專利名稱：一種sms光纖結(jié)構(gòu)復(fù)用傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于SMS光纖結(jié)構(gòu)復(fù)用實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)力、折射率等多參數(shù)同時(shí)測(cè)量的光纖傳感器。
背景技術(shù)：
光纖傳感器具有許多傳統(tǒng)的傳感器不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如靈敏度高、體積小、絕緣性好、可實(shí)現(xiàn)分布測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，很多物理量如壓力、溫度、應(yīng)力(應(yīng)變)、磁場(chǎng)、折射率、形變、微振動(dòng)、微位移和聲壓等都能用光纖傳感技術(shù)進(jìn)行高精度測(cè)量。由于光纖傳感器本身的優(yōu)勢(shì)，不斷有新型傳感器問世。其中，基于單模光纖-多模光纖-單模光纖(SMS)結(jié)構(gòu)的多模光纖傳感器和基于光時(shí)域反射的分布式光纖傳感技術(shù)發(fā)展速度迅猛，這種多模光纖傳感器最重要的部分是SMS光纖結(jié)構(gòu)，傳感頭是多模光纖。SMS 光纖結(jié)構(gòu)是將多模光纖通過單模光纖接入光纖系統(tǒng)，外界環(huán)境的變化引起該結(jié)構(gòu)透射性能發(fā)生變化，通過監(jiān)測(cè)透射性能的改變實(shí)現(xiàn)環(huán)境參量的測(cè)量。目前出現(xiàn)的與本發(fā)明相似的光纖溫度傳感器，是經(jīng)過封裝的SMS光纖結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，光纖溫度傳感器的靈敏度達(dá)到-3. 915nm/°C。然而這種傳感器無法實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)，只能實(shí)現(xiàn)單一參量測(cè)量，使得傳感器的成本很高。光時(shí)域反射儀工作的依據(jù)是光的背向散射原理。光纖的背向散射是由瑞利散射和菲涅耳散射反射引起的，菲涅耳反射是由折射率變化引起的，一般發(fā)生在接續(xù)點(diǎn)、對(duì)接處和光纖的端面。背向散射是由于介質(zhì)不均勻引起的散射光中，會(huì)有一部分光沿著光路傳輸?shù)南喾捶较騻骰匕l(fā)送端。光時(shí)域反射儀就是利用光纖中背向散射光的強(qiáng)度有一定規(guī)律的原理來進(jìn)行測(cè)量的。基于光時(shí)域反射(OTDR)的分布式光纖測(cè)量技術(shù)最顯著的優(yōu)點(diǎn)是可以準(zhǔn)確地測(cè)出光纖沿線任一點(diǎn)上的應(yīng)力、溫度、振動(dòng)和損傷等信息，無需構(gòu)成回路。目前公開的基于OTDR 的光纖傳感器，采用特殊的光纖，通過光時(shí)域反射方法解調(diào)來測(cè)量高溫，OTDR用來確定沿光纖不同位置處的不同損耗，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的，但是該方法也只能測(cè)量單一參數(shù)，無法進(jìn)行環(huán)境復(fù)雜的多參數(shù)測(cè)量。光時(shí)域反射儀沿光纖長(zhǎng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，精確分析每一處信息的變化，也就是說光時(shí)域反射儀可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)連入的多個(gè)結(jié)構(gòu)處光強(qiáng)的變化情況，為實(shí)現(xiàn)多個(gè)光纖傳感器復(fù)用提供了可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種借助光時(shí)域反射方法解調(diào)多個(gè)SMS光纖結(jié)構(gòu)的反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)多參數(shù)同時(shí)測(cè)量的光纖傳感器。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的由光時(shí)域反射儀連接至少2個(gè)SMS光纖結(jié)構(gòu)組成，其中SMS光纖結(jié)構(gòu)由一段多模光纖在兩端連接單模光纖組成。
本發(fā)明還可以包括1.所述的SMS光纖結(jié)構(gòu)以串聯(lián)方式連接在一起。2.所述的SMS光纖結(jié)構(gòu)分別連接在耦合器的不同分路上。3.每條耦合器分路上連接至少2個(gè)SMS光纖結(jié)構(gòu)，這些SMS光纖結(jié)構(gòu)以串聯(lián)方式
連接在一起。4.所述的SMS光纖結(jié)構(gòu)中多模光纖的長(zhǎng)度為SMS光纖結(jié)構(gòu)的自像點(diǎn)距離。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在該傳感器可以準(zhǔn)確測(cè)出光纖沿線任一點(diǎn)上的應(yīng)力、溫度、振動(dòng)和損傷等信息無需構(gòu)成回路。解調(diào)基于多模干涉原理，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)SMS光纖結(jié)構(gòu)處光損耗的變化，實(shí)現(xiàn)多個(gè)SMS光纖結(jié)構(gòu)的復(fù)用，能夠?qū)囟?、?yīng)力、折射率等多參量進(jìn)行同時(shí)測(cè)量，降低了傳感系統(tǒng)的成本，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，靈敏度高。


