專利名稱：光纖溫度測量儀及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖溫度測量儀及其測量方法，特別是一種結(jié)構(gòu)簡單且適合于高溫測量的光纖溫度測量儀及其測量方法，屬于應(yīng)用光纖傳感測量溫度技術(shù)。
背景技術(shù)：
光纖傳感具有許多電傳感器不可比擬的優(yōu)點，如不受電磁場以及其它外界環(huán)境變化的影響、靈敏度高、體積小、絕緣性好、可實現(xiàn)分布測量等，因此越來越受到重視。許多物理量如溫度、應(yīng)變、位移、濕度、壓力、聲音、振動等都可以使用光纖傳感器進行高精度的測量。光纖傳感已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑、石油、化工、交通、能源、冶金、醫(yī)藥、軍工、食品、核工業(yè)等領(lǐng)域。
目前廣泛使用的光纖溫度傳感器之一是基于光纖布拉格光柵(簡稱FBG)技術(shù)。作為一種全光纖器件，布拉格光柵已被越來越廣泛地用于光纖通信和光纖傳感等領(lǐng)域。FBG傳感器除具有光纖傳感的共同特點外，還具有可以光波長復(fù)用方式實現(xiàn)多點分布測量等顯著的優(yōu)點，因而在無法使用傳統(tǒng)傳感器的場合發(fā)揮了巨大作用。近年來，隨著FBG傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍也在日益擴大，并開始在有些領(lǐng)域取代傳統(tǒng)的傳感系統(tǒng)。
FBG是在光纖纖芯內(nèi)通過某種方式對其折射率產(chǎn)生周期性調(diào)制而形成的一種光柵。目前主要是采用UV曝光的方法制作FBG，該方法相對簡單，易于實現(xiàn)，但形成的光柵的溫度穩(wěn)定性較差。作為溫度傳感器，F(xiàn)BG一般只適合于較低溫范圍(200℃以下)的測量。對于高溫測量，要采用特殊方法制作的FBG，其制作過程復(fù)雜且制作成本很高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種光纖溫度測量儀及其測量方法，其所涉及的光纖溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單且適合于高溫測量的特點，同時具有與FBG相同的波長編碼和波分復(fù)用等特性。
本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案加以實現(xiàn)的，一種光纖溫度測量儀，該溫度測量儀包括一個光纖耦合器或光纖環(huán)行器，與光纖耦合器或光纖環(huán)行器連接的寬帶光源、波長解調(diào)器及光纖溫度傳感器，其特征在于，光纖溫度傳感器為由一段單模光纖與一段多模光纖的連接而成，其中單模光纖另一端與光纖耦合器或光纖環(huán)行器連接，多模光纖的另一端為一個垂直于該光纖軸線的鏡面。
上述的單模光纖和多模光纖的纖芯和包層的形狀均為圓形。
采用上述結(jié)構(gòu)的光纖溫度測量儀實現(xiàn)溫度測量的方法，其特征包括以下過程1.由單模光纖傳來的基模光進入多模光纖后，將形成基模LP01和若干高階模LP0N。由單模光纖基模向這些導(dǎo)模的耦合系數(shù)分布是不均勻的。這些導(dǎo)模將沿多模光纖傳播，到達多模光纖的鏡面后，被發(fā)射后沿相反方向傳播。在單模光纖與多模光纖的界面，由于不同階數(shù)的導(dǎo)模模場分布的差異，因而導(dǎo)致它們在向單模光纖基模耦合時耦合系數(shù)之間的不同。其結(jié)果是只有少數(shù)的導(dǎo)模被有效地耦合到單模光纖中。在這里，單模光纖起到了選擇模式的作用。被耦合到單模光纖中的導(dǎo)模，由光纖耦合器或環(huán)行器與入射光分離，在光探測器發(fā)生干涉，當入射光的波長滿足λ=8nma2(N1-N2)[2(N1+N2)-1]L,]]>時，形成干涉極大。上式中，n為多模光纖纖芯的折射率；m為一正整數(shù)；a為多模光纖纖芯半徑；L為多模光纖的長度；N1，N2為導(dǎo)模LP0N的階數(shù)。
