CN102128643B - 基于双锥微细光纤环形谐振腔的分布式传感装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于双锥微细光纤环形谐振腔的分布式传感装置，属于光纤传感的技术领域，构成器件的连接：宽带光源(1)经光隔离器(2)与1×N耦合器(3)的一字端口相连，1×N耦合器(3)的N个分叉端口分别经第一至第N带通滤波器(41，42，…，4N)与第一至第N传感线路(51，52，…，5N)的一端相连，第一至第N传感线路(51，52，…，5N)的另一端分别与1×N耦合器(6)的N个分叉端口相连，1×N耦合器(6)的一字端口与光谱分析仪(7)和计算机(8)相连。第一至第N传感线路(51，52，…，5N)由半径为微米量级的不同环形谐振腔相互串联，环形谐振腔由一根双锥微细光纤自缠绕耦合制成，尺寸小、插损低、性价比高、级联与复用更加简单方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于双锥微细光纤环形谐振腔的分布式传感装置，属于光纤传感的技术领域。
背景技术
分布式光纤传感是利用光纤一维空间的连续特性进行测量的技术。光纤既作传感元件，又作传输元件，可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量，同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息。分布式光纤传感器具有一系列突出的优点，是光纤传感器中最具发展潜力的一支，可广泛应用于民用工程、航天、海洋、电力、石油化工、生物、医疗等众多领域。
目前分布式光纤传感装置按照工作原理主要有：基于后向散射的分布式传感、基于偏振光时域反射的分布式传感、基于光干涉的分布式传感和基于光纤布拉格光栅的准分布式传感四种类型。
基于后向散射的分布式光纤传感技术：是利用光波在光纤中传输时产生的后向散射光，包括瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射，通过这些后向散射光与被测量如温度、应力、振动等之间的关系，可以实现分布式光纤传感。这种技术测量原理简单，造价相对低廉，目前已经能够实现10km以上的测量距离。但是它需要高功率、短脉冲的光源和高速信号放大采集器件，其测量精度和空间分辨率受到器件性能和造价的限制。
基于偏振光时域反射的分布式光纤传感技术：是将线偏振光脉冲耦合进光纤，利用散射光偏振态沿光纤变化的附加信息来对外界参量进行监测的一种新型传感技术。这种传感技术的优点是具有较高的灵敏度，但由于光脉冲偏振态的统计随机性，系统的控制成本较高。
基于光干涉的分布式光纤传感技术：主要包括马赫-曾德尔干涉型、萨格尼克干涉型、迈克尔逊干涉型和法布里-珀罗干涉型。其工作原理是利用干涉仪提供的不同传输路径，使得激光光源输出的光脉冲通过待测光路和参考光路时产生差异，从两路信号的干涉结果中提取出待测干扰传感信息。这种传感技术由于采用干涉效应，对待测量的分辨率和定位精度更高，但也导致系统的稳定性较差。
基于光纤布拉格光栅的准分布式光纤传感技术：是利用光纤布拉格光栅对温度、应力、振动、弯曲、折射率等的高灵敏性来实现对外界参量的传感检测，同时利用光纤光栅的波长选择性，通过将中心波长不同的光栅级联复用进行分布式传感，可增加检测的区域范围，但由于每个光栅单元占用一定的测量带宽，彼此不能交叠，因此可复用的数目受宽带光源谱线宽度的限制，另外系统成本随复用数目线性增长，检测的空间分辨率受光栅尺寸制约。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服目前分布式光纤传感装置暴露出的不足，提出一种基于双锥微细光纤环形谐振腔的分布式传感装置。
本发明提出一种基于双锥微细光纤环形谐振腔的分布式传感装置，其工作原理是：利用熔融拉制的高质量双锥微细光纤，采用自缠绕耦合法制成半径为微米量级的环形谐振腔，根据双锥光纤高消逝场效应，以及谐振腔透射谱纹波与所处环境参量间的对应关系，通过实时监测纹波漂移，实现对环境变化的传感检测。
本发明解决其技术问题的技术方案：
本发明提出一种基于双锥微细光纤环形谐振腔的分布式传感装置，该装置包括：宽带光源、光隔离器、第一、第二1×N耦合器、第一至第N带通滤波器、第一至第N传感线路、光谱分析仪和计算机。各器件间的连接如下：
宽带光源经光隔离器与第一1×N耦合器的一字端口相连，第一1×N耦合器的N个分叉端口分别接第一带通滤波器，第二带通滤波器，……，第N带通滤波器的输入端。
第一带通滤波器的输出端与第一传感线路的一端连接，第二带通滤波器的输出端与第二传感线路的一端连接，……，第N带通滤波器的输出端与第N传感线路的一端连接。
第一传感线路、第二传感线路、……，第N传感线路的另一端分别与第二1×N耦合器的N个分叉端口相连。
第二1×N耦合器的一字端口与光谱分析仪的输入端连接，光谱分析仪的输出端与计算机相连。
