專利名稱：應(yīng)變隔絕的布拉格光柵溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
這個發(fā)明涉及光纖光柵，并且更具體而言涉及包在管中應(yīng)變隔絕的光纖光柵溫度傳感器。
背景技術(shù)：
在纖維光學(xué)的技術(shù)中已知嵌入在光纖中的布拉格光柵可以被埋置在結(jié)構(gòu)中并被用于檢測諸如結(jié)構(gòu)的溫度和/或脅度等參數(shù)，例如在Moltz等的題為“分布的空間分辨光纖應(yīng)變計”的4,806,012號美國專利和Morey的題為“分布多路的光纖布拉格光柵傳感器裝置”的4,996,419號美國專利中被描述的。還已經(jīng)知道歸因于折射率和光柵間距在溫度范圍內(nèi)的改變光柵12的反向波長λ隨溫度改變(Δλ/ΔT)，例如在Morey等的題為“含有布拉格濾波器溫度補償?shù)墓獠▽?dǎo)管器件”的5,042,898號美國專利中被描述的。
然而，當(dāng)光纖光柵被用于只測量溫度而且未被嵌入或被耦合或附著到被監(jiān)測的整個結(jié)構(gòu)時，光纖和光柵上的任何應(yīng)變都引起光柵反射波長的改變，它能導(dǎo)致在光柵溫度測量上的不準(zhǔn)確。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的包括光纖光柵溫度傳感器的提供，該傳感器使光柵在光纖上呈現(xiàn)應(yīng)變時能被用作溫度傳感器。
根據(jù)本發(fā)明應(yīng)變隔絕的纖維光學(xué)溫度傳感器，包含具有至少0.3mm的外部橫向線度并具有至少一個被配置在那里的反射元件的光學(xué)敏感元件，反射元件具有反射波長；附著到敏感元件的至少一個軸向終端的光纖；至少一部分敏感元件具有連接的并且基本上由相同材料制成的橫向截面；并且反射波長的改變歸因于敏感元件在溫度上的變化而不歸因于在光纖上的應(yīng)變。
進一步根據(jù)本發(fā)明，敏感元件包含具有反射元件被嵌入在那里的光纖；具有光纖及反射元件被包裝在其中的管子，管子被熔合到光纖的至少一部分。另外根據(jù)本發(fā)明，敏感元件包含具有外包殼及配置在其中內(nèi)芯的大直徑光波導(dǎo)管，并具有被配置在那里的反射元件。
另外根據(jù)本發(fā)明，敏感元件包含沿著管子的縱軸被熔合到至少一部分光纖的管子；具有外包殼及被配置在其中內(nèi)芯的大直徑的光波導(dǎo)管；并且管和波導(dǎo)管被軸向熔合并在光學(xué)上被耦合在一起，而反射元件或被嵌入光纖并被包裝在管中或被配置在光波導(dǎo)管中。進一步根據(jù)本發(fā)明，敏感元件由玻璃材料制成。
本發(fā)明提供被配置在光學(xué)敏感元件中的布拉格光柵，該元件包括熔合到玻璃毛細管的至少一部分的光纖(“包在管中的光纖/光柵”)和/或具有光芯及寬闊包殼的大直徑的波導(dǎo)管光柵，它能檢測溫度變化但對由光纖或其他作用所引起的在元件上的應(yīng)變基本上不敏感(或基本上被隔絕)。元件可以由玻璃材料制成。并且，它使光柵將能隔絕于光纖上在別處的應(yīng)變。
并且，一個或多個光柵，光纖激光器，或許多光纖或光芯可被配置在元件中。
光柵或激光器可通過使管子被熔合到光纖被“包裝”在管中，管和光纖的熔合在光柵區(qū)域內(nèi)和/或在光柵區(qū)域相對的軸向終端鄰近于光柵或距光柵預(yù)定距離處。光柵或激光器可在管內(nèi)被熔合或部分在管內(nèi)或熔合到管的外表面。并且，一個或多個包在波導(dǎo)管和/或管中的光纖/光柵可被軸向熔合以構(gòu)成敏感元件。
另外，本發(fā)明可被用作單獨的傳感器或用作多個分布多路傳感器，并且，本發(fā)明可以是直通的設(shè)計或非直通的設(shè)計。
本發(fā)明可被使用在苛刻的環(huán)境中，例如在油和/或氣井、引擎、燃燒室等中。例如，本發(fā)明可以是能夠在高溫(＞150℃)運行的全玻璃傳感器。本發(fā)明還將在不依賴于環(huán)境類型的其他用途中工作得同樣好。
本發(fā)明的上述和其他目的、性能及優(yōu)點借助以下其示范性實施例的詳述將變得更加清楚。
