專利名稱：反射型保偏光纖溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種溫度傳感器，更特別的是指一種采用全光纖連接的反射型保偏光纖溫度傳感器。
背景技術(shù)：
保偏光纖是利用波導(dǎo)的形狀雙折射或應(yīng)力雙折射來(lái)實(shí)現(xiàn)偏振保持的?，F(xiàn)在廣泛采用施加應(yīng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)雙折射，即利用了一種熱膨脹系數(shù)比石英大的附加材料在光纖中產(chǎn)生應(yīng)力。在制作應(yīng)力型保偏光纖時(shí)，光纖預(yù)制棒是通過(guò)把兩個(gè)高濃度摻雜的石英棒(通常采用硼、磷或鋁)放置在芯區(qū)的兩邊而制成。在高溫下拉成光纖，光纖拉成后這兩個(gè)高摻雜棒在冷卻時(shí)收縮，但它們的熱收縮量受到周?chē)⒌挠绊懀垢邠诫s棒處于拉壓力下，通過(guò)反作用使光傳播所在的纖芯區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力沿兩個(gè)高摻雜棒的軸存在著一個(gè)拉應(yīng)力作用，這個(gè)軸一般叫做慢軸；而沿與之正交的軸存在著一個(gè)壓應(yīng)力作用，這個(gè)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(yīng)力區(qū)，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(lǐng)結(jié)”型光纖中，高摻雜區(qū)域形狀象領(lǐng)結(jié)；在圖1(C)的“橢圓”型光纖中，應(yīng)力包層是橢圓的。由于不同方向的應(yīng)力不一樣，導(dǎo)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(chǎn)生了等效折射率差Δnb＝neqx-neqy。其X方向傳輸常數(shù)為βx=2πneqxλ,]]>Y方向傳輸常數(shù)為βy=2πneqyλ,]]>λ為傳輸光波長(zhǎng)。當(dāng)這束光在保偏光纖中傳播時(shí)，將激起兩個(gè)傳輸常數(shù)βx和βy的傳播模式，它們?cè)诠饫w中傳輸時(shí)，由于傳輸常數(shù)不一樣，隨著傳輸距離的增加，其相位差將增大，當(dāng)這個(gè)相位差對(duì)應(yīng)的光程差大于所用光源的相干長(zhǎng)度時(shí)，這兩個(gè)模式將失去干涉對(duì)比度，此時(shí)對(duì)應(yīng)的傳輸光纖長(zhǎng)度被定義為干涉儀去相干長(zhǎng)度。這種由傳輸常數(shù)差所產(chǎn)生的光程差對(duì)溫度敏感并成線性關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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系數(shù)差產(chǎn)生的光程差對(duì)溫度敏感性實(shí)現(xiàn)溫度的傳感，各光學(xué)器件采用全保偏光纖連接提高了傳感器的抗干擾能力，同時(shí)測(cè)量精度優(yōu)于0.01℃。
本發(fā)明的一種反射型保偏光纖溫度傳感器，由光源、光電探測(cè)器、光纖耦合器、起偏器、相位調(diào)制器、保偏光纜延遲環(huán)、保偏光纖、溫度傳感頭、鎖相放大器和信號(hào)發(fā)生電路構(gòu)成，溫度傳感頭由傳感光纖和反射膜構(gòu)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(cè)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(diào)制器的入纖熔接，相位調(diào)制器的尾纖與保偏光纜延遲環(huán)的一端連接，保偏光纜延遲環(huán)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(cè)器的信號(hào)輸出端與鎖相放大器連接，所述信號(hào)發(fā)生電路輸出一次諧波信號(hào)給相位調(diào)制器，信號(hào)發(fā)生電路輸出二次諧波信號(hào)給鎖相放大器。
所述的反射型保偏光纖溫度傳感器，通過(guò)光電探測(cè)器輸出調(diào)制光電信號(hào)給鎖相放大器，所述調(diào)制光電信號(hào)經(jīng)鎖相放大器處理后輸出調(diào)制波幅度VA，由所述調(diào)制波幅度VA得到被測(cè)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(diào)制器的入纖熔接形成一熔接點(diǎn)，所述熔接點(diǎn)的兩保偏光纖的主應(yīng)力軸構(gòu)成一夾角，所述夾角大于0°，小于90°；所述熔接點(diǎn)的兩保偏光纖的主應(yīng)力軸構(gòu)成的夾角角度優(yōu)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(diǎn)，所述熔接點(diǎn)的兩保偏光纖的主應(yīng)力軸構(gòu)成一夾角，所述夾角大于0°，小于90°，所述熔接點(diǎn)的兩保偏光纖的主應(yīng)力軸構(gòu)成的夾角角度優(yōu)選為45°。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)是采用一種簡(jiǎn)單的全保偏干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系數(shù)差產(chǎn)生的光程差對(duì)溫度敏感性實(shí)現(xiàn)溫度的傳感，同時(shí)采用成熟、通用的鎖相放大檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了溫度的測(cè)量。由于這種干涉儀具有很好的穩(wěn)定性，因此這種方法具有很好的抗干擾能力；由于采用相位檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)精度高且測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大、線性度好，因此本方法可實(shí)現(xiàn)高精度，優(yōu)于0.01℃，和大范圍-200℃～+400℃的溫度測(cè)量。


