專利名稱：用于空間分辨溫度測(cè)量的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉 及一種根據(jù)權(quán)利要求ι前序部分的用于空間分辨(ortsaufgelost) 溫度測(cè)量的設(shè)備。
背景技術(shù)：
例如從EP 0 692 705A1中已知上述類型的設(shè)備。纖維光學(xué)溫度測(cè)量系統(tǒng)(分布 式溫度感測(cè)DTS)可以將光導(dǎo)纖維中的光學(xué)效應(yīng)用于空間分辨的溫度測(cè)量。例如，可以使 用拉曼散射效應(yīng)。在這種情況下，窄帶的電磁輻射源的輻射(例如激光器的輻射)在纖 維材料中無(wú)彈性地散射。具有比激勵(lì)更短的波長(zhǎng)的散射(反斯托克斯散射)和在更長(zhǎng)波 長(zhǎng)情況下的散射(斯托克斯散射)的強(qiáng)度比是取決于溫度的，并且可以被用于溫度確定。 通過(guò)使用頻率技術(shù)(光頻域反射技術(shù)0FDR)(如其在EP 0 692 705A1和在EP 0 898 151 A2 中所描述的那樣)，或者使用脈沖技術(shù)(光時(shí)域反射技術(shù)0TDR)，可以沿著纖維空間分辨 地確定溫度。這樣的溫度測(cè)量系統(tǒng)例如可用于隧道和運(yùn)河中的消防監(jiān)測(cè)，可用于電力電 纜和管道的監(jiān)測(cè)，以及可在供油和供氣中使用。除了相應(yīng)的耦接光學(xué)元件(Koppeloptik)之外，DTS裝置通常還包含以下主要的 光學(xué)元件激光源用于將激光源的光耦入用于測(cè)量的光導(dǎo)纖維中并用于分離該激光的從該光導(dǎo)纖 維反向散射的拉曼散射光分量的光譜分離器(Spektralteiler)，用于測(cè)量的光導(dǎo)纖維，用于分離斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光的光譜分離器，用于斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光的濾波器，用于斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光的檢測(cè)器。代替兩個(gè)用于斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光的濾波器，可以設(shè)置可調(diào)或 可更換的濾波器。在使用這種可更換的濾波器時(shí)，依次測(cè)量?jī)蓚€(gè)通道。這對(duì)于測(cè)量時(shí)間 而言是不利的，但是可以帶來(lái)成本上的優(yōu)勢(shì)，并且還可以通過(guò)為兩個(gè)信號(hào)使用相同的通 道而帶來(lái)準(zhǔn)確性方面的優(yōu)點(diǎn)。DTS裝置基本上大多可以被構(gòu)造為自由輻射光學(xué)裝置(Freistrahloptik)。但是，
由于種種實(shí)現(xiàn)的原因(效率，穩(wěn)定性)，通常使用纖維光學(xué)的構(gòu)造。光導(dǎo)纖維中空間分辨的溫度測(cè)量的一個(gè)問(wèn)題在于偏振沿著纖維而變化。這主 要、但不是僅僅出現(xiàn)在單模光纖中。激勵(lì)輻射通常被偏振。由于拉曼散射也可能發(fā)生偏 振，所以從纖維返回的拉曼散射光分量同樣可能被偏振。拉曼散射光的檢定(Nachweis) 通過(guò)使用光譜分離器、濾波器和其他可能依賴于偏振的部件而實(shí)現(xiàn)。測(cè)量的結(jié)果因此可 能取決于偏振。在多模光纖中，不同模式以略微不同的速度傳播，并且纖維對(duì)偏振的影響也取 決于模式。因此，在較長(zhǎng)的線路上產(chǎn)生不同偏振狀態(tài)的或多或均勻的混合。因此，在使用DTS的測(cè)量中偏振效應(yīng)的問(wèn)題主要在于單模光纖中，以及在具有少量模式或長(zhǎng)度短的 多模光纖的測(cè)量中。在光纖中，偏振平面可能旋轉(zhuǎn)，或者偏振由于諸如應(yīng)力雙折射這樣的效應(yīng)而在 其他方面被改變。因此，測(cè)試信號(hào)不僅取決于所希望的局部溫度的方式，而且也取決于 測(cè)量點(diǎn)的本地偏振或在通過(guò)光纖的路徑上偏振的變化。