附圖簡述

圖1是根據(jù)本發(fā)明的包在管中的光纖光柵溫度傳感器的側(cè)視圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的具有多于一個圍繞光柵的管子的包在管中的光纖光柵溫度傳感器的側(cè)視圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的包在管中的光纖光柵溫度傳感器的側(cè)視圖，其中管子被熔合在光柵區(qū)域相對的軸向終端。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的可替換的包在管中的光纖光柵溫度傳感器的側(cè)視圖，其中管子被熔合在光柵區(qū)域相對的軸向終端。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的具有多于一個光柵被包在管中的管包光纖光柵溫度傳感器的側(cè)視圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的借助公用光纖串聯(lián)的獨立的管子中多個管包光纖光柵溫度傳感器的側(cè)視圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的包在公用管子中兩根獨立光纖上兩個光纖光柵的溫度傳感器的側(cè)視圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的圖7的實施例的端視圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的在包在公用管子中隔開距離的兩根獨立光纖上兩個光纖光柵的濕度傳感器的端視圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的包在管中的光纖光柵溫度傳感器側(cè)視圖，其中管子僅被熔合到遍及光柵長度的光纖。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的具有可調(diào)諧的分布反饋(DFB)光纖激光器被包在管中的管包光纖光柵溫度傳感器的側(cè)視圖。
圖12是根據(jù)本發(fā)明的具有光柵被配置在其中的大直徑的光波導(dǎo)管的側(cè)視圖。
實現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式參看圖1，應(yīng)變隔絕的布拉格光柵溫度傳感器包含已知的光波導(dǎo)管10，例如具有被外加(或被嵌入或被壓印)在光纖10中的布拉格光柵12的標(biāo)準(zhǔn)的電信單模光纖。光纖10具有約125微米的外徑并且包含具有適當(dāng)?shù)娜缫阎獡诫s物的石英玻璃(SiO2)，以使光線14能沿光纖10傳播。如已知的，光柵12是在光波導(dǎo)管的有效折射率和/或有效光吸收系數(shù)上的周期性或非周期性的變化，例如類似于在Glenn等的題為“用于把光柵引用到纖維光學(xué)的方法”的4,725,110號和4,807,950號美國專利，以及Glenn的題為“用于在光纖中形成非周期性光柵的方法和裝置”的5,388,173號美國專利中所描述的，它們特此引入供需要理解本發(fā)明在可能范圍內(nèi)參考。然而，如果需要，被嵌入、腐蝕、壓印或用其他方法形成在光纖28上的任何波長可調(diào)諧光柵或反射元件可被使用。作為在這里被使用的，術(shù)語“光柵”是指任何這種反射元件。另外，反射元件(或光柵)12可被使用在光的反射和/或傳播中。
如果需要，對于光纖或波導(dǎo)管10其他材料和線度可被采用。例如，光纖10可由任何玻璃，例如石英，磷酸鹽玻璃或其他玻璃制成，或由玻璃和塑料，或單獨由塑料制成。對于高溫的用途，光纖由玻璃材料制成是需要的。并且，光纖10可具有80微米的外徑或其他的直徑。另外，替代著光纖，任何光波導(dǎo)管可被使用，例如，多模的、雙折射的、保持極化的、偏振的、多芯的或多包殼的光波導(dǎo)管，或平直的或平面的波導(dǎo)管(其中波導(dǎo)管是矩形的)，或其他的波導(dǎo)管。作為在這里被使用的術(shù)語“光纖”包括上面描述的波導(dǎo)管。