圖1為三種常用的保偏光纖的斷面圖。
圖2是本發(fā)明溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明溫度傳感頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1.光源 2.耦合器 3.起偏器 4.光電探測(cè)器 5.相位調(diào)制器6.保偏光纜延遲環(huán) 7.保偏光纖 8.溫度傳感器 9.鎖相放大器10.信號(hào)發(fā)生電路 11.一次諧波信號(hào) 12.二次諧波信號(hào) 13.模擬量14.耦合器尾纖 15.熔接點(diǎn) 16.熔接點(diǎn) 17.反射膜 18.傳感光纖
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
請(qǐng)參見(jiàn)圖2所示，本發(fā)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(cè)器4、相位調(diào)制器5、保偏光纜延遲環(huán)6、保偏光纖7、溫度傳感頭8、鎖相放大器9和信號(hào)發(fā)生電路10構(gòu)成，所述溫度傳感頭8由傳感光纖18和反射膜17構(gòu)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(cè)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(diào)制器5的入纖熔接，相位調(diào)制器5的尾纖與保偏光纜延遲環(huán)6的一端連接，保偏光纜延遲環(huán)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(hào)發(fā)生電路10輸出一次諧波信號(hào)11給相位調(diào)制器5，信號(hào)發(fā)生電路10輸出二次諧波信號(hào)12給鎖相放大器9，光電探測(cè)器4的輸出端與鎖相放大器9連接。本發(fā)明中的光源1為寬譜光源，相位調(diào)制器5是PZT調(diào)制器或者光電調(diào)制器。
在本發(fā)明中溫度傳感頭8的傳感光纖18長(zhǎng)度小于所用寬譜光源1相干長(zhǎng)度的一半，寬譜光源1相干長(zhǎng)度Lc＝譜寬/中心波長(zhǎng)2，溫度傳感頭8的傳感光纖18長(zhǎng)度優(yōu)選為10mm～25mm。
在本發(fā)明中，溫度傳感頭8、保偏光纜延遲環(huán)6、相位調(diào)制器5、起偏器3、光纖耦合器2、光源1和光電探測(cè)器4構(gòu)成了一個(gè)光纖干涉儀，所述光纖干涉儀是一個(gè)保偏光纖干涉儀，各光學(xué)器件的連接為全光纖連接。
光電探測(cè)器4為普通的探測(cè)器組件；信號(hào)發(fā)生電路10和鎖相放大器9都可采用一般常用的電路或者采用儀器表來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能，如采用Tek公司的AFG310型信號(hào)發(fā)生器和Standford公司的SR830型鎖相放大器，信號(hào)發(fā)生電路10和鎖相放大器9的輸入輸出均為帶屏蔽的信號(hào)電纜。本發(fā)明傳感器經(jīng)鎖相放大器9輸出為模擬量13，但可以通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。
在本發(fā)明中，信號(hào)發(fā)生電路10輸出給相位調(diào)制器5的一次諧波信號(hào)11是正弦調(diào)制波；信號(hào)發(fā)生電路10輸出給鎖相放大器9的二次諧波信號(hào)12為鎖相放大器9的參考信號(hào)。
本發(fā)明的反射型保偏光纖溫度傳感器，其光的走向?yàn)?請(qǐng)參見(jiàn)圖2所示)寬譜光源1發(fā)出的光進(jìn)入光纖耦合器2后被分為兩束相等的光，一部分光進(jìn)入起偏器3，另一部分從光纖耦合器2的尾纖14射出，進(jìn)入起偏器3的光經(jīng)起偏轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振光后并沿保偏光纖主偏振軸傳輸。起偏器3的尾纖與相位調(diào)制器5的入纖熔接，熔接點(diǎn)16的兩保偏光纖(起偏器3的尾纖和相位調(diào)制器5的入纖)的主應(yīng)力軸成一夾角，該夾角大于0°，小于90°，優(yōu)選值為45度，沿保偏光纖的主軸傳輸?shù)墓饨?jīng)過(guò)熔接點(diǎn)16后出現(xiàn)偏振模式耦合，激起兩傳輸常數(shù)βx和βy的傳播模式，這兩個(gè)模式在保偏光纖中傳輸，經(jīng)過(guò)PZT光纖相位調(diào)制器5調(diào)制后，再經(jīng)過(guò)保偏光纖延遲環(huán)6和保偏光纖7到達(dá)溫度傳感頭8(溫度傳感頭8的結(jié)構(gòu)請(qǐng)參見(jiàn)如圖3所示)，溫度傳感頭8由傳感光纖18和反射膜17構(gòu)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(diǎn)15，熔接點(diǎn)15的兩保偏光纖(保偏光纖7與傳感光纖18)的主應(yīng)力軸成一夾角，該夾角大于0°，小于90°，優(yōu)選為45度。在熔接點(diǎn)15，再次出現(xiàn)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，并沿傳感光纖18、保偏光纖7、保偏光纖延遲環(huán)6、PZT調(diào)制器5、起偏器3和光纖耦合器2進(jìn)入探測(cè)器4。
