專利名稱：高靈敏拉曼傳感光纖感溫火災(zāi)探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及火災(zāi)探測(cè)器，尤其是分布式光纖拉曼光子感溫火災(zāi)探測(cè)器。
背景技術(shù)：
長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外在消防技術(shù)與工程領(lǐng)域主要使用纜式線型感溫火災(zāi)探測(cè)器，探測(cè)器的敏感元件——感溫電纜由兩芯或四芯組成，采用“開/關(guān)”式或模擬原理設(shè)計(jì)的火災(zāi)探測(cè)器。當(dāng)感溫電纜達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度時(shí)，進(jìn)行報(bào)警。感溫電纜雖然價(jià)格相對(duì)低廉，但存在本身帶電，非本質(zhì)安全型、不能定位，、探測(cè)距離短，也很難預(yù)報(bào)防災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)溫度的変化過程等缺陷。近十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的利用分布式光纖散射型溫度傳感器和準(zhǔn)分布式的光纖溫度傳感器(主要有光纖光柵型和光纖法珀型)作為線型火災(zāi)監(jiān)測(cè)感溫光纖的感溫火災(zāi)探測(cè)器，它可以在線實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)溫度的変化，可以在很大的溫度范圍設(shè)置報(bào)警溫度，是本質(zhì)安全型的線型感溫火災(zāi)探測(cè)器。在電力工業(yè)、石化企業(yè)和土木工程上已成功地應(yīng)用。分布式光纖溫度傳感器有兩種一種是拉曼散射型，另一種是布里淵散射型。分布式光纖拉曼光子感溫火災(zāi)探測(cè)器采用普通市售通信光纖作為敏感元件(中國(guó)發(fā)明專利《分布式光纖拉曼光子感溫火災(zāi)探測(cè)器》專利號(hào)=200810120192. 4，授權(quán)公告號(hào) CN 201266419Y)，但通信光纖的散射信號(hào)很弱，因此，拉曼溫度信號(hào)也很弱，需要采用高靈敏度、低噪音的弱光信號(hào)檢測(cè)設(shè)備，采用多級(jí)放大，帶來(lái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本很高，靈敏度太低， 可靠性較差等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信噪比好，可靠性好的高靈敏度拉曼傳感光纖的分布式光纖拉曼光子感溫火災(zāi)探測(cè)器。發(fā)明的高靈敏度拉曼傳感光纖的分布式光纖拉曼光子感溫火災(zāi)探測(cè)器，包括光脈沖激光器，集成型光纖波分復(fù)用器，高靈敏度拉曼傳感光纖，兩個(gè)光電接收、放大模塊，數(shù)字信號(hào)處理器和顯示器或報(bào)警器，集成型光纖波分復(fù)用器具有四個(gè)端口，其中的1550nm端口與光脈沖激光器相連，COM端口與本征型感溫光纖相連，1450nm端口與第一光電接收、放大模塊相連，1660nm端口與第二光電接收、放大模塊相連，第一光電接收、放大模塊的另一端和第二接收、放大模塊的另一端分別與數(shù)字信號(hào)處理器相連，數(shù)字信號(hào)處理器的信號(hào)輸出端連接顯示器和報(bào)警器。溫度信號(hào)通過通訊接口、通訊協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸，當(dāng)高靈敏度拉曼傳感光纖上的拉曼光子感溫火災(zāi)探測(cè)點(diǎn)所在空域溫度達(dá)到設(shè)定的火災(zāi)報(bào)警溫度時(shí)，向火災(zāi)報(bào)警控制器發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。