光脉冲经光纤传输至合波器的入射端，经过光分路器进入传感光纤，在 传感光纤中产生的后向散射光再经由光分路器进入两个滤波器，分离后得到携带温度信 号的反斯托克斯拉曼散射合波光和作为参考信号的斯托克斯散射光，自此便完成了光信 号的提取工作。进一步地，分离后得到携带温度信号的反斯托克斯拉曼散射合波光和作为参考 信号的斯托克斯散射光，再接入高速高精度分布式测温处理主机进行光电信号处理、分 析计算，便最终得到对应点的温度场信息。所述的合波器为波分复用器等具有合波功能的元器件；所述的光分路器为光纤 耦合器或者光纤环形器等具有分光功能的元器件进一步地，所述脉冲驱动器还包括同步信号输出端，将同步信号经由装置外壳 的同步信号输出口输出。所述同步信号是与激光器输出的光脉冲同步输出的电脉冲信 号，它可通知高速高精度分布式测温处理主机开始A\D信号采集。本发明的优点在于通过将脉冲驱动器上连接两个波长和脉冲宽度不相同的光 源，利用两束光信号的脉冲宽度差越小，系统的空间分辨率越低的关系，根据需要设置 两束光信号的脉冲宽度差，使得系统在入射光信号能量不减少的前提下，得到足够小的 脉冲宽度差，从而得到需要的空间分辨率；大大提高了系统的测量精度。该发明有效解 决了传统光纤分布温度传感器“提高空间分辨率-降低信噪比，提高信噪比-降低空间 分辨率或增加测量时间”这一矛盾，提高了测温精度。可应用于超远程、高空间分辨率 的分布光纤温度传感系统。
图1为本发明的总体结构示意图；
具体实施例方式实施例1 脉冲驱动器3连接光源1和光源2，光源1和光源2同时连接波分复 用器4，波分复用器4连接一个光纤耦合器5，光纤耦合器5的一端连接传感光纤6，光纤 耦合器5的两个输出端连接波分复用器7和波分复用器8 ；两个波分复用器连接到高速高 精度分布式测温处理主机9上。
本实施例中，光源1发出脉冲宽度为IOrnn的脉冲光信号，光源2发出脉冲宽度 为9nm的脉冲光信号，两脉冲光宽度为lnm，两路光信号经过波分复用器4进入一根光 纤传输，后经过光纤耦合器5进入到传感光纤6，脉冲光信号在传感光纤中传输时会发生 后向拉曼散射，后向拉曼散射光经过波分复用器7和波分复用器8将拉曼散射光分离为携 带温度信号的反斯托克斯拉曼散射合波光和作为参考信号的斯托克斯散射光，自此便完 成了光信号的提取工作。分离后得到携带温度信号的反斯托克斯拉曼散射合波光和作为参考信号的斯托 克斯散射光，再接入高速高精度分布式测温处理主机9进行光电信号处理、分析计算， 便最终得到对应点的温度场信息。所述脉冲驱动器3还包括同步信号输出端，将同步信号经由装置外壳的同步信 号输出口输出。所述同步信号是与激光器输出的光脉冲同步输出的电脉冲信号，它可通 知高速高精度分布式测温处理主机9开始A\D信号采集。本实施例中，两个脉冲光信号的脉冲光宽度为lnm，对应的系统的空间分辨率 约为0.1m，测温精度0.1°C属于目前分布式光纤温度传感器中最为精确的测量系统。这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施 例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来 说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离 本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及 用其他元件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所 披露的实施例进行其他变形和改变。
权利要求
1.一种单端双波长高精度分布式光纤温度传感器，其特征在于脉冲驱动器上连接 两个波长不同的光源，两个光源发出的光经过一个合波器合为一束，从光分路器中进入 传感光纤；光分路器连接两个滤波器，传感光纤中产生的后向散射光经过滤波器将所需 的携带温度信号的反斯托克斯光和作为参考信号的斯托克斯光分离后输入处理主机。
2.根据权利要求1所述的一种单端双波长高精度分布式光纤温度传感器，其特征在 于所述的两个光源发出的光信号脉冲宽度可以由脉冲驱动器控制。
3.根据权利要求1所述的一种单端双波长高精度分布式光纤温度传感器，其特征在 于所述的合波器包括波分复用器等具有合波功能的元器件。
4.根据权利要求1所述的一种单端双波长高精度分布式光纤温度传感器，其特征在 于所述的分路器指光纤耦合器或者光纤环形器等具有分光功能的元器件。
5.根据权利要求1所述的一种单端双波长高精度分布式光纤温度传感器，其特征在 于所述的滤波器指波分复用器或者滤波片等可以过滤光信号的元器件。
6.根据权利要求1所述的一种单端双波长高精度分布式光纤温度传感器，其特征在 于所述脉冲驱动器还包括同步信号输出端，将同步信号经由装置外壳的同步信号输出 口输出。
全文摘要
本发明公开了一种单端双波长高精度分布式光纤温度传感器，属于光纤传感技术领域，本发明主要通过在脉冲驱动器上连接两个波长不同的光源，利用两个光源的脉冲宽度差保证了在提供所需脉冲光能量的同时，使空间分辨率达到所需要的精度。解决了现有技术中空间分辨率不能满足所需精度的问题，适用于石化管道、电力高压开关等精度要求较高的场所。
文档编号G02B27/10GK102012281SQ20101052614
公开日2011年4月13日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年10月29日
发明者仝芳轩, 周正仙, 席刚, 杨斌, 皋魏 申请人:上海华魏光纤传感技术有限公司