進(jìn)入探測(cè)器4的反射光信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換輸出光電流信號(hào)給鎖相放大器9，當(dāng)在PZT調(diào)制器5上加載頻率為ωm的正弦調(diào)制波，則光電探測(cè)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(cè)器4上的光強(qiáng)電信號(hào)的常系數(shù)，γ(δ)為寬譜光源1的相干度函數(shù)，φm為調(diào)制系數(shù)，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(zhǎng)度，βx為光在X方向上的傳輸常數(shù)，βy為光在y方向上的傳輸常數(shù)，Δβ為傳輸常數(shù)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℃的范圍內(nèi)與被測(cè)量物體溫度成線性比例關(guān)系，其系數(shù)約為10-3，符號(hào)為負(fù)。傳感光纖18長(zhǎng)度與溫度成正比，系數(shù)約為10-6，與C1相比可以忽略，設(shè)被測(cè)物體溫度為T(mén)，Δβ和傳感光纖18長(zhǎng)度L的溫度系數(shù)分別為C1和C2，溫度傳感頭8在溫度T0時(shí)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，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系數(shù)，可得到被測(cè)物體溫度T＝A·δ+B，其中A＝1/Δβ0L0C1，B＝(C1T0-1)/C1。
當(dāng)用Bessel函數(shù)將式(1)展開(kāi)后，可發(fā)現(xiàn)所有的諧波分量都攜帶VA的信息，其中，信號(hào)發(fā)生電路10輸出的二次諧波信號(hào)12最強(qiáng)，而且對(duì)其它干擾位相不敏感，在本項(xiàng)發(fā)明中，選取二次諧波信號(hào)12的幅度作為檢測(cè)對(duì)象。如圖2所示，光電探測(cè)器4輸出光電電流信號(hào)給鎖相放大器9，信號(hào)發(fā)生電路10輸出的一次諧波信號(hào)11用于PZT相位調(diào)制器5的相位調(diào)制，信號(hào)發(fā)生電路10輸出的二次諧波信號(hào)12作為參考信號(hào)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(guān)，測(cè)出VA后，根據(jù)式(2)可得到相位差δ的值，進(jìn)而測(cè)得溫度值。因此信號(hào)檢測(cè)的目的在于檢測(cè)式(1)描述的信號(hào)的幅值。從式(3)可以看出，當(dāng)有溫度場(chǎng)通過(guò)接觸或輻射作用在溫度傳感頭8上時(shí)，在光纖干涉儀中將產(chǎn)生比例于溫度的非互易位相變化，通過(guò)信號(hào)檢測(cè)可測(cè)出位相變化，通過(guò)模型變換便可得到測(cè)量的溫度值，這個(gè)模型為T(mén)=(arccos(VA-a1a2)-a3)/a4---(4)]]>式(4)中a1，a2，a3和a4為模型參數(shù)，可通過(guò)溫度標(biāo)定得到。其中的運(yùn)算功能已有通用的技術(shù)，當(dāng)需要模擬信號(hào)輸出時(shí)，可采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，需要數(shù)字輸出時(shí)，可通過(guò)數(shù)字計(jì)算得到。
本發(fā)明的反射型保偏光纖溫度傳感器，是采用一種簡(jiǎn)單的全保偏干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(chǎn)生的熔點(diǎn))的兩偏振模式的傳輸系數(shù)差產(chǎn)生的光程差對(duì)溫度敏感性實(shí)現(xiàn)溫度的傳感，同時(shí)采用成熟、通用的鎖相放大檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了溫度的測(cè)量。由于本發(fā)明的光纖干涉儀具有較高的穩(wěn)定性，使溫度傳感器具有較強(qiáng)的抗干擾能力；由于采用相位檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)精度高且測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大、線性度好，因此本發(fā)明的溫度傳感器可以實(shí)現(xiàn)高精度即優(yōu)于0.01℃和大范圍-200℃～+400℃的溫度測(cè)量。