圖1為SMS光纖結(jié)構(gòu)串聯(lián)復(fù)用實(shí)現(xiàn)多參數(shù)同時(shí)測(cè)量的光纖傳感器示意圖；圖2為SMS光纖結(jié)構(gòu)并聯(lián)復(fù)用實(shí)現(xiàn)多參數(shù)同時(shí)測(cè)量的光纖傳感器示意圖；圖3為SMS光纖結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為腐蝕后的SMS光纖結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為光時(shí)域反射損耗示例圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明具體技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。SMS光纖結(jié)構(gòu)復(fù)用傳感器采用大芯徑多模光纖做傳感頭，導(dǎo)入端和導(dǎo)出端的單模光纖為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖。當(dāng)多模光纖的參數(shù)合適，單個(gè)SMS光纖結(jié)構(gòu)可用來測(cè)量溫度、應(yīng)力、 折射率等某一參量的變化，多個(gè)SMS光纖結(jié)構(gòu)復(fù)用便可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)參量同時(shí)測(cè)量。光時(shí)域反射儀沿光纖長(zhǎng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，可以在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示各個(gè)SMS光纖結(jié)構(gòu)處的光損耗情況，如串聯(lián)在一起的SMS光纖結(jié)構(gòu)可分別監(jiān)測(cè)折射率、溫度或應(yīng)力等參數(shù)的變化， 外界參量發(fā)生改變則光時(shí)域反射儀上顯示的各處光損耗大小也會(huì)隨之改變。通過確定光損耗的變化來定量分析溫度、應(yīng)力、折射率等參數(shù)的變化情況，最終實(shí)現(xiàn)多參數(shù)同時(shí)測(cè)量。為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，參照附圖結(jié)合具體的實(shí)施例， 對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。如圖1所示，圖1為SMS光纖結(jié)構(gòu)串聯(lián)復(fù)用實(shí)現(xiàn)多參數(shù)同時(shí)測(cè)量的光纖傳感器示意圖。該圖顯示的是多個(gè)SMS光纖結(jié)構(gòu)的串聯(lián)復(fù)用，這些SMS光纖結(jié)構(gòu)通過單模光纖相連。 光時(shí)域反射儀沿光纖長(zhǎng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，各個(gè)SMS光纖結(jié)構(gòu)末端輸出的光強(qiáng)隨外界條件的改變而發(fā)生變化，并被光時(shí)域反射儀所探測(cè)。這種解調(diào)不是利用單模和多模光纖的焊接端面反射，而是基于多模干涉原理，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)SMS光纖結(jié)構(gòu)處光損耗的變化， 實(shí)現(xiàn)SMS光纖結(jié)構(gòu)傳感的復(fù)用。如圖2所示，圖2為SMS光纖結(jié)構(gòu)并聯(lián)復(fù)用實(shí)現(xiàn)多參數(shù)同時(shí)測(cè)量的光纖傳感器示意圖。該圖顯示的是多個(gè)SMS光纖結(jié)構(gòu)傳感器的并聯(lián)復(fù)用，由于光時(shí)域反射儀是沿光纖長(zhǎng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，我們通過控制入射單模光纖長(zhǎng)度的不同保證各個(gè)SMS光纖結(jié)構(gòu)處于長(zhǎng)度不同的位置。在需要時(shí)，采用其它連接方式也是可以的，比如串并聯(lián)結(jié)合等。如圖3所示，圖3為SMS光纖結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。SMS光纖結(jié)構(gòu)由兩段單模光纖和連接在它們之間的一段多模光纖構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)采用大芯徑多模光纖做傳感頭，導(dǎo)入端與導(dǎo)出端的單模光纖為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖。為使傳感頭更靈敏，多模光纖的芯徑為105um，長(zhǎng)度等于自像點(diǎn)距離，約為5cm左右。當(dāng)外界條件改變，SMS光纖結(jié)構(gòu)傳感器的透射性能也發(fā)生變化，導(dǎo)致從單模輸出光纖輸出的光強(qiáng)隨之變化，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光強(qiáng)的改變來完成環(huán)境參量的測(cè)量。