一種用于多通道分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的微型光模塊的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于多通道分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的微型光模塊，其不同之處在于：其包括單模轉(zhuǎn)多模準直器、多模準直器、兩個波分復用濾波片、一個光路切換元件、兩個帶通濾波片、兩個具有會聚功能的TO氣密性封裝的雪崩光電二極管APD、閉封裝整個光學器件的殼體，所述單模轉(zhuǎn)多模準直器的透射光路上平行設置有兩個與光軸成夾角的波分復用濾波片，每個波分復用濾波片的反射光路上均設置有一個所述雪崩光電二極管APD，每個雪崩光電二極管APD上方均設置有所述帶通濾波片，所述帶通濾波片的入射光與光軸成夾角，波分復用濾波片與多模準直器之間設置有用以切換光路通道的光路切換元件。本發(fā)明能多通道測量，集成度高、體積小、可靠性高。
【專利說明】一種用于多通道分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的微型光模塊
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感、光學測量【技術領域】，具體涉及一種用于多通道分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的微型光模塊。
【背景技術】
[0002]分布式光纖溫度傳感技術是近幾年國內(nèi)飛速發(fā)展的關鍵技術之一。分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)以普通多模光纖為傳感載體，不僅具有普通光纖傳感器的優(yōu)點，另還有對光纖沿線各點的溫度場分布進行實時傳感的能力，非常適用于大范圍多點測溫的應用場合，t匕如高壓電力電纜、大型發(fā)電機、變壓器、煤炭、鍋爐等測溫場合。
[0003]分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)基本原理主要是基于光纖的背向拉曼散射溫度效應和先進的光時域反射(OTDR)技術。當一個或一系列激光脈沖從光纖的一端注入光纖時，這個光脈沖會沿著光纖向前傳播，在傳播過程中，光會在光纖沿線的每一點都會產(chǎn)生喇曼散射現(xiàn)象，產(chǎn)生的喇曼散射光中，有一部分光被光纖重新捕獲并沿著激光傳播相反的方向返回，此部分喇曼散射光被稱為背向散射光。在散射光中，光波長大于入射激光脈沖波長的成分被稱為斯托克斯光(Stock, S);波長小于入射激光脈沖波長的成分被稱為反斯托克斯光(Ant1-Stockes, AS)。這兩種信號即喇曼斯托克斯光和喇曼反斯托克斯光的強度正好對當前光纖所在位置處的溫度敏感，因此可以通過探測這兩個信號的大小計算出當前光纖點所在位置處的溫度，并且通過計算背向散射信號與入射光脈沖之間的時間差，就可以通過背向散射信號在光纖中傳播的速度推算出此溫度數(shù)據(jù)是對應于光纖中的哪一點。
[0004]分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)測量時間通常與測溫光纜長度成正比，因此在很多場合，都采用多通道測量方式來節(jié)約系統(tǒng)成本和系統(tǒng)占用體積。但目前大多廠家都是通過在主機內(nèi)配置一個或多個光開光模塊來切換各個通道，如在專利“一種多通道分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)”(專利號CN102539010A)中提到利用一個Ixn耦合器將脈沖光源的光分開后，分別通過N個WDM模塊、N個光開光進入到N路通道中，從而達到多通道分布式光纖測溫的目的，見附圖4，此種結構的優(yōu)點是脈沖光源可以復用，節(jié)省了光源的個數(shù)和系統(tǒng)成本，但通過眾多的分離模塊，整個系統(tǒng)的插入損耗會大大增加，從而降低了整個系統(tǒng)的檢測靈敏度和精度。
[0005]分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的核心技術之一是開發(fā)低插損、高隔離度、微型化的光學模塊。目前市面上通常采用分離元件的方法來提取斯托克斯光和反斯托克斯光分量，如附圖5所示，高功率脈沖激光通過一個三端口 WDM耦合器連接光開光后注入到不同通道的光纖中，從不同通道的光纖中反射回的攜帶溫度信息量的斯托克斯光和反斯托克斯光分別從WDM耦合器的兩輸出端輸出，通過兩個分離的APD接收后進行信息處理。見專利“嵌入式光開關的分布式光纖拉曼溫度傳感器”(發(fā)明專利號:CN101813530A)。這種方法采用分離模塊搭建傳感系統(tǒng)，雖然簡單靈活，但引入的插損大、體積大、各個模塊選型時很難保證所用光纖類型完全匹配，導致整個系統(tǒng)拼接時差異性較大。另一個關鍵的問題是，在實際使用中，脈沖光信號是單模光纖輸入，而傳感光纖通常是多模光纖，這樣就存在模式不匹配的問題，同樣導致插入損耗的增加，導致傳感檢測的范圍和精度下降。雖然專利“一種光時域反射裝置”(見專利號:201010150195.X)也提出了一種采用空間光學方法實現(xiàn)的光時域反射裝置，也可應用于分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)中，降低了插損、提高了檢測范圍和靈敏度，并且也實現(xiàn)了小型化，見附圖6。但該方案中，有如下幾個缺點:1)并沒有解決脈沖光源輸出的單模光纖與傳感反射回的多模光纖的模式匹配問題；2)第二個APD (410)的耦合位置與水平軸成一傾斜角度，既不利于耦合，也會使整個光學模塊體積增大；3)不能做到多通道測量。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明所要解決的技術問題在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種用于多通道分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的微型光模塊，能多通道測量，集成度高、體積小、可靠性高。