權(quán)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(cè)器(4)、相位調(diào)制器(5)、信號(hào)發(fā)生電路(10)，其特征在于還包括光纖耦合器(2)、起偏器(3)、保偏光纜延遲環(huán)(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(gòu)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(cè)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(diào)制器(5)的入纖熔接，相位調(diào)制器(5)的尾纖與保偏光纜延遲環(huán)(6)的一端連接，保偏光纜延遲環(huán)(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(cè)器(4)的信號(hào)輸出端與鎖相放大器(9)連接，所述信號(hào)發(fā)生電路(10)輸出一次諧波信號(hào)(11)給相位調(diào)制器(5)，信號(hào)發(fā)生電路(10)輸出二次諧波信號(hào)(12)給鎖相放大器(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射型保偏光纖溫度傳感器，其特征在于所述光電探測(cè)器(4)輸出調(diào)制光電信號(hào)給鎖相放大器(9)，所述調(diào)制光電信號(hào)經(jīng)鎖相放大器(9)處理后輸出調(diào)制波幅度VA，由所述調(diào)制波幅度VA得到被測(cè)溫度T=(arccos(VA-a1a2)-a3)/a4.]]>
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射型保偏光纖溫度傳感器，其特征在于信號(hào)發(fā)生電路(10)輸出給相位調(diào)制器(5)的一次諧波信號(hào)(11)是正弦調(diào)制波；信號(hào)發(fā)生電路(10)輸出給鎖相放大器(9)的二次諧波信號(hào)(12)為鎖相放大器(9)的參考信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射型保偏光纖溫度傳感器，其特征在于溫度傳感頭(8)中的傳感光纖(18)為應(yīng)力型雙折射保偏光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射型保偏光纖溫度傳感器，其特征在于起偏器(3)的尾纖與相位調(diào)制器(5)的入纖熔接形成一熔接點(diǎn)(16)，所述熔接點(diǎn)(16)的兩保偏光纖的主應(yīng)力軸構(gòu)成一夾角，所述夾角大于0°，小于90°；所述熔接點(diǎn)(16)的兩保偏光纖的主應(yīng)力軸構(gòu)成的夾角角度優(yōu)選為45°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射型保偏光纖溫度傳感器，其特征在于保偏光纖(7)與溫度傳感頭(8)的傳感光纖(18)熔接形成一熔接點(diǎn)(15)，所述熔接點(diǎn)(15)的兩保偏光纖的主應(yīng)力軸構(gòu)成一夾角，所述夾角大于0°，小于90°，所述熔接點(diǎn)(15)的兩保偏光纖的主應(yīng)力軸構(gòu)成的夾角角度優(yōu)選為45°。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射型保偏光纖溫度傳感器，其特征在于溫度傳感頭(8)的傳感光纖(18)長(zhǎng)度小于光源(1)相干長(zhǎng)度的一半，優(yōu)選傳感光纖(18)的長(zhǎng)度為10mm～25mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射型保偏光纖溫度傳感器，其特征在于溫度測(cè)量范圍為-200℃～+400℃，溫度測(cè)量精度優(yōu)于0.01℃。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)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(cè)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(diào)制器的入纖熔接，相位調(diào)制器的尾纖與保偏光纜延遲環(huán)的一端連接，保偏光纜延遲環(huán)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(cè)器的信號(hào)輸出端與鎖相放大器連接，信號(hào)發(fā)生電路輸出一次諧波信號(hào)給相位調(diào)制器，信號(hào)發(fā)生電路輸出二次諧波信號(hào)給鎖相放大器。本發(fā)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系數(shù)差產(chǎn)生的光程差對(duì)溫度敏感性實(shí)現(xiàn)溫度的傳感，通過(guò)對(duì)鎖相放大器輸出的調(diào)制波幅度V
文檔編號(hào)G01K11/00GK1687725SQ20051007506
公開(kāi)日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2005年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月8日
發(fā)明者楊遠(yuǎn)洪, 沈銘 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)