上述的光脈沖激光器采用中心波長(zhǎng)為1550nm，光譜寬度為0. lnm，激光脈沖寬度為16ns，峰值功率為10W，重復(fù)頻率為4kHz的光脈沖激光器。本發(fā)明中的高靈敏度拉曼傳感光纖的特征是具有高溫度靈敏度的特種62. 5/125或50/125多模傳感光纖或單模傳感光纖，高靈敏度拉曼傳感光纖的溫度傳感信號(hào)要比市售通信光纖強(qiáng)五倍以上，長(zhǎng)度為IOOm 15km。光纖由透明二氧化硅(Si02)的石英材料做成的纖芯和在它周圍采用比纖芯的折射率稍低的材料做成的包層組成，高靈敏度拉曼傳感光纖是在二氧化硅(Si02)纖芯中摻入較高濃度的23mol. %二氧化鍺(Ge02) ，纖芯與包層的折射率差約為0.030。在特種場(chǎng)合使用，可在光纖表面涂敷碳膜，構(gòu)成碳涂層傳感光纖。高靈敏度拉曼傳感光纖鋪設(shè)在防災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，該光纖不帶電，抗電磁干擾，耐輻射，耐腐蝕，既是傳輸介質(zhì)又是傳感介質(zhì)。光脈沖激光器發(fā)出激光脈沖通過集成型光纖波分復(fù)用器射入高靈敏度拉曼傳感光纖，在高靈敏度拉曼傳感光纖上產(chǎn)生的背向斯托克斯和反斯托克斯拉曼光子波經(jīng)集成型光纖波分復(fù)用器分束，分別經(jīng)兩個(gè)光電接收、放大模塊，由兩者的強(qiáng)度比，得到光纖各段的溫度信息，給出高靈敏度拉曼傳感光纖上各感溫探測(cè)點(diǎn)的溫度，溫度變化速度和方向，利用光時(shí)域反射對(duì)感溫光纖上拉曼光子感溫火災(zāi)探測(cè)點(diǎn)定位(光纖雷達(dá)定位)。通過數(shù)字信號(hào)處理器解調(diào)，經(jīng)過溫度定標(biāo)，在30秒內(nèi)得到高靈敏度拉曼傳感光纖上拉曼光子感溫火災(zāi)探測(cè)點(diǎn)各空域處的溫度變化量，測(cè)溫精度士 1 °C，空間分辨率不大于 lm，在-30°C -300°C范圍內(nèi)進(jìn)行火災(zāi)在線監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，由顯示器顯示并通過通訊接口、通訊協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸，當(dāng)高靈敏度拉曼傳感光纖上的拉曼光子感溫火災(zāi)探測(cè)點(diǎn)所在空域溫度達(dá)到設(shè)定的火災(zāi)報(bào)警溫度時(shí)，向火災(zāi)報(bào)警控制器發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。高靈敏度拉曼傳感光纖分布式光纖拉曼光子感溫火災(zāi)探測(cè)器的測(cè)溫原理光纖脈沖激光器發(fā)出激光脈沖通過集成型光纖波分復(fù)用器射入高靈敏度拉曼傳感光纖，激光與傳感光纖分子的非線性相互作用，入射光子被一個(gè)分子散射成另一個(gè)低頻斯托克斯光子或高頻反斯托克斯光子，相應(yīng)的分子完成兩個(gè)振動(dòng)態(tài)之間的躍遷，放出一個(gè)聲子稱為斯托克斯拉曼散射光子，吸收一個(gè)聲子稱為反斯托克斯拉曼散射光子，光纖分子的聲子頻率為13. 2THz。光纖分子能級(jí)上的粒子數(shù)熱分布服從波爾茲曼(Boltzmarm)定律， 反斯托克斯拉曼散射光與斯托克斯拉曼散射光的強(qiáng)度比R(T)
- "14 f Mvi.R(T)= 押
LvJ(υ其中vas, vs分別是反斯托克斯拉曼散射光子與斯托克斯拉曼散射光子的頻率，h 是波朗克(Planck)常數(shù)，Avr是一光纖分子的聲子頻率為13. 2THz, k是波爾茲曼常數(shù)，T 是凱爾文(Kelvin)絕對(duì)溫度。由兩者的強(qiáng)度比，得到光纖各段的溫度信息。拉曼散射光子的溫度靈敏度，由(1) 式得到