2.由于多模光纖纖芯的折射率n，半徑a和長度L均隨外界溫度的變化而改變，所以溫度的變化將導(dǎo)致諧振波長λ的變化。故檢測波長λ即可得到溫度值。由溫度引起的波長變化為Δλλ=∂nn∂TΔT+2∂aa∂TΔT-∂LL∂TΔT=(α+ξ)ΔT,]]>其中，α為多模光纖材料的熱膨脹系數(shù)；ξ為多模光纖材料的熱光系數(shù)。
3.由波長解調(diào)器測量波長變化，則得到被測溫度值。
上述的多模干涉為不包括基模LP01在內(nèi)的高階模之間的干涉。
本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單和能測試高溫的特點，所涉及的溫度傳感器與光纖布拉格光柵溫度傳感器具有完全相同的溫度靈敏度。


圖1為光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中101為單模光纖；102為多模光纖；104為單模光纖包層；105為單模光纖纖芯；106為單模光纖101與多模光纖102的對接面；107為多模光纖包層；108為多模光纖纖芯；109為多模光纖端面。
圖2為光纖溫度測量儀結(jié)構(gòu)框圖。圖中201為寬帶光源；202為光纖環(huán)行器；203為光纖溫度傳感器；204為波長解調(diào)儀。
圖3為記錄的反射光譜圖。圖中標識的兩個極小值處為兩個諧振波長。
圖4為實測溫度與波長變化的關(guān)系。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作詳細說明。如附圖1所示，單模光纖101采用標準單模通信光纖(G652)，其纖芯(105)直徑為8.2μm，包層(104)直徑為125μm，數(shù)值孔徑0.14。首先將其保護涂層除去，然后使用光纖切刀將其端面切成與其軸線垂直。多模光纖102使用Nufern MM-S105/125-15A折射率階躍光纖，其纖芯(108)直徑為105μm，包層(107)直徑為125μm，數(shù)值孔徑0.14。首先將其保護涂層除去，然后使用光纖切刀將其端面切成與其軸線垂直。之后，將端面處理后的單模光纖和多模光纖放入光纖熔接機將兩光纖熔接在一起。在多模光纖102上49mm處使用光纖切刀將其切斷，在其端面形成一個與其軸線垂直的鏡面。
根據(jù)已知的光纖參數(shù)通過理論計算可知，由單模光纖101輸出的光(波長1550nm)可在多模光纖102內(nèi)激發(fā)出具有旋轉(zhuǎn)對稱模場分布的各階導(dǎo)模。由單模光纖101的基模向這些導(dǎo)模的耦合系數(shù)分布是不均勻的，其中以LP06和LP07為最強。這些導(dǎo)模將沿多模光纖102傳播，到達多模光纖102的端面109后，被端面109反射后沿相反方向傳播。在單模光纖101與多模光纖102的界面106，由于單模光纖101的模場直徑遠小于多模光纖102的模場直徑，所以在這些導(dǎo)模中只有模場分布集中在軸線附近的導(dǎo)模才有可能被有效地耦合到單模光纖101中。在本實施例中，被有效地耦合到單模光纖中的模主要是LP06和LP07。這兩個模將產(chǎn)生干涉，在波長滿足上面給出的條件時形成干涉極大。當溫度改變時形成干涉極大的波長將隨之改變，檢測該波長的變化即實現(xiàn)對溫度的測量。
由于對本發(fā)明的所涉及的光纖溫度傳感器是采用熔接制成的，不僅具有結(jié)構(gòu)簡單，易于制作等優(yōu)點，更重要的是它可用于高溫測量。對于本實施例中使用的石英光纖，其溫度測量范圍在1000℃以上。
圖2為光纖溫度測量儀示意圖。201為寬帶光源，其輸出光譜范圍為1520-1565nm，輸出功率為5mW；202為光纖環(huán)行器；203為光纖溫度傳感器；204為光纖光譜分析儀，作為光譜記錄和波長解調(diào)設(shè)備。
圖3為實驗記錄的光譜圖，圖中表示在實驗所用的寬帶光源有效光譜范圍內(nèi)，出現(xiàn)兩個干涉極小，對應(yīng)諧振波長在25攝氏度時分別為1537.587nm和1562.144nm。