即使當(dāng)偏振效應(yīng)僅僅少許地影響 測(cè)量參數(shù)時(shí)，偏振效應(yīng)也可能已經(jīng)具有對(duì)溫度確定的顯著影響，并且例如表現(xiàn)為幾。C。 因此，這樣的效應(yīng)可能限制DTS裝置的溫度分辨率。特別是在使用單模光纖工作的裝置 中，在溫度曲線上觀察到幅度為幾。C且波長(zhǎng)為數(shù)米直至幾十米的調(diào)制。這歸因于光纖材 料中由于由應(yīng)力導(dǎo)致的雙折射而產(chǎn)生的偏振平面的旋轉(zhuǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決問(wèn)題是提供一種前述類型的設(shè)備，利用其可以實(shí)現(xiàn)更高的溫度分 辨率和/或空間分辨率。根據(jù)本發(fā)明，這是通過(guò)具有權(quán)利要求1特征部分的特征 的前述類型的設(shè)備來(lái)實(shí) 現(xiàn)的。從屬權(quán)利要求涉及本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。根據(jù)權(quán)利要求1，該設(shè)備包括用于減小由偏振決定的效應(yīng)的裝置。通過(guò)該裝置， 所述偏振效應(yīng)的影響可以被降低使得可以改善該設(shè)備的溫度分辨率和/或空間分辨率。例如可以規(guī)定，用于減小由偏振決定的效應(yīng)的裝置包括偏振改變器 (Polarisationsveraenderer)，其可以將至少一個(gè)激光源的光在耦入到光導(dǎo)纖維中之前至少 部分地消偏振，或者可以將光的偏振狀態(tài)在耦入前在時(shí)間上和/或在空間上進(jìn)行改變。偏振改變器應(yīng)當(dāng)影響激光、或可能還有散射光的偏振，使得元件(如光譜分離 器和濾波器)的偏振依賴性不再產(chǎn)生重要作用。一個(gè)理想的偏振改變器會(huì)消除光的偏振，并因此作為消偏振器。但是，這不是 在所有情形下都是可能的，或者涉及巨大的花費(fèi)。尤其地，相干輻射總是偏振的，并且只會(huì)在其偏振狀態(tài)(線、圓、橢圓、偏振 軸)方面受到影響。另一方面，對(duì)于所希望的檢測(cè)的偏振無(wú)關(guān)性，實(shí)際的消偏振不是絕對(duì)必需的。 相反，也可以使用偏振改變器，其在時(shí)間上和/或在空間上改變偏振狀態(tài)，并因此導(dǎo)致 檢測(cè)中不同偏振分量的平均。對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備特別適合的偏振改變器工作如下-將光分解為兩個(gè)強(qiáng)度相近的分量，-將一個(gè)分量的偏振平面旋轉(zhuǎn)90°，_將一個(gè)分量延遲一段距離，該距離大于該至少一個(gè)激光源的相干長(zhǎng)度、但小于 設(shè)備的所希望的空間分辨率，_將兩個(gè)分量耦入到用于溫度測(cè)量的光導(dǎo)纖維中。這種設(shè)置在沒(méi)有可移動(dòng)部件的情況下也能工作，不需要能量輸入，并且能夠經(jīng) 濟(jì)地被實(shí)現(xiàn)。延遲距離必須大于相干長(zhǎng)度，以便不會(huì)在消偏振器后面又獲得偏振光。 由于大的延遲距離影響空間分辨率，所以在高分辨率設(shè)備中的使用時(shí)存在可能的限制。 對(duì)于高分辨率的設(shè)備，可以考慮其他解決方案，例如通過(guò)使用旋轉(zhuǎn)的光學(xué)活性片(半波板)、用于改變偏振的電活化單元或機(jī)械加載的光導(dǎo)纖維，機(jī)械加載的光導(dǎo)纖維通過(guò)機(jī)械 荷載由于引起的雙折射而可能導(dǎo)致偏振的改變。偏振改變器基本上很多可以被構(gòu)造為自由輻射光學(xué)元件。但是，也存在這樣的可能性，即考慮偏振改變器的纖維光學(xué)構(gòu)造。作為替代或作為補(bǔ)充，可以規(guī)定，用于減小由偏振決定的效應(yīng)的裝置包括至少 一個(gè)濾波器，其特性、尤其是在其透射性方面，對(duì)于兩個(gè)偏振方向或?qū)τ谌魏蝺蓚€(gè)相互 垂直的偏振方向，差別低于10%，特別是小于5%，優(yōu)選小于1%。作為替代或作為補(bǔ)充可以規(guī)定，用于減小由偏振決定的效應(yīng)的裝置包括至少一 個(gè)光譜分離器，其特性、尤其是在其透射性和/或其反射性方面，對(duì)于兩個(gè)偏振方向或 對(duì)于任何兩個(gè)相互垂直的偏振方向，差別低于10%，特別是小于5%，優(yōu)選小于1%。