1 dR{T) _ MvrR(T) dT = I^fr⑵所說(shuō)的集成型光纖波分復(fù)用器可由分立的光纖雙向耦合器、光纖平行光路、斯托
克斯和反斯托克斯拉曼散射光寬帶濾光片集成，具有1550nm，C0M，1450nm和1660nm四個(gè)端□。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明采用高靈敏特種拉曼傳感光纖，光纖拉曼溫度信號(hào)增強(qiáng)了五倍以上，大大提高了分布式光纖拉曼光子溫度傳感器系統(tǒng)的信噪比，可靠性和空間分辨率，降低了成本； 鋪設(shè)在防災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的高靈敏度拉曼傳感光纖是絕緣的，不帶電的，抗電磁干擾，耐輻射，耐腐蝕的，是本質(zhì)安全型的，光纖既是傳輸介質(zhì)又是傳感介質(zhì)，是高靈敏度拉曼傳感光纖，并具有50年以上的長(zhǎng)壽命，本發(fā)明適用于中、短程0-15公里工業(yè)領(lǐng)域線型感溫火災(zāi)探測(cè)。由于本傳感光纖的靈敏度比普通市售通訊光纖高5倍以上，因此在工程設(shè)計(jì)上可架空安裝在被保護(hù)動(dòng)力電纜上方，可大大方便用戶維護(hù)檢修，及大幅度降低工程成本。(纜式線型感溫和普通市售拉曼傳感光纖都要接觸安裝在被保護(hù)動(dòng)力電纜表面，因此在檢修動(dòng)力電纜時(shí)要把它們統(tǒng)統(tǒng)拆掉再重新安裝上。)


圖1是高靈敏度拉曼傳感光纖的分布式光纖拉曼光子感溫火災(zāi)探測(cè)器的示意圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，高靈敏度拉曼傳感光纖的分布式光纖拉曼光子感溫火災(zāi)探測(cè)器包括光脈沖激光器10，集成型光纖波分復(fù)用器11，高靈敏度拉曼傳感光纖12，兩個(gè)光電接收放大模塊13、14，數(shù)字信號(hào)處理器15顯示器和報(bào)警器16，集成型光纖波分復(fù)用器11具有四個(gè)端口，其中的1550nm端口與光脈沖激光器10相連，COM端口與本征型感溫光纖12相連， 1450nm端口與第一光電接收放大模塊13相連，1660nm端口與第二光電接收放大模塊14相連，第一光電接收放大模塊13的另一端和第二光電接收放大模塊14的另一端分別與信號(hào)處理器15相連，信號(hào)處理器15的信號(hào)輸出端連接顯示器和報(bào)警器16。溫度信號(hào)通過通訊接口、通訊協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸，當(dāng)高靈敏度拉曼傳感光纖上的拉曼光子感溫火災(zāi)探測(cè)點(diǎn)所在空域溫度達(dá)到設(shè)定的火災(zāi)報(bào)警溫度時(shí)，向火災(zāi)報(bào)警控制器發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。其中，光脈沖激光器采用中心波長(zhǎng)為1550nm，光譜寬度為0. lnm，激光脈沖寬度為 16ns，峰值功率為10W，重復(fù)頻率為4kHz的光脈沖激光器。鋪設(shè)在防災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的高靈敏度拉曼傳感光纖為15公里長(zhǎng)的62. 5/125多模光纖，感溫長(zhǎng)度為3米，具有5000個(gè)感溫探測(cè)點(diǎn)。 數(shù)字信號(hào)處理器采用通用的信號(hào)處理卡，插在計(jì)算機(jī)內(nèi)，信號(hào)處理器可采用美國(guó)NI公司的雙通道IOOMHz帶寬，lOOMS/s采集率的NI5911型信號(hào)處理卡，或采用加拿大GaGe公司雙通道，500MS/s采集率的CS21GB-1GHZ型信號(hào)處理卡。