[0007]為解決以上技術問題，本發(fā)明的技術方案為:一種用于多通道分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的微型光模塊，其不同之處在于:其包括單模轉(zhuǎn)多模準直器、多模準直器、兩個波分復用濾波片、一個光路切換元件、兩個帶通濾波片、兩個具有會聚功能的TO氣密性封裝的雪崩光電二極管APD、閉封裝整個光學器件的殼體，所述單模轉(zhuǎn)多模準直器的透射光路上平行設置有兩個與光軸成夾角的波分復用濾波片，每個波分復用濾波片的反射光路上均設置有一個所述雪崩光電二極管APD，每個雪崩光電二極管APD上方均設置有所述帶通濾波片，所述帶通濾波片的入射光與光軸成夾角，波分復用濾波片與多模準直器之間設置有用以切換光路通道的光路切換元件。
[0008]以上方案中，所述單模轉(zhuǎn)多模準直器包括光纖、模場匹配元件、透鏡，單模轉(zhuǎn)多模準直器的輸入端連接有單模輸出的1550nm高功率脈沖光源。
[0009]以上方案中,所述多模準直器為2?8個多模準直器或一個多芯的多模準直器,多模準直器的輸出端連接系統(tǒng)中的多模傳感光纖。
[0010]以上方案中，所述波分復用濾波片與光軸成42?48度夾角，透射膜與激光器入射波長、非本路探測的波長一致，反射膜與本路探測的波長一致。
[0011]以上方案中，所述光路切換元件為MEMS調(diào)制元件或其它電調(diào)制的光學器件或其它組合的光學組件。
[0012]以上方案中，帶通濾波片的入射光與光軸成O?8度夾角，透射膜與本路探測的波長一致，反射膜與激光器入射波長和非本路接收的波長一致。
[0013]對比現(xiàn)有技術，本發(fā)明的原理及有益效果如下:
[0014]該用于多通道分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的微型光模塊采用空間光路，將傳統(tǒng)的擾模器、波分復用器、光開關、APD四大功能集成于一體，大大減小了耦合損耗，提高了檢測靈敏度，結構緊湊，穩(wěn)定可靠；其采用單模轉(zhuǎn)多模準直器，徹底解決了脈沖光源輸出的單模光纖與傳感反射回的多模光纖的模式匹配問題；另光路中內(nèi)置一光路切換元件，可以靈活方便地切換到各個多通道傳感系統(tǒng)中，不僅達到了多通道測量的目的，而且整個模塊集成度聞、體積小、可罪性聞。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明實施例一的結構示意圖；[0016]圖2為本發(fā)明實施例二的結構示意圖；
[0017]圖3為本發(fā)明實施例的光路示意圖；
[0018]圖4為對比專利“一種多通道分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)”(專利號:CN102539010A)的不意圖；
[0019]圖5為傳統(tǒng)的采用分離模塊拼接成的多通道分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的光路示意圖；
[0020]圖6為對比專利“一種光時域反射裝置”(見專利號:201010150195.X)的示意圖；
[0021]其中:110-第一光纖、120-第二光纖、190-第三光纖、210-第一透鏡、220-第二透鏡、290-第三透鏡、310-第一波分復用濾波片、320-第二波分復用濾波片、330-第一帶通濾波片、340-第二帶通濾波片、410-模場匹配元件、510-光路切換元件、610-第一雪崩光電二極管APD、620-第二雪崩光電二極管APD、800-殼體。
【具體實施方式】
[0022]下面通過【具體實施方式】結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0023]請參考圖1、圖2和圖3，本發(fā)明實施例用于多通道分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的微型光模塊，其包括單模轉(zhuǎn)多模準直器、多模準直器、兩個波分復用濾波片、一個光路切換元件510、兩個帶通濾波片、兩個具有會聚功能的TO氣密性封裝的雪崩光電二極管
裝整個光學器件的殼體800，所述單模轉(zhuǎn)多模準直器的透射光路上平行設置有兩個與光軸成夾角的波分復用濾波片，每個波分復用濾波片的反射光路上均設置有一個所述雪崩光電二極管APD，每個雪崩光電二極管APD上方均設置有所述帶通濾波片，所述帶通濾波片的入射光與光軸成夾角，波分復用濾波片與多模準直器之間設置有用以切換光路通道的光路切換元件510。
[0024]具體的，所述單模轉(zhuǎn)多模準直器包括光纖、模場匹配元件、透鏡，單模轉(zhuǎn)多模準直器的輸入端連接有單模輸出的1550nm高功率脈沖光源。
