專利名稱：網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的光纖漸逝波溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明述及一種網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的光纖漸逝波溫度傳感器，屬光學纖維及傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
溫度是最重要的三大測量參數(shù)(應(yīng)力、溫度、壓力/聲學)之一。在光纖傳感器家族，被測參數(shù)分布約為應(yīng)力占23％，溫度占17.2％，壓力/聲學占15.2％。全球每年所需的溫度傳感器和系統(tǒng)約幾百億美元，其中，光纖溫度傳感器約占9％左右。據(jù)美國Frost Sullivan公司的預(yù)測今后幾年光纖傳感器將以17％～20％的速度增長。光纖溫度傳感器，它不僅用于正常的溫度測量，更重要的是它可應(yīng)用于某些特殊或惡劣場合，如高壓、強電磁、核輻射、爆炸、侵蝕等，在這些場合電溫度傳感器是無法使用的，而解決這些難題會帶來巨大的經(jīng)濟與社會效益。在我國，隨著能源問題的日趨嚴重，電力工業(yè)改造、石油工業(yè)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)、和平利用核能等這些重要的能源領(lǐng)域，使用性能可靠、靈敏度高、體積小巧、價格低廉的網(wǎng)絡(luò)化光纖溫度傳感器是必不可少的，也是電類溫度傳感器所無法替代的。
目前的光纖溫度傳感器種類較多，國內(nèi)外的技術(shù)發(fā)展狀況主要表現(xiàn)在以下幾個方面半導體吸收式；喇曼散射分布式；法布里-珀羅干涉式；雙折射效應(yīng)式；布拉格光纖光柵式，盡管這些傳感器有些已得到應(yīng)用，但在靈敏度、分辨率、實用性、成本等方面，還有待進一步改進和完善，如半導體吸收式，分辨率和穩(wěn)定性需要進一步提高；喇曼散射式，檢測的信號弱，需要高成本的光源、探測器以及高性能的信號處理單元；法布里-珀羅干涉式，環(huán)境影響是一個有待提高的環(huán)節(jié)；雙折射效應(yīng)式，實用性還需要進一步研究；布拉格光纖光柵式，波長解調(diào)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高的問題。因此，這就期待著新型的光纖溫度傳感器及網(wǎng)絡(luò)化傳感技術(shù)的出現(xiàn)，從而在性能和穩(wěn)定性上有新的提高，在成本上有大的下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的光纖漸逝波溫度傳感器，使光纖溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強，靈敏度高，制造容易，成本低，適用于要求多點溫度精確測量和控制場合的優(yōu)點。
為達到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是一個性能良好的光纖溫度傳感器應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡單、實用、溫度分辨率和靈敏度高等特點，這也是溫度傳感器實現(xiàn)的難點問題。本發(fā)明從傳感器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和信號處理入手，發(fā)明了一種新型的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的光纖漸逝波溫度傳感器，旨在解決上述提出的難點問題。它基于光波耦合理論和光纖的漸逝波理論，利用熔錐型傳感用1×2光纖耦合器件作為溫度傳感頭，從而得到具有耦合效應(yīng)的漸逝波。當包圍耦合器傳感頭錐區(qū)的溫度變化時，耦合器錐區(qū)的漸逝波因包層介質(zhì)的溫變特性改變?nèi)坼F錐區(qū)光纖耦合器的耦合效應(yīng)，從而使耦合器的耦合分光可見度發(fā)生變化，這樣檢測耦合分光可見度就能得到對應(yīng)的溫度參數(shù)。