光線14入射到光柵12上，光柵從那里反射如用線16所表明的具有中心在反射波長λb的預(yù)定的光的波長帶的一部分，并且傳遞入射光的剩余的波長(在預(yù)定的波長范圍內(nèi))，如由線18所表明。
具有光柵12在其中的光纖10被包裝在并被熔合到圓柱形玻璃毛細管20的至少一部分(在下文再被討論)。管子20具有約3mm的外徑d1及約10mm的長度L1。光柵12具有約5mm的長度Lg。另一方面，管20的長度L1可基本上與光柵12的長度Lg相同，例如借助使用較長的光柵，或較短的管子。對管20和光柵12，其他的線度和長度也可被采用。并且光纖10和光柵12不需要被熔合在管20的中央而可被熔合在管20中任何地方。并且，管20不需要遍及管的全部長度被熔合到光纖10。
管20由玻璃材料制成，例如天然或人工合成的石英、石英玻璃、二氧化硅(SiO2)、科寧公司的Pyrex玻璃(硼硅酸鹽)、科寧公司的Vycor玻璃(約95％的二氧化硅和5％的其他組分，如氧化硼)、或其他玻璃。管子應(yīng)當(dāng)由這樣的材料制成以使管20(或者管20中鏜孔的內(nèi)徑表面)能被熔合到(即生成分子結(jié)合或熔化在一起與)光纖10的外表面(或包殼)，以致管20的內(nèi)徑與光纖10外徑之間的接合面變得基本上被消除(即，管20的內(nèi)徑不能與光纖10的包殼被區(qū)分并成為包殼的一部分)。
為了在大的溫度范圍內(nèi)管20與光纖10的最佳的熱膨脹匹配，管20的材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)應(yīng)當(dāng)基本上與光纖10的材料的CTE相匹配。通常，玻璃材料的熔化溫度越低，CTE就越高。因而，對于石英光纖(具有高熔化溫度及低CTE)和由另一種玻璃材料，例如Pyrex或Vycor(具有較低的熔化溫度及較高的CTE)制成的管將導(dǎo)致管20與光纖10之間在溫度范圍內(nèi)熱膨脹的失配。
然而，對于本發(fā)明并不要求光纖10的CTE與管20的CTE匹配。特別是，光纖10與管20之間CTE越加失配，光柵反射波長改變對溫度變化的靈敏度越高，而溫度傳感器變得更加靈敏。例如，對于石英光纖(CTE＝5.5×10-7/℃)，由Vycor(CTE＝7.5×10-7/℃)或Pyrex(CTE＝32.5×10-7/℃)制成的管20將比石英管提供更高的靈敏度。
替代著由玻璃材料制成管20，其他可彈性變形的材料可以被使用只要管20能被熔合到光纖10。例如，對于由塑料制的光纖，由塑料材料制成的管可被使用。
在光纖光柵12被包在管20中的情況下，對于任何由管20外的光纖10施加在管20上的軸向應(yīng)變，由管20中的光柵12所承受的應(yīng)變與光纖10相比將被減小與管20的被增大的橫向截面積相關(guān)的數(shù)量，從而提供基本上隔絕軸向應(yīng)變的溫度傳感器元件。因而，在光柵12的反射波長上的任何改變將歸因于溫度的變化而不是光纖應(yīng)變的變化。所以，對于在元件上預(yù)定的應(yīng)變值管20的直徑(或橫向線度)和長度被設(shè)置具有距光柵期望的隔離值。
例如，如果敏感元件被嚴(yán)格地固定并且光纖沿離開元件的方向被軸向拉牽，敏感元件的尺寸可被定得使光纖將呈現(xiàn)應(yīng)變而元件中的光柵將不顯示，因而光柵的波長將不因光纖上的應(yīng)變而改變。如果敏感元件未被嚴(yán)格地固定并且從元件兩個軸向終端退出的光纖沿離開元件相反的方向被軸向拉牽，同樣的結(jié)果將出現(xiàn)。本發(fā)明還提供來自施加在敏感元件上軸向應(yīng)變的其他原因的應(yīng)變隔絕或減小，例如安裝應(yīng)變等。
光纖10從管20的軸向終端退出管20，管20在那里可以具有離開光纖10被向內(nèi)收縮(或被張開)的內(nèi)側(cè)部位22以為光纖10或為其他原因提供應(yīng)變減輕。假如那樣的話，在管20與光纖10之間的區(qū)域28可以用應(yīng)變減輕填充材料，例如，聚酰亞胺、硅酮或其他材料被填充。并且，管20可以具有被收縮(或被斜切或被形成角度)的外隅角或邊緣24以提供部位為管20與其他部分(未被示出)聯(lián)接或為其他原因。