[0025]具體的，所述多模準直器為2?8個多模準直器或一個多芯的多模準直器，多模準直器的輸出端連接系統(tǒng)中的多模傳感光纖。
[0026]具體的，所述波分復用濾波片與光軸成42?48度夾角，透射膜與激光器入射波長、非本路探測的波長一致，反射膜與本路探測的波長一致。
[0027]具體的，所述光路切換元件為是MEMS調(diào)制元件或其它電調(diào)制的光學器件或其它組合的光學組件。
[0028]具體的，帶通濾波片的入射光與光軸成O?8度夾角，透射膜與本路探測的波長一致，反射膜與激光器入射波長和非本路接收的波長一致。
[0029]請參考圖1和圖2，本發(fā)明實施例包括一個單模轉(zhuǎn)多模準直器、N個多模準直器(N ( 8)或一個多芯的多模準直器、一個光路切換兀件、兩個45度的波分復用濾波片和兩個O度的帶通濾波片，反射準直光經(jīng)帶通濾波片分別入射到具有會聚功能的TO氣密性封裝的第一、第二雪崩光電二極管中；整個光學器件密閉封裝在一個特制殼體中。
[0030]光路原理參閱圖3，首先，脈沖激光發(fā)出的光注入單模轉(zhuǎn)多模準直器后，光的模式由單模變?yōu)槎嗄?，?jīng)第一波分復用濾波片310、第二波分復用濾波片320透射后，通過光路切換元件510切換到不同通道的多模準直器，連接系統(tǒng)用的多模傳感光纖；經(jīng)多模傳感光纖背向散射的斯托克斯光和反斯托克斯光(背向散射光1、2)經(jīng)原路返回，通過光路切換元件510透射后入射到第二波分復用濾波片320后，其中一路反射光(背向散射光I)經(jīng)第二帶通濾波片340透射后由第二雪崩光電二極管APD620接收；另一路透射光(背向散射光2)經(jīng)第一帶通濾波片330透射后由第一雪崩光電二極管APD610接收。
[0031]本發(fā)明實施例中采用空間光路，將傳統(tǒng)的擾模器、波分復用器、光開關、APD四大功能集成于一體，大大減小了耦合損耗，提高了檢測靈敏度，結構緊湊，穩(wěn)定可靠。其中采用單模轉(zhuǎn)多模準直器，徹底解決了脈沖光源輸出的單模光纖與傳感反射回的多模光纖的模式匹配問題；另光路中內(nèi)置一光路切換元件，可以靈活方便地切換到各個多通道傳感系統(tǒng)中，不僅達到了多通道測量的目的，而且整個模塊集成度高、體積小、可靠性高。
[0032]以上實施例僅供說明本發(fā)明之用，而非對本發(fā)明的限制，有關【技術領域】的技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變換或變型，因此所有等同的技術方案，都落入本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種用于多通道分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的微型光模塊，其特征在于:其包括單模轉(zhuǎn)多模準直器、多模準直器、兩個波分復用濾波片、一個光路切換元件、兩個帶通濾波片、兩個具有會聚功能的TO氣密性封裝的雪崩光電二極管APD、閉封裝整個光學器件的殼體，所述單模轉(zhuǎn)多模準直器的透射光路上平行設置有兩個與光軸成夾角的波分復用濾波片，每個波分復用濾波片的反射光路上均設置有一個所述雪崩光電二極管APD，每個雪崩光電二極管Aro上方均設置有所述帶通濾波片，所述帶通濾波片的入射光與光軸成夾角，波分復用濾波片與多模準直器之間設置有用以切換光路通道的光路切換元件。
2.如權利要求1所述的用于多通道分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的微型光模塊，其特征在于:所述單模轉(zhuǎn)多模準直器包括光纖、模場匹配元件、透鏡，單模轉(zhuǎn)多模準直器的輸入端連接有單模輸出的1550nm高功率脈沖光源。
3.如權利要求1所述的用于多通道分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的微型光模塊，其特征在于:所述多模準直器為2?8個多模準直器或一個多芯的多模準直器,多模準直器的輸出端連接系統(tǒng)中的多模傳感光纖。
4.如權利要求1所述的用于多通道分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的微型光模塊，其特征在于:所述波分復用濾波片與光軸成42?48度夾角，透射膜與激光器入射波長、非本路探測的波長一致，反射膜與本路探測的波長一致。
5.如權利要求1所述的用于多通道分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的微型光模塊，其特征在于:所述光路切換元件為MEMS調(diào)制元件或其它電調(diào)制的光學器件或其它組合的光學組件。
6.如權利要求1所述的用于多通道分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的微型光模塊，其特征在于:所述帶通濾波片的入射光與光軸成O?8度夾角，透射膜與本路探測的波長一致，反射膜與激光器入射波長和非本路接收的波長一致。
【文檔編號】G01K1/00GK103487167SQ201310493817
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年10月21日 優(yōu)先權日:2013年10月21日
【發(fā)明者】鄭光輝 申請人:武漢六九傳感科技有限公司