由于利用耦合原理，測試的輸出信號是耦合分光可見度，所以它與光路的光強變化無關(guān)，有很強的抗干擾能力；由于耦合分光可見度有高靈敏度，所以該傳感器也有很高的測試靈敏度。為了實現(xiàn)傳感器的多點溫度測量，本發(fā)明采用梳狀的網(wǎng)絡(luò)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的性能、成本及復(fù)雜度達到最佳的方式。設(shè)計結(jié)構(gòu)中首先采用1×N光纖耦合器連接光源使其把光源信號均等地分布于各個傳感組，每個組有三個傳感頭采用梳狀兩級級聯(lián)的方式構(gòu)成，即第一個傳感頭的兩個輸出端分別級聯(lián)另外兩個溫度傳感頭，實現(xiàn)傳感頭的兩級連接，這樣既避免了所有傳感頭并行連接，探測器使用過多、線路過長的復(fù)雜和浪費情況；又避免了級聯(lián)級數(shù)太多，后級傳感頭信號偏離的情況。
根據(jù)上述構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的光纖漸逝波溫度傳感器，包括光源(1)、1×N光纖耦合器(2)、光纖漸逝波1×2溫度傳感頭(1-31～1-33、2-31～2-33、....N-31～N-33)、探測器(1-41～1-44、2-41～2-44、....N-41～N-44)和信號處理單元(5)，其特征在于所述的光源(1)輸出端連接所述的1×N光纖耦合器(2)的輸入端，所述的1×N光纖耦合器(2)采用2級梳狀結(jié)構(gòu)連接3N個所述的1×2溫度傳感頭(1-31～1-33、2-31～2-33、....N-31～N-33)；所述的1×N光纖耦合器(2)的N個輸出端分別連接N個一級1×2溫度傳感頭(1-31～N-31)的輸入端，N個一級1×2溫度傳感頭(1-31～N-31)的2N個輸出端分別連接2N個二級1×2溫度傳感頭(1-31～N-33、1-31～N～33)的4N個輸出端分別連接4N個所述的探測器(1-41～1-44、2-41～2-44、....N-41～N-44)的輸入端；所述的4N個探測器(1-41～1-44、2-41～2-44、....N-41～N-44)的4N個輸出端均連接所述的信號處理單元(5)；通過信號處理即可得到每個溫度傳感頭的溫度測定值。
上述的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的光纖漸逝波溫度傳感器，其特征在于所述的光纖漸逝波1×2溫度傳感頭(1-31～～1-33、2-31～2-33、....N-31～N-33)的結(jié)構(gòu)是由兩根耦合光纖(60、65)熔融拉錐成雙錐形偶合區(qū)段，雙錐形耦合區(qū)段的拉抻段長度為18mm×2～20mm×2，兩根耦合光纖((60、65)熔融拉錐后，分別各有其纖芯(61、66)和包層(62、67)，兩根耦合光纖(60、65)中的一根光纖(60)有進口端和出口端，而另一根光纖(65)僅有出口端，它的另一端口密封在溫度傳感頭的封裝殼內(nèi)，從而形成1×2結(jié)構(gòu)；在雙錐形偶合區(qū)段外層敷有溫度敏感材料(68)，而使外形呈圓柱形狀，溫度敏感材料(68)外面有封裝殼體(69)。
一種用于上述的光纖漸逝波溫度傳感器的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的信號處理單元(5)包括連接四個探測器(1-41～1-44)的四個放大器分別為(1-51～1-54)，同時四個放大器的輸出電信號分別連接減法器(1-55、1-57)和加法器(1-56、1-58)，最后減法器(1-55、1-57)和加法器(1-56、1-58)的信號分別進入到除法器(1-59、1-50)中，從而實現(xiàn)了(P11-P12)/(P11+P12)和(P13-P14)/(P13+P14)的耦合分光可見度信號處理功能，兩個相除結(jié)果即為溫度傳感頭(1-32)和(1-33)輸出信號，這里P11、P12、P13和P14分別為1×2溫度傳感頭(1-32)和(1-33)的兩路輸出功率。那么，1×2溫度傳感頭(1-31)的輸出功率分別為(P11+P12)和(P13+P14)，1×2溫度傳感頭(1-31)的耦合分光可見度為(P11+P12-P13-P14)/(P11+P12+P13+P14)，由此可得出溫度傳感頭(1-31)、(1-32)和(1-33)的測量信號，以上僅是N路網(wǎng)絡(luò)中的第一組三個溫度傳感頭結(jié)構(gòu)，其余N-1路的測試方法與第一路相同。