另一方面，替代著具有內(nèi)側(cè)被收縮的部位22，光纖10由那里退出的管20的軸向終端可以具有外側(cè)被收縮的(或有凹槽的、錐形的或突起的)部分，如虛線27所示，它具有降低到光纖10的幾何結(jié)構(gòu)(在下文再被討論)。我們已發(fā)現(xiàn)當(dāng)光纖10沿其縱軸被拉牽時，采用有凹槽的部分27可在位于或接近光纖10與管20之間的交界面處提供增強的拉牽強度。
管20可具有不同于圓形的終端(或橫向)截面形狀，例如正方形、矩形、橢圓形、蛤殼形、或其他形狀，并且可具有不同于矩形的側(cè)視截面形狀，例如圓形、正方形、橢圓形、蛤殼形、或其他形狀。并且，管20可以具有取決于用途的各種不同的幾何結(jié)構(gòu)。例如，包在管中的光纖光柵溫度傳感器可以是較大的傳感器，例如溫度補償?shù)膲簭妭鞲衅?，的一部分，如在題為“包在管中的光纖光柵壓強傳感器”的編號為(CiDRA Docket No.CC-0036A)的共同未批的美國專利申請中所描述的。管20的任何變化的幾何結(jié)構(gòu)可被形成，如在題為“包在管中的光纖光柵”的編號為(CiDRA Docket No.CC-0078A)的共同未批的美國專利申請中所描述的，它們特此被引入供參考。
在光纖10退出管20處，光纖10可以具有外部防護隔離層21以保護光纖10的外表面免于損壞。隔離裝置21可由聚酰亞胺、硅酮、Teflon(聚四氟乙烯)、碳、金和/或鎳，并且具有約25微米的厚度。對于隔離層21其他厚度和隔離材料也可被采用。如果內(nèi)側(cè)被收縮的軸向部位22被采用并且足夠大，隔離層21可被插入到部位22以提供由裸光纖到被隔離光纖的過渡。另一方面，如果部位具有外部的錐度27，隔離裝置21將從光纖退出管20處開始。如果隔離裝置21在光纖退出點之后開始，光纖10可被附加的隔離層(未被示出)重新涂蓋，該附加層覆蓋任何在熔合部位外部的裸光纖并且與隔離裝置21重疊，而且還可能重疊部位27的某些部分或管20的終端。
光柵12在毛細管20圍繞光纖10被包裝之前或之后被外加在光纖10中。
如果光柵12在管20圍繞光柵12包裝之后被外加在光纖10中，光柵12可通過管20被載入光纖10，如在題為“用于構(gòu)成包在管中布拉格光柵的方法和裝置”的編號為(CiDRA Docket No.CC-0130)的共同未決的美國專利申請中所描述的，同時隨同提出。
要將光纖10包在管20中，管20可借助激光、白熱絲、火焰、或借助其他熔合技術(shù)被加熱、斷裂、并熔合到光柵12，如在前面提到的題為“包在管中的光纖光柵”的編號為(CiDRA Docket No.CC-0078A)的共同未批的美國專利申請中所描述的。其他的技術(shù)可被使用于斷裂及熔合管20到光纖10，例如在Duck等的題為“用于封裝光纖的方法”的5,745,626號美國專利和/或在Berkey的題為“制做具有必要精度連接腔的光纖聯(lián)接器的方法”的4,915,467號美國專利所描述的，它們特此被引入供需要理解本發(fā)明或其他技術(shù)在可能范圍內(nèi)參考。另一方面，其他技術(shù)可被用于熔合光纖10到管20，例如使用高溫玻璃焊料，如二氧化硅焊料(粉末或整體的)，以使光纖10、管20和焊料全部變得相互熔合，或使用激光焊接/熔合或其他熔合技術(shù)。并且光纖可被熔合在管內(nèi)或部分地在管內(nèi)或在管的外表面上(在下文隨同圖9被討論)。
光柵12可具有來自管子(壓縮或拉伸)的初始預(yù)加應(yīng)變或沒有預(yù)加應(yīng)變被包裝在管20中。例如，如果Pyrex或別的具有大于光纖10的熱膨脹系數(shù)的玻璃被用于管20，則當(dāng)管20被加熱且熔合到光纖并隨后被冷卻時，光柵12被管20引入壓縮。另一方面，通過在管加熱和熔合過程期間把光柵引入拉伸，光纖光柵12可能在拉伸狀態(tài)下被包裝在管20中。并且，光纖光柵12可被包裝在管20中而在光柵12上既不引起拉伸也不引起壓縮。