如圖4所示，圖4為腐蝕后的SMS光纖結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)其中一個(gè)SMS光纖結(jié)構(gòu)用來測(cè)量環(huán)境折射率時(shí)，為提高測(cè)量靈敏度，需用濃度為40%的氫氟酸對(duì)多模光纖包層部分進(jìn)行腐蝕，來減小包層厚度。如圖5所示，圖5為光時(shí)域反射損耗示例圖。光時(shí)域反射儀(OTDR)向被測(cè)光纖發(fā)送光脈沖，當(dāng)光脈沖通過光纖傳輸時(shí)沿光纖長(zhǎng)度上的各點(diǎn)均會(huì)引起散射，在光纖斷纖點(diǎn)或端面會(huì)產(chǎn)生菲涅爾反射。光纖各點(diǎn)的散射光和反射光的強(qiáng)弱與傳輸?shù)皆擖c(diǎn)的光功率有關(guān)， 所以返回到輸入端的反射和散射光的強(qiáng)弱也就反映了信號(hào)沿光纖的衰減情況。如圖所示， 光時(shí)域反射儀可以在線監(jiān)測(cè)并顯示光纖不同距離處的光損耗情況，光損耗的變化實(shí)時(shí)反映各個(gè)SMS光纖結(jié)構(gòu)處感應(yīng)的外界參量的變化，如外界折射率發(fā)生改變則光時(shí)域反射率發(fā)生改變則光時(shí)域反射儀上顯示的光損耗大小也會(huì)隨之變化。光時(shí)域反射儀向被測(cè)光纖發(fā)送光脈沖，當(dāng)光脈沖通過光纖傳輸時(shí)沿光纖長(zhǎng)度上的各點(diǎn)均會(huì)引起散射，在光纖斷纖點(diǎn)或端面會(huì)產(chǎn)生菲涅耳反射。光纖各點(diǎn)的散射光和反射光的強(qiáng)弱與傳輸?shù)皆擖c(diǎn)的光功率有關(guān)，所以返回到輸入端的反射和散射光的強(qiáng)弱也就反映了信號(hào)沿光纖的衰減情況。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體制備方法做了進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明借助光時(shí)域反射方法解決了多個(gè)SMS光纖結(jié)構(gòu)傳感器復(fù)用的問題，實(shí)現(xiàn)了溫度、折射率、 應(yīng)力等多參數(shù)同時(shí)測(cè)量，降低了傳感系統(tǒng)的成本，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，靈敏度高。
權(quán)利要求
1.一種SMS光纖結(jié)構(gòu)復(fù)用傳感器，其特征是由光時(shí)域反射儀連接至少2個(gè)SMS光纖結(jié)構(gòu)組成，其中SMS光纖結(jié)構(gòu)由一段多模光纖在兩端連接單模光纖組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SMS光纖結(jié)構(gòu)復(fù)用傳感器，其特征是所述的SMS光纖結(jié)構(gòu)以串聯(lián)方式連接在一起。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SMS光纖結(jié)構(gòu)復(fù)用傳感器，其特征是所述的SMS光纖結(jié)構(gòu)分別連接在耦合器的不同分路上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的SMS光纖結(jié)構(gòu)復(fù)用傳感器，其特征是每條耦合器分路上連接至少2個(gè)SMS光纖結(jié)構(gòu)，這些SMS光纖結(jié)構(gòu)以串聯(lián)方式連接在一起。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的SMS光纖結(jié)構(gòu)復(fù)用光纖傳感器，其特征是所述的SMS光纖結(jié)構(gòu)中多模光纖的長(zhǎng)度為SMS光纖結(jié)構(gòu)的自像點(diǎn)距離。
全文摘要
本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于SMS光纖結(jié)構(gòu)復(fù)用實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)力、折射率等多參數(shù)同時(shí)測(cè)量的光纖傳感器。由光時(shí)域反射儀連接至少2個(gè)SMS光纖結(jié)構(gòu)組成，其中SMS光纖結(jié)構(gòu)由一段多模光纖在兩端連接單模光纖組成。本發(fā)明還可以包括所述的SMS光纖結(jié)構(gòu)以串聯(lián)方式連接在一起。所述的SMS光纖結(jié)構(gòu)分別連接在耦合器的不同分路上。每條耦合器分路上連接至少2個(gè)SMS光纖結(jié)構(gòu)，這些SMS光纖結(jié)構(gòu)以串聯(lián)方式連接在一起。所述的SMS光纖結(jié)構(gòu)中多模光纖的長(zhǎng)度為SMS光纖結(jié)構(gòu)的自像點(diǎn)距離。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了溫度、應(yīng)力、折射率等多參量同時(shí)測(cè)量，降低了傳感系統(tǒng)的成本，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，靈敏度高。
文檔編號(hào)G01D21/02GK102393220SQ201110316339
公開日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月18日
發(fā)明者孫偉民, 張安娜, 張建中, 彭石軍, 苑立波, 郝倩倩 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)