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點本發(fā)明中采用熔錐型傳感用1×2光纖耦合器件作為溫度傳感頭，其錐區(qū)傳感周圍的溫度變化，改變其耦合效應(yīng)，使其耦合器的耦合分光可見度變化，進而利用信號處理技術(shù)實現(xiàn)的耦合分光可見度信號對應(yīng)其溫度參數(shù)。由于利用耦合原理，輸出信號是耦合器的耦合分光可見度，它與光路的光強變化無關(guān)，所以有很強的抗干擾能力，同時，其耦合效應(yīng)對溫度變化非常敏感且具有高靈敏度的信號處理系統(tǒng)，所以溫度傳感器有很高的靈敏度。本發(fā)明采用梳狀的結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，成本低等特點。本發(fā)明適合于要求對多點溫度實行精確測量和控制的場合，例如工業(yè)制造、產(chǎn)品性能檢測、環(huán)境監(jiān)測、生物科學及科學研究等諸多領(lǐng)域，并可實時、高靈敏度地溫度測量。


圖1是本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)框圖；圖2是熔錐型傳感用1×2光纖耦合器件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)第一傳感組的信號處理單元框圖；圖4是本發(fā)明具體實施例的實驗結(jié)果。
具體實施例方式
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例結(jié)合

如下本例僅以網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的第一傳感組進行實施，參見圖1、圖2和圖3，這是最基本的實施網(wǎng)絡(luò)化單元(N＝1)，本光纖漸逝波溫度傳感器的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)包含有光源1、(此時光纖耦合器2可省略)、光纖漸逝波溫度傳感頭1-31～1-33、探測器1-41～1-44和信號處理單元5，其特征在于采用熔錐型傳感用1×2光纖耦合器件作為溫度傳感頭1-31～1-33，其溫度傳感頭采用梳狀結(jié)構(gòu)兩級連接，光源1與1×2溫度傳感頭1-31的1端相連，1×2溫度傳感頭1-31的上輸出端與1×2溫度傳感頭1-32的1端相連、1×2溫度傳感頭1-31的下輸出端與1×2溫度傳感頭1-33的1端相連。1×2溫度傳感頭1-32～1-33的兩個輸出端分別并行與探測器1-41～1-44相連，最后，探測器1-41～1-44的輸出端連接于信號處理單元5；通過信號處理即可得到每個溫度傳感頭的溫度測定值。上述的光纖漸逝波溫度傳感器的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的1×2溫度傳感頭1-31～1-33的結(jié)構(gòu)是由兩根耦合光纖60和65熔融拉錐成雙錐形耦合區(qū)段，雙錐區(qū)的拉伸長度為18mm×2，兩根耦合光纖60和65熔融拉錐后，其纖芯為61、66、包層為62和67，兩根耦合光纖一根有進口端和出口端，而另一根僅有出口端，它的另一端口密封在溫度傳感頭的封裝殼內(nèi)，從而形成了一個1×2結(jié)構(gòu)；在雙錐形耦合區(qū)段外層敷有溫度敏感材料68，而使外形呈圓柱形狀，溫度敏感材料68外面有封裝殼體69。