參看圖2，多于一個同軸的管子可被熔合在一起以構(gòu)成本發(fā)明的管20。例如，具有約0.5mm外徑d4的小的內(nèi)毛細管180，可以被設(shè)置在具有在上文中討論的直徑d1的較大的外毛細管182中，并且兩管180、182被熔合在一起。小管180的一個或兩個終端可圍繞光纖10被向下緊縮以構(gòu)成有凹槽的區(qū)段27。如果需要，用于內(nèi)管和外管180、182直徑d1、d4的其他數(shù)值可被采用。并且，多于兩個同軸的毛細管可被采用。管子的材料可以相同以最小化在溫度范圍內(nèi)熱膨脹的失配。
參看圖3和圖4，另一方面，管20可在光柵12相對的側(cè)邊接近或距光柵12預(yù)定距離L10處被熔合到光纖10，其中L10可以是在光柵邊緣處(L10＝0)任何想要的距離。特別是，管20的區(qū)域200被熔合到光纖10而圍繞光柵12的管的中央?yún)^(qū)段202未被熔合到光纖10。圍繞光柵12的區(qū)域202可以包含外界的空氣或被抽空(或處于別的壓強)，或可被部分或全部地用粘合劑充填，例如，環(huán)氧樹脂或其他填充材料，比如聚合物或硅酮，或其他材料。管20的內(nèi)徑d6可以接近于光纖10的，如大于光纖10的直徑約0.01到10微米，例如，125.01到135微米或者可以具有較大的直徑，因為并不要求去迅速強使在區(qū)段202上的光纖10或光柵12用于檢測溫度。此外，區(qū)段202中的光纖10和光柵12可能是繃緊的或可能有些松馳。并且，距離L10在光柵12兩側(cè)附近并不需要是對稱的。參看圖4，另一方面，通過在光柵12相對的兩側(cè)熔合兩根獨立的管子210，212并隨后熔合外管214跨越管210，212，可以達到與圖3相同的結(jié)果。另一方面，管210，212可以延伸超過外管214的終端，如用虛線216被表明的(被軸向延伸區(qū)段)。另一方面，管20可以是具有表現(xiàn)出管212、214形狀的單個構(gòu)件。
參看圖5，對于在這里所描述的實施例的任一個，替代著單個的光柵被包裝在管20中，兩個或更多的光柵150，152可以被嵌入包裝在管20中的光纖10。這種復(fù)合光柵150、152可被用于測量沿管20多點處的溫度。在那種情況下，光柵150、152可分別具有不同的反射波長λ1、λ2和/或外形。
另一方面，復(fù)合光柵150、152可在已知的法布里-珀羅裝置中被用于單獨檢測溫度。另外，一個或更多的光纖激光器，諸如在題為“靈敏的多點光纖激光傳感器”的5,513,913號美國專利中，在題為“雙折射的靈敏光纖激光傳感器”的5,564,832號美國專利中，或在題為“壓縮調(diào)諧的光纖激光器”的5,666,372號美國專利中被描述的，可被嵌入管20中的光纖10內(nèi)。這些專利在這里被引入供需要理解本發(fā)明在可能范圍內(nèi)參考。假如那樣的話，光柵150、152形成空心并且至少在光柵150、152之間的光纖10(并且如果需要，也可包括光柵150、152和/或光柵外面的光纖10)可用稀土摻雜劑，例如鉺和/或鐿，被摻雜，并且產(chǎn)生激光的波長將隨溫度變化而改變。
參看圖11，可被使用的另一種類型可調(diào)諧光纖激光器是可調(diào)諧的分布反饋(DFB)光纖激光器154，諸如在電子通訊，1998年10月15日，34卷，21期的第2028-2030頁，V.C.Lauridsen等的“DFB光纖激光器的設(shè)計”；國際集成光學(xué)及光纖通信會議(IOOC’)95，技術(shù)摘要，1995年，第5卷，PD1-3的P.Varming等的“具有通過紫外光后處理被誘導(dǎo)的永久π/2相移的鉺摻雜的光纖DGB激光器”；Kringlebotn等的5,771,251號美國專利“光纖分布反饋激光器”；或D’Amato等的5,511,083號美國專利“偏振的光纖激光源”中所描述的。假如那樣的話，光柵12被載入稀土摻雜的光纖并在接近光柵12中心的預(yù)定位置180處構(gòu)成具有λ/2(這里λ是產(chǎn)生激光的波長)的相移，光柵12規(guī)定界限分明的諧振條件，如已知的，它可在單一的縱模運行中被連續(xù)調(diào)諧而不發(fā)生模的跳躍。另一方面，替代著單個光柵，兩個光柵150、152可被設(shè)置足夠近以形成具有(N＋1/2)λ長度的空心，在這里N是整數(shù)(包括0)，并且光柵150、152都在稀土摻雜的光纖中。