通過(guò)這兩個(gè)措施，由偏振決定的效應(yīng)對(duì)溫度測(cè)量的影響被減小。光譜分離器和其他波長(zhǎng)選擇性的濾波器在其功能方面可能明顯依賴于偏振。這 種偏振依賴性例如由于在傾斜的光入射時(shí)取決于偏振的反射和折射而產(chǎn)生。對(duì)于薄膜濾波器減小偏振依賴性的一種方法是使用特殊的層設(shè)計(jì)，這些層設(shè)計(jì) 在所涉及的波長(zhǎng)下對(duì)于兩個(gè)偏振分量具有非常相似的特性。另一種方法是使用小的入射角。在垂直入射時(shí)，濾波器與偏振無(wú)關(guān)地工作。對(duì) 于小的入射角，例如小于10°，偏振效應(yīng)可能足夠小，以便使得能夠以根據(jù)本發(fā)明的設(shè) 備實(shí)現(xiàn)溫度的準(zhǔn)確測(cè)量。


借助于以下參考附圖描述優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)變得清楚。其 中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第一實(shí)施方式的示意圖；圖2示出了偏振改變器的一個(gè)示例性實(shí)施方式；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第二實(shí)施方式的示意圖的細(xì)節(jié)；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第三實(shí)施方式的示意圖。
附圖中，相同的部件或功能相同的部件具有相同的附圖標(biāo)記。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的在圖1中所示的實(shí)施方式包括由控制裝置1控制的激光源 2。激光源2的光3穿過(guò)偏振改變器4，偏振改變器可以對(duì)光3消偏振或者在時(shí)間上和/ 或在空間上改變光3的偏振狀態(tài)。在穿過(guò)偏振改變器4之后，光3經(jīng)由包括光譜分離器 5和例如透鏡6的耦入裝置被耦入到用于溫度測(cè)量的光導(dǎo)纖維7中。透鏡6和光譜分離器5還用作為耦出裝置，并且可以將由激光源2所產(chǎn)生的光3 的在光導(dǎo)纖維中被反向散射的分量饋送給示意性示出的分析裝置8。分析裝置8例如包括 用于激光波長(zhǎng)和拉曼散射的光譜分離器9以及兩個(gè)用斯托克斯散射和反斯托克斯散射的 檢測(cè)器10、11，在它們之前設(shè)置有未示出的濾波器。此外，分析裝置8還包括測(cè)量電子 部件12。此外，在可能的情況下，可以設(shè)置用于瑞利波長(zhǎng)的檢測(cè)器。濾波器可以具有為相互垂直的線偏振給出相似的通帶特性。尤其地，態(tài)正交穿越特征相似的結(jié)果。特別是，例如對(duì)于要檢定的拉曼波長(zhǎng)，透射性對(duì)于兩個(gè)偏振方向或 對(duì)于任何兩個(gè)相互垂直的偏振方向差別小于1%。因此，濾波器對(duì)于溫度測(cè)量的取決于偏 振的影響被最小化。
其中，光導(dǎo)纖維7中空間分辨的溫度測(cè)量可以通過(guò)對(duì)應(yīng)于OFDR方法(如其在 EP O 692 705 Al中所描述的那樣)實(shí)現(xiàn)。尤其地，其中，激光源2的光3可以被頻率調(diào) 制，并且在分析裝置8中執(zhí)行傅立葉變換。此外，圖1還示出了在激光源2的控制裝置1與測(cè)量電子部件12之間的連接34。 這個(gè)連接用于激光源2和電子測(cè)量部件12的同步。從圖2中可以看出一種偏振改變器4的一個(gè)示例性實(shí)施方式。所示出的偏振改變 器4包括一個(gè)偏振分束器13和兩個(gè)各自由鏡和偏振旋轉(zhuǎn)器構(gòu)成的法拉第鏡14、15。45° 的法拉第旋轉(zhuǎn)器或四分之一波片可以被考慮作為偏振旋轉(zhuǎn)器。激光源2的光3在圖2中從左邊擊中到偏振分束光13上。光2應(yīng)包括相對(duì)于平 行偏振和相對(duì)于垂直偏振或相對(duì)于圖2中的垂直方向成45°角的線偏振16。光3的第一 分量17被偏振分束器13向上反射。這個(gè)第一分量17包括對(duì)應(yīng)于平行偏振的偏振18。 