圖4為實測溫度與波長變化的關(guān)系。在實驗所選取的溫度范圍內(nèi)(80-400℃)，諧振波長的變化量與溫度成良好的直線關(guān)系，比例系數(shù)即溫度靈敏度為12.2pm/℃，該值與光纖布拉格光柵溫度傳感器的靈敏度相當。
本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員都清楚，本發(fā)明的思想可采用上面列舉的具體實施方式
以外的其它方式實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種光纖溫度測量儀，該溫度測量儀包括一個光纖耦合器或光纖環(huán)行器，與光纖耦合器或光纖環(huán)行器連接的寬帶光源、波長解調(diào)器及光纖溫度傳感器，其特征在于，光纖溫度傳感器為由一段單模光纖與一段多模光纖的連接而成，其中單模光纖另一端與光纖耦合器或光纖環(huán)行器連接，多模光纖的另一端為一個垂直于該光纖軸線的鏡面。
2.按權(quán)利要求1所述的光纖溫度測量儀，其特征在于，單模光纖和多模光纖的纖芯和包層的形狀均為圓形。
3.一種采用權(quán)利要求1所述的光纖溫度測量儀實現(xiàn)溫度測量的方法，其特征包括以下過程1).由單模光纖傳來的基模光進入多模光纖后，將形成基模LP01和若干高階模LP0N，又由于單模光纖基模向這些導(dǎo)模的耦合系數(shù)分布是不均勻的，當這些導(dǎo)模沿多模光纖傳播，到達多模光纖的鏡面后，被發(fā)射后沿相反方向傳播；在單模光纖與多模光纖的界面，由于不同階數(shù)的導(dǎo)模模場分布的差異，因而導(dǎo)致它們在向單模光纖基模耦合時耦合系數(shù)之間的不同，其結(jié)果是只有少數(shù)的導(dǎo)模有效地耦合到單模光纖中，則單模光纖起到了選擇模式的作用；被耦合到單模光纖中的導(dǎo)模，由光纖耦合器或環(huán)行器與入射光分離，在波長解調(diào)器內(nèi)的光探測器發(fā)生干涉，當入射光的波長滿足λ=8nma2(N1-N2)[2(N1+N2)-1]L,]]>時，形成干涉極大；上式中n為多模光纖纖芯的折射率；m為干涉級次；a為多模光纖纖芯半徑；L為多模光纖的長度；N1，N2為導(dǎo)模LP0N的階數(shù)；2).由于多模光纖纖芯的折射率n，半徑a和長度L均隨外界溫度的變化而改變，所以溫度的變化將導(dǎo)致諧振波長λ的變化，故檢測波長λ即可得到溫度值，由溫度引起的波長變化為Δλλ=∂nn∂TΔT+2∂aa∂TΔT-∂LL∂TΔT=(α+ξ)ΔT,]]>式中α為多模光纖材料的熱膨脹系數(shù)；ξ為多模光纖材料的熱光系數(shù)；3).由波長解調(diào)器測量波長變化，則得到被測溫度值。
4.按權(quán)利要求3所述的溫度測量的方法，其特征在于，多模干涉為不包括基模LP01在內(nèi)的高階模之間的干涉。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖溫度測量儀及其測量方法，屬于光纖傳感測溫技術(shù)。測量儀包括光纖耦合器或光纖環(huán)行器，與之相連接的寬帶光源、波長解調(diào)器及光纖溫度傳感器。所述光纖溫度傳感器由一段圓形多模光纖與一段圓形單模光纖相接，多模光纖產(chǎn)生的高階導(dǎo)模進入光纖耦合器或環(huán)行器，在此與入射光分離，在波長解調(diào)器內(nèi)的光探測器發(fā)生干涉。干涉極大對應(yīng)的波長與多模光纖纖芯的折射率、纖芯半徑、多模光纖的長度和導(dǎo)模的階數(shù)有關(guān)，其中多模光纖纖芯的折射率、纖芯半徑和長度均隨外界溫度的變化而改變，則溫度的變化導(dǎo)致諧振波長λ的變化，故檢測波長λ即可得到溫度值。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單和能測量高溫的特點。
文檔編號G01D5/353GK1746641SQ20051001520
公開日2006年3月15日 申請日期2005年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月27日
發(fā)明者李恩邦 申請人:天津大學(xué)