另一方面，DFB激光器154可被設(shè)置在光柵對150、152之間的光纖10上(圖4)，在那里沿著光柵150、152之間間隙的至少一部分光纖10用稀土摻雜劑被摻雜。這種結(jié)構(gòu)被稱為“交互型光纖激光器”，如由E-tek Dynamics，Inc.，San Jose，CA，互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)址為www.e-tek.com/products/whitepapers的J.J.Pan等的“具有低噪音和可控輸出功率的交互型光纖激光器”中所描述的。如果需要，其他單個或復(fù)合的光纖激光器結(jié)構(gòu)可被設(shè)置在光纖10上。
參看圖6，多個管子/溫度傳感器20在這里被描述，每個至少具有一個光柵12被包在其中，通過公用光纖10可被串聯(lián)以作為分布傳感器測量多個溫度點。任何已知的多路復(fù)用技術(shù)可被用于把一個傳感器信號與另一個傳感器信號區(qū)別開，諸如波分多路復(fù)用(WDM)或時分多路復(fù)用(TDM)或其他多路復(fù)用技術(shù)。假如那樣的話，在各個傳感器中的光柵12可具有不同的反射波長。
參看圖7和圖8，用另一種方法，兩根或更多根光纖10，250，每根至少在其中分別有一個光柵12，252，可被包在管20中。假如那樣的話，在加熱或熔合之前在管20中的鏜孔可以不同于圓形，例如正方形，三角形等等。并且，對于管20鏜孔不需要沿著管子20的中心線對準(zhǔn)中心。
參看圖9，用另一種方法，替代著如圖8中所示的光纖10，250相互接觸，光纖10，250在管20中可以被隔開預(yù)定的距離。距離可以是在光纖10，250之間任何所希望的距離。并且，對于在這里所示的實施例的任一個，如在上文所討論的，光纖的部分或全部和/或光柵可被熔合，部分熔合在管內(nèi)或熔合在管20的外表面上，如分別由光纖500，502，504所圖解說明的。
另外，在這里所描述的光柵或激光器可在管子上按任何希望的方向被取向，例如，縱向地，徑向地，環(huán)繞地，成角度地，彎曲地或其他取向。另外，術(shù)語“管子”作為在這里被使用的還可意味著具有在這里描述的性質(zhì)的一組材料。
參看圖10，用另一種方法，管20可以只被熔合到光柵12所設(shè)置的光纖10處。在那種情況下，如果管子比光柵12長，如在上文被討論的內(nèi)側(cè)被收縮的部位22可存在并且如上文所討論的在管20與光纖10之間的區(qū)域28可用填充材料填充。
有凹槽的區(qū)段27(圖1)可以按不同的方式被形成，例如在上文提到的題為“包在管中的光纖光柵”，編號(CiDRA Docket No.CC-0078A)的共同未批的美國專利申請中所描述的。例如，通過加熱管20并拉牽管子和/或光纖10或使用其他玻璃生成技術(shù)諸如研磨，拋光或腐蝕毛細管20的軸向終端。區(qū)段27可在加熱并熔合管20到光纖10之前、期間或之后被形成。
另外，內(nèi)側(cè)部位22可通過許多技術(shù)被生成，例如在上文中提到的題為“包在管中的光纖光柵”，編號(CiDRA Docket No.CC-0078A)的共同未批的美國專利申請中所描述的。例如，不在部位22中將管20熔合到光纖10或形成大于管20內(nèi)徑d6的部位22，管20可在需要的區(qū)域被加熱待膨脹因而內(nèi)部壓強被施加到管20。
另外，對于在這里所示的實施例的任一個，替代著光纖10穿過管20，光纖10可以是單端的，即光纖10只有一端退出管20。在那種情況下，光纖10的一端可能是在光纖10從管20的出口點或前于出口點。