光3的第二分量19不受阻礙地穿過(guò)偏振分束器13。這個(gè)第二分量19包括對(duì)應(yīng)于垂直偏 振的偏振20。在圖2中，第一分量17被第一法拉第鏡14向下反射，其中其偏振被旋轉(zhuǎn)90°， 使得其作為垂直偏振21存在。在圖2中，第二分量19被第二法拉第鏡15向左反射，其 中其偏振同樣旋轉(zhuǎn)90°，使得其作為平行偏振22存在。這兩個(gè)分量17、19在再次擊中 到偏振分束器13時(shí)被該偏振分束器13組合并在圖2中向下從該偏振分束器出射。其中，第一分量17的從偏振分束器13經(jīng)由第一法拉第鏡14返回到偏振分束器 13的光路比第二分量19的從偏振分束器13經(jīng)由第二法拉第鏡15返回到偏振分束器13的 光路短。這尤其通過(guò)偏振分束器13與第二法拉第鏡15之間的距離比偏振分束器13與第 一法拉第鏡14之間的距離大來(lái)實(shí)現(xiàn)。由此導(dǎo)致的分量17、19的光路差應(yīng)當(dāng)大于光3的 相干長(zhǎng)度。在這種情況下，在圖2中向下從偏振分束器13出射的光23 (也參見(jiàn)圖1)既具有 帶有垂直偏振24的分量，也具有帶有平行偏振25的分量，這兩個(gè)分量相互不相干。由 此，在理想情況下得到光23的消偏振。在圖2中示出的偏振改變器4是多個(gè)可能的例子之一。在US2007/0297054中公 開(kāi)了可使用的偏振改變器的這個(gè)例子和其他例子。圖3示出了光譜分離器26，它例如可以被使用來(lái)代替圖1中的光譜分離器5。光 譜分離器26相對(duì)于圖3中的垂線27傾斜小于10°的角度α。由此，光3擊中光譜分離 器26的入射角也小于10°。光3的從光導(dǎo)纖維6反向散射的分量28被光譜分離器26以 角度2 α反射，并且被耦入到光導(dǎo)纖維29中，光導(dǎo)纖維29可以將待檢測(cè)分量28饋送給 分析裝置8。由于幾乎垂直地入射到光譜分離器26上，該光譜分離器26在很大程度上與 偏振無(wú)關(guān)地工作。除了第一激光源2之外，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的圖4所示的實(shí)施方式包括同樣由控 制裝置1控制的第二激光源30。其中，這兩個(gè)激光源2、30具有不同的偏振，尤其是相 互垂直的線偏振，并且這兩個(gè)激光源2、30相互不相干。激光源2、30的光3、31被偏振耦合器32組合，并且經(jīng)由光譜分離器5和透鏡6被耦入到光導(dǎo)纖維7中。由激光源2、 30所生成的光3、31在光導(dǎo)纖維7中被反向散射的分量經(jīng)由透鏡6和光譜分離器5饋送給 示意性示出的分析裝置8。分析裝置8例如包括用于拉曼散射的濾波器33以及用于斯托 克斯散射的檢測(cè)器10。其中，濾波器被實(shí)現(xiàn)為能更換的濾波器，使得這兩個(gè)通道(斯托 克斯散射和反斯托克斯散射)被依次測(cè)量。此外，分析裝置8附加地還包括測(cè)量電子部 件12。由于在光導(dǎo)纖維6中反向散射的光3、31包括相互不相干的、具有相 互垂直的線 偏振的分量，所以在很大程度上避免了現(xiàn)有技術(shù)中已知的取決于偏振的效應(yīng)。此外，從圖4中還可以看出在激光源2、30的控制裝置1與測(cè)量電子部件12之 間的連接34。這個(gè)連接用于將激光源2、30與測(cè)量電子部件12同步。
權(quán)利要求
1.一種用于空間分辨的溫度測(cè)量的設(shè)備，包括至少一個(gè)用于空間分辨的溫度測(cè)量的光導(dǎo)纖維(6)，至少一個(gè)激光源(2，30)，所述激光源的光(3，23，31)能夠被耦入到所述光導(dǎo)纖維 (6)中，其中由所述激光源(2，30)生成的光(3，23，31)在所述光導(dǎo)纖維(6)中被反向 散射的分量能夠被從所述光導(dǎo)纖維(6)中耦出，其特征在于，所述設(shè)備包括用于減小由偏振決定的效應(yīng)的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于，所述用于減小由偏振決定的效應(yīng)的裝置包括 偏振改變器(4)，所述偏振改變器(4)能夠?qū)⑺鲋辽僖粋€(gè)激光源(2)的光(3)在耦入到 所述光導(dǎo)纖維(6)中之前至少部分地消偏振，或者能夠?qū)⑦@個(gè)光(3)的偏振狀態(tài)在耦入之 前在時(shí)間上和/或在空間上進(jìn)行改變。