本光纖漸逝波溫度傳感器的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的信號處理單元5包括連接四個探測器1-41～1-44的四個放大器分別為1-51～1-54，同時四個放大器的輸出電信號分別連接減法器1-55和1-57、加法器1-56和1-58，最后減法器1-55和1-57、加法器1-56和1-58的信號分別進入到除法器1-59和1-50中，從而實現(xiàn)了(P11-P12)/(P11+P12)和(P13-P14)/(P13+P14)的耦合分光可見度信號處理功能，兩個相除結(jié)果即為溫度傳感頭1-32和1-33輸出信號，這里P11、P12、P13和P14分別為1×2溫度傳感頭1-32和1-33的兩路輸出功率。那么，1×2溫度傳感頭1-31的輸出功率分別為(P11+P12)和(P13+P14)，1×2溫度傳感頭1-31的耦合分光可見度為(P11+P12-P13-P14)/(P11+P12+P13+P14)，由此可得出溫度傳感頭1-31)、1-32和1-33的測量信號。具體的測試結(jié)果見圖4，圖中“▲”標記的為傳感頭1-31的實驗結(jié)果；“●”標記的為傳感頭1-32的實驗結(jié)果；“■”標記的為傳感頭1-33的實驗結(jié)果，以上結(jié)果均是在-40～85℃的溫度范圍內(nèi)測定的，從圖可看出本專利實施的結(jié)果有良好的效果。
權(quán)利要求
1.一種網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的光纖漸逝波溫度傳感器，包括光源(1)、1×N光纖耦合器(2)、光纖漸逝波1×2溫度傳感頭(1-31～1-33、2-31～2-33、....N-31～N-33)、探測器(1-41～1-44、2-41～2-44、....N-41～N-44)和信號處理單元(5)，其特征在于所述的光源(1)輸出端連接所述的1×N光纖耦合器(2)的輸入端，所述的1×N光纖耦合器(2)采用2級梳狀結(jié)構(gòu)連接3N個所述的1×2溫度傳感頭(1-31～1-33、2-31～2-33、....N-31～N-33)所述的1×N光纖耦合器(2)的N個輸出端分別連接N個一級1×2溫度傳感頭(1-31～N-31)的輸入端，N個一級1×2溫度傳感頭(1-31～N-31)的2N個輸出端分別連接2N個二級1×2溫度傳感頭(1-31～N-33、1-31～N～33)的4N個輸出端分別連接4N個所述的探測器(1-41～1-44、2-41～2-44、....N-41～N-44)的輸入端；所述的4N個探測器(1-41～1-44、2-41～2-44、....N-41～N-44)的4N個輸出端均連接所述的信號處理單元(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的光纖漸逝波溫度傳感器，其特征在于所述的光纖漸逝波1×2溫度傳感頭(1-31～～1-33、2-31～2-33、....N-31～N-33)的結(jié)構(gòu)是由兩根耦合光纖(60、65)熔融拉錐成雙錐形偶合區(qū)段，雙錐形耦合區(qū)段的拉抻段長度為18mm×2～20mm×2，兩根耦合光纖((60、65)熔融拉錐后，分別各有其纖芯(61、66)和包層(62、67)，兩根耦合光纖(60、65)中的一根光纖(60)有進口端和出口端，而另一根光纖(65)僅有出口端，它的另一端口密封在溫度傳感頭的封裝殼內(nèi)，從而形成1×2結(jié)構(gòu)；在雙錐形偶合區(qū)段外層敷有溫度敏感材料(68)，而使外形呈圓柱形狀，溫度敏感材料(68)外面有封裝殼體(69)。
全文摘要
本發(fā)明述及一種網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的光纖漸逝波溫度傳感器。它由光源、1×N光纖耦合器、探測器、信號處理單元和多個光纖漸逝波溫度傳感頭組成，采用熔錐型傳感用1×2光纖耦合器件作為溫度傳感頭，連接方式采用梳狀結(jié)構(gòu)，它能夠?qū)Χ帱c的溫度進行測量。本發(fā)明的每個溫度傳感頭是通過改變?nèi)坼F型傳感用1×2光纖耦合器件的輸出分光比，將其進行分光可見度的計算后獲取溫度變化信息的，與分光比相比，分光可見度的計算提高了溫度測量的靈敏度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強，靈敏度高，制造容易，成本低，適用于要求對多點溫度進行精確測量和控制的場合。
文檔編號G01K11/00GK101050984SQ200710039960
公開日2007年10月10日 申請日期2007年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月25日
發(fā)明者汪敏, 陳翔, 牟恩棟, 史杰, 龐拂飛, 王廷云, 陳振宜 申請人:上海大學