參看圖12，用另一種方法，包在管中的光纖光柵20的一部分或全部可被大直徑的石英波導(dǎo)管光柵600替代，例如在題為“大直徑光波導(dǎo)管、光柵和激光器”，編號(CiDRA Docket No.CC-0230)的共同未批的美國專利申請中所描述的，它在這里被引入供參考。波導(dǎo)管600具有內(nèi)芯612(等同于光纖10的內(nèi)芯)和包殼(等同于管20和光纖10的包殼的熔融組合)并具有被嵌入在那里的光柵12。波導(dǎo)管600的全長L1和波導(dǎo)管直徑d2被設(shè)置與在上文被描述的管20的相同(即，以使管20將不會在所需的光柵波長調(diào)諧范圍內(nèi)彎曲)并且波導(dǎo)管的外徑至少為0.3mm。具有包殼626和傳播光信號14的內(nèi)芯625的光纖622(相當(dāng)于圖1中的光纖10)，使用任何已知或待開發(fā)的供拼接光纖或?qū)⒐鈴墓饫w耦接進入較大的波導(dǎo)管用的技術(shù)，被拼接或用其他方法被光學(xué)耦接到波導(dǎo)管10的一個或兩個軸向終端628，這對于應(yīng)用將提供可接受的光損失。
具有光柵的大直徑波導(dǎo)管600可像包在管20中的光柵在這里被使用的相同方式被使用，在那里光纖10類似于波導(dǎo)管600的內(nèi)芯612(并是可互換的)。對于管20和包在管中的光柵，在這里被描述的所有可供選擇的實施例也可應(yīng)用于在那里可行的波導(dǎo)管600，它包括具有光纖激光器或DFB光纖激光器，多重光纖(或芯)，不同的幾何結(jié)構(gòu)等等。
包在管中的光纖光柵20和大直徑的波導(dǎo)管光柵600各自也可在這里被稱作“光學(xué)敏感元件”。包在管中的光柵20和大直徑的波導(dǎo)管光柵600在管20被熔合到光纖10的位置上基本上具有相同的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，因為包在管中光柵20和大直徑波導(dǎo)管光柵600的終端(或橫向)截面都是連接的(或整體的)并且基本上由跨越橫截面的相同材料制成，例如玻璃材料，諸如被摻雜的和未被摻雜的石英。并且，在這些位置兩者都有光學(xué)內(nèi)芯和大的包殼。
并且，波導(dǎo)管600和包在管中的光柵20可在一起被使用以形成在這里所描述的敏感元件的任何給定的實施例。特別是，敏感元件的一個或多個軸向部分可以是包在管中的光柵或光纖和/或一個或多個其他的軸向部分可以是波導(dǎo)管600，它們被軸向地拼接或熔合或用其他方法被機械地和光學(xué)地耦接在一起以使該波導(dǎo)管的內(nèi)芯與熔合到管中光纖的內(nèi)芯成一直線。例如，敏感元件的中心區(qū)可以是大的波導(dǎo)管并且一個或兩個軸向終端可以是包在管中的光纖，它們?nèi)酆显谝黄鹑缣摼€650，652所表明，或反過來也一樣(圖1，5，11，12)。
應(yīng)該理解到對于在這里的任何實施例所描述的線度、幾何結(jié)構(gòu)和材料都僅用于圖解說明的目的而因此，任何其他線度、幾何結(jié)構(gòu)、或材料，取決于用途、大小、性能、制造或設(shè)計要求、或其他因素，按照這里的主張的觀點，如果需要都可被采用。
應(yīng)當(dāng)理解到除非在本文中另外被指出，在這里關(guān)于特定的實施例所描述的任何性能、特征、替換物或改進也可被應(yīng)用、采用或與在本文中所描述的任何其他實施例相結(jié)合。另外，這里的附圖不是被按比例畫的。
雖然本發(fā)明根據(jù)其示范性的實施例已被描述和說明，上述的和各種其他的添加和省略在那里和從那里可被作出而不違反本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.應(yīng)變隔絕的光纖光學(xué)溫度傳感器，包含具有至少0.3mm的外部橫向線度并具有至少一個被配置在那里的反射元件的光學(xué)敏感元件，該反射元件具有反射波長；從該敏感元件的至少一個軸向終端退出的光纖；該敏感元件的至少一部分具有連接的并且基本上由相同材料制成的橫向截面；以及該反射波長的改變歸因于該敏感元件在溫度上的變化而改變不歸因于在該光纖上的應(yīng)變。
2.權(quán)利要求1的裝置，其中該敏感元件包含具有該反射元件被嵌入在那里的光纖；以及具有該光纖和該反射元件被包在其中的管子，該管被熔合到該光纖的至少一部分。