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其特征在于，所述偏振改變器(4)包括偏振分束器(13)， 所述偏振分束器(13)能夠?qū)⒐?3)分為具有不同偏振(18，20)的兩個(gè)分量(17，19)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的設(shè)備，其特征在于，所述偏振改變器(4)被構(gòu)造為使得所述具 有不同偏振(18，20)的兩個(gè)分量(17，19)在重新被相互組合之前經(jīng)過(guò)不同長(zhǎng)度的光學(xué)路 徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一的設(shè)備，其特征在于，所述用于減小由偏振決定的效應(yīng)的 裝置包括至少一個(gè)濾波器(33)，所述濾波器的特性、尤其是在其透射性方面，對(duì)于兩個(gè) 偏振方向或?qū)τ谌魏蝺蓚€(gè)相互垂直的偏振方向差別小于10%，尤其小于5%，優(yōu)選小于1%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一的設(shè)備，其特征在于，所述用于減小由偏振決定的效應(yīng)的 裝置包括至少一個(gè)光譜分離器(5，9，26)，所述光譜分離器(5，9，26)的特性、尤其是 在其透射性和/或其反射性方面，對(duì)于兩個(gè)偏振方向或?qū)τ谌魏蝺蓚€(gè)相互垂直的偏振方 向差別小于10%，尤其小于5%，優(yōu)選小于1%。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其特征在于，所述光譜分離器(26)被設(shè)置在所述設(shè)備 中使得所述光(3)和/或所述光(3)的從所述光導(dǎo)纖維(6)反向散射的分量(28)以小于 20°、尤其是小于10°的角度(α)入射到所述光譜分離器(26)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一的設(shè)備，其特征在于，所述用于減小由偏振決定的效應(yīng)的 裝置包括第二激光源(30)，其中除了所述第一激光源(2)的光之外，所述第二激光源的 光(31)也能夠被耦入到所述光導(dǎo)纖維(6)中，其中由所述第二激光源(30)生成的光(31) 的在所述光導(dǎo)纖維(6)中被反向散射的分量同樣能夠從所述光導(dǎo)纖維(6)中耦出，并且所 述第二激光源(30)的被耦入到所述光導(dǎo)纖維(6)中的光(31)的偏振不同于所述第一激光 源(2)的被耦入所述光導(dǎo)纖維(6)中的光(3)的偏振。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于，這兩個(gè)激光源(2，30)相互不相干。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9之一的設(shè)備，其特征在于，在所述設(shè)備中使用所述至少一個(gè) 激光源(2，30)的耦入到所述光導(dǎo)纖維(6)中的光(3，23，31)的斯托克斯散射強(qiáng)度與反 斯托克斯散射強(qiáng)度之比來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量。
全文摘要
一種用于空間分辨的溫度測(cè)量的設(shè)備，包括至少一個(gè)用于空間分辨的溫度測(cè)量的光導(dǎo)纖維(6)和至少一個(gè)激光源(2，30)，激光源的光(3，23)能夠被耦入到光導(dǎo)纖維(6)中，其中光(3，23)在光導(dǎo)纖維(6)中被反向散射的分量能夠被從光導(dǎo)纖維(6)中耦出并被分析。該設(shè)備包括用于減小由偏振決定的效應(yīng)的裝置，其例如可以是能夠至少部分地將光消偏振的偏振改變器(4)。
文檔編號(hào)G01K11/32GK102027346SQ200980117464
公開(kāi)日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2009年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月15日
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