權(quán)利要求
1.高靈敏特種拉曼傳感光纖感溫火災(zāi)探測(cè)器，包括光脈沖激光器(10)，集成型光纖波分復(fù)用器(11)，高靈敏度拉曼傳感光纖(12)，第一、第二光電接收放大模塊(13)、(14)，數(shù)字信號(hào)處理器(15)和顯示器和報(bào)警器(16)；所述集成型光纖波分復(fù)用器(11)具有四個(gè)端口，其中的1550nm端口與光脈沖激光器(10)相連，COM端口與高靈敏度拉曼傳感光纖(12) 相連，1450nm端口與第一光電接收放大模塊(13)相連，1660nm端口與第二光電接收放大模塊(14)相連，第一光電接收放大模塊(13)的另一端和第二光電接收、放大模塊(14)的另一端分別與數(shù)字信號(hào)處理器(15)相連，數(shù)字信號(hào)處理器(15)的信號(hào)輸出端連接顯示器和報(bào)警器(16)；其特征在于所述高靈敏度拉曼傳感光纖(12)是具有高靈敏度的特種62. 5/125或 50/125多模光纖或單模光纖，長(zhǎng)度為IOOm 15km，其在二氧化硅(Si02)纖芯中摻入23mol. %濃度的二氧化鍺(Ge02)，纖芯與包層的折射率差約為0. 030。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏特種拉曼傳感光纖感溫火災(zāi)探測(cè)器，可在所述高靈敏度光纖表面涂敷碳膜，構(gòu)成碳涂層傳感光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏特種拉曼傳感光纖感溫火災(zāi)探測(cè)器，所述第一、第二光電接收放大模塊(13)、(14)是由InGaAs光電雪崩二極管和相應(yīng)的放大模塊組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏特種拉曼傳感光纖感溫火災(zāi)探測(cè)器，所述集成型光纖波分復(fù)用器(11)，由分立的光纖雙向耦合器、光纖平行光路、斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光寬帶濾光片集成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏特種拉曼傳感光纖感溫火災(zāi)探測(cè)器，所述光脈沖激光器(10)的中心波長(zhǎng)為1550nm，光譜寬度為0. lnm，激光脈沖寬度為16ns，峰值功率為10W， 重復(fù)頻率為4kHz。
全文摘要
本發(fā)明公開了高靈敏特種拉曼傳感光纖感溫火災(zāi)探測(cè)器，它是基于高靈敏度拉曼傳感光纖，集成型光纖波分復(fù)用技術(shù)，利用傳感光纖的反斯托克斯拉曼光子強(qiáng)度受光纖溫度調(diào)制原理和光時(shí)域反射原理制成的感溫火災(zāi)探測(cè)器，包括光脈沖激光器，集成型光纖波分復(fù)用器，高靈敏度拉曼傳感光纖，兩個(gè)光電接收、放大模塊，數(shù)字信號(hào)處理器和顯示器、報(bào)警器。高靈敏度特種拉曼傳感光纖與普通市售通信光纖相比，大大增強(qiáng)了光纖拉曼溫度信號(hào)。本發(fā)明的高靈敏特種拉曼傳感光纖感溫火災(zāi)探測(cè)器是本質(zhì)安全型的，成本低、可重復(fù)使用、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信噪比好，壽命長(zhǎng)、可靠性好，整體技術(shù)性能超過現(xiàn)有纜式線型感溫及普通市售拉曼光纖感溫火災(zāi)探測(cè)器，適用于中、短程0-15公里工業(yè)領(lǐng)域線型感溫及火災(zāi)探測(cè)。
文檔編號(hào)G01K11/32GK102280004SQ20111014987
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者劉星, 陳向陽(yáng) 申請(qǐng)人:無(wú)錫圣敏傳感科技有限公司