3.權(quán)利要求1的裝置，其中該敏感元件包含具有外包殼和配置在其中的內(nèi)芯并具有被配置在那里的反射元件的大直徑光波導(dǎo)管。
4.權(quán)利要求1的裝置，其中該敏感元件包含沿著該管的縱軸被熔合到光纖的至少一部分的管子；具有外包殼及被配置在其中的內(nèi)芯的大直徑光波導(dǎo)管；以及該管和該波導(dǎo)管被軸向熔合并在光學(xué)上耦接在一起。
5.權(quán)利要求4的裝置，其中該反射元件被嵌入在該光纖中并沿著該管的縱軸被包在管中。
6.權(quán)利要求4的壓強傳感器，其中該反射元件被配置在該光波導(dǎo)管中。
7.權(quán)利要求1的裝置，其中該敏感元件由玻璃材料制成。
8.權(quán)利要求1的裝置，其中該敏感元件由石英制成。
9.權(quán)利要求2的裝置，其中該光纖和該管由具有不同熱膨脹系數(shù)的材料制成。
10.權(quán)利要求2的裝置，其中該管被熔合到該反射元件被設(shè)置的該光纖處。
11.權(quán)利要求2的裝置，其中該管被熔合到該反射元件相反的軸向側(cè)邊上的該光纖中。
12.權(quán)利要求2的裝置，其中該光纖沿著該管的縱軸被取向。
13.權(quán)利要求1的裝置，其中該敏感元件的至少一部分是圓柱形的。
14.權(quán)利要求1的裝置，其中該敏感元件具有至少一個外部收縮的軸向部分。
15.權(quán)利要求1的裝置，其中該敏感元件具有至少一個內(nèi)部收縮的軸向部分。
16.權(quán)利要求2的裝置，其中該管具有多個被包在該管中的該光纖。
17.權(quán)利要求3的裝置，其中該波導(dǎo)管具有多個被設(shè)置在那里的該光學(xué)內(nèi)芯。
18.權(quán)利要求1的裝置，其中該敏感元件具有多個被設(shè)置在那里的反射元件。
19.權(quán)利要求1的裝置，其中該敏感元件具有至少一對被設(shè)置在那里的反射元件，并且至少一部分該敏感元件是在該對元件之間用稀土摻雜劑被摻雜的以形成激光器。
20.權(quán)利要求19的裝置，其中該激光器在激光發(fā)射波長產(chǎn)生激光，該波長隨該管溫度的變化而改變。
21.權(quán)利要求1的裝置，其中至少一部分該敏感元件用稀土摻雜劑被摻雜，在那里該反射元件被設(shè)置并且該反射元件被成形以構(gòu)成DFB激光器。
22.權(quán)利要求21的裝置，其中該DFB激光器在激光發(fā)射波長產(chǎn)生激光，該波長隨該敏感元件溫度的變化而改變。
全文摘要
應(yīng)變隔絕的布拉格光柵溫度傳感器包括一個包含一具有至少一個放置在那里的布拉格光柵(12)的光纖的光學(xué)敏感元件(20,600)和/或一個具有內(nèi)芯和一個寬覆層和具有一個放置于此的光柵(12)的大尺寸波導(dǎo)光柵(600),它對于溫度敏感但是對于由纖維或其他效應(yīng)引起的在元件上的應(yīng)變不敏感。光(14)入射在光柵(12)上,光(16)入射在光柵(12)上而光(16)以反射波長λ1被反射。敏感元件(20,600)的形狀可以是其他幾何形狀和/或可以使用多個同心管或可以使用多個光柵或?qū)鈻呕蚩梢允褂枚鄠€光纖或光學(xué)內(nèi)芯。該元件(150,152)的至少一部分可以摻雜在一對光柵(150,152)之間以形成一個溫度可調(diào)激光器或該光柵(12)或光柵(150,152)可以被構(gòu)置為一個溫度可調(diào)DFB激光器。還有,該元件可以分別具有一個內(nèi)部或外部錐形區(qū)域(22,27)以為光纖(10)提供應(yīng)力釋放和/或附加的拉力強度。還有,光纖(10)和管(20)可以具有不同系數(shù)的熱擴散以增強敏感度。
文檔編號G01K11/00GK1329716SQ99814102
公開日2002年1月2日 申請日期1999年12月6日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月4日
發(fā)明者C·J·賴特, T·J·拜利, M·R·菲爾納爾德, J·M·沙利文, M·A·達維斯, J·R·敦菲, A·D·克西, M·A·普特納姆, R·N·布魯卡托, P·E·桑德爾斯 申請人:塞德拉公司