第一传感线路由第一一环形谐振腔，第一二环形谐振腔，……，第一M环形谐振腔相互串联构成。
第二传感线路由第二一环形谐振腔，第二二环形谐振腔，……，第二M环形谐振腔相互串联构成。
……。
第N传感线路由第N一环形谐振腔，第N二环形谐振腔，……，第NM环形谐振腔相互串联构成。
所有的环形谐振腔均由双锥微细光纤自缠绕耦合制成，其半径为不同微米量级。双锥微细光纤由火焰熔融拉制而成。
N≥2的整数，M≥2的整数。
本发明的有益效果具体如下：
本发明所述的一种基于双锥微细光纤环形谐振腔的分布式传感装置，充分利用了双锥微细光纤的高消逝场效应，以及谐振腔透射谱纹波与所处环境参量间的对应关系，通过实时监测纹波漂移，实现对环境变化的传感监测。该环形谐振腔的半径为微米量级，尺寸小、结构简单，而且采用一根连续双锥微细光纤自缠绕耦合制成，使传感与信号传输合而为一，级联与复用更加方便，与目前平面波导集成法制作的环形谐振腔相比，插入损耗和成本更低。这种具有高灵敏度、微小尺寸、性价比更高的新型光纤传感装置，很好地解决了目前分布式传感的高复用成本，以及在精细度、空间分辨率要求高的场合应用的局限，对推动光纤传感的发展具有重要的经济和社会意义。
附图说明
图1为采用1×N耦合器的基于双锥微细光纤环形谐振腔的分布式传感装置，N和M均为≥2的整数的结构示意图。
图2为采用阵列波导光栅的基于双锥微细光纤环形谐振腔的分布式传感装置，N和M均为≥2的整数的结构示意图。
图3为采用1×N耦合器的基于双锥微细光纤环形谐振腔的分布式传感装置，N取2，M取2的结构示意图。
图4为采用阵列波导光栅的基于双锥微细光纤环形谐振腔的分布式传感装置，N取256，M取8的结构示意图。
图5为由双锥微细光纤自缠绕耦合制成的环形谐振腔的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例一，如图1，一种基于双锥微细光纤环形谐振腔的分布式传感装置包括：宽带光源1，光隔离器2，第一、第二1×N耦合器3、6，第一至第N带通滤波器41、42、……、4N、第一至第N传感线路51、52、……、5N，光谱分析仪7和计算机8。上述各器件间的连接如下：
宽带光源1经光隔离器2与第一1×N耦合器3的一字端口相连，第一1×N耦合器3的N个分叉端口分别接第一带通滤波器41，第二带通滤波器42，……，第N带通滤波器4N的输入端，宽带光源1采用掺铒光纤放大器。
第一带通滤波器41的输出端与第一传感线路51的一端连接，第二带通滤波器42的输出端与第二传感线路52的一端连接，……，第N带通滤波器4N的输出端与第N传感线路5N的一端连接。
第一传感线路51、第二传感线路52、……，第N传感线路5N的另一端分别与第二1×N耦合器6的N个分叉端口相连。
第一、第二1×N耦合器3、6均采用光纤星形耦合器。
第二1×N耦合器6的一字端口与光谱分析仪7的输入端连接，光谱分析仪7的输出端与计算机8相连，光谱分析仪7采用ANDO6317。
第一传感线路51由第一一环形谐振腔511，第一二环形谐振腔512，……，第一M环形谐振腔51M相互串联构成。
第二传感线路52由第二一环形谐振腔521，第二二环形谐振腔522，……，第二M环形谐振腔52M相互串联构成。
……。
第N传感线路5N由第N一环形谐振腔5N1，第N二环形谐振腔5N2，……，第NM环形谐振腔5NM相互串联构成。
所有的环形谐振腔均由双锥微细光纤自缠绕耦合制成，见图5，其半径为不同微米量级。双锥微细光纤由火焰熔融拉制而成。
N≥2的整数，M≥2的整数。
实施例二，如图2，一种基于双锥微细光纤环形谐振腔的分布式传感装置包括：宽带光源1，光隔离器2，第一、第二阵列波导光栅3、6，第一至第N传感线路51、52、……、5N，光谱分析仪7和计算机8。上述各器件间的连接如下：
宽带光源1经光隔离器2与第一阵列波导光栅3的一字端口相连，第一阵列波导光栅3的N个分叉端口分别与第一传感线路51，第二传感线路52，……，第N传感线路5N连接，宽带光源1采用LED。
第一传感线路51、第二传感线路52、……，第N传感线路5N的另一端分别与第二阵列波导光栅6的N个分叉端口相连。
第二阵列波导光栅6的一字端口与光谱分析仪7的输入端连接，光谱分析仪7的输出端与计算机8相连，光谱分析仪7采用ANDO6317。
第一传感线路51由第一一环形谐振腔511，第一二环形谐振腔512，……，第一M环形谐振腔51M相互串联构成。
第二传感线路52由第二一环形谐振腔521，第二二环形谐振腔522，……，第二M环形谐振腔52M相互串联构成。
……。
第N传感线路5N由第N一环形谐振腔5N1，第N二环形谐振腔5N2，……，第NM环形谐振腔5NM相互串联构成。
所有的环形谐振腔均由双锥微细光纤自缠绕耦合制成，见图5，其半径为不同微米量级。双锥微细光纤由火焰熔融拉制而成。
N≥2的整数，M≥2的整数。
实施例三，如图3，一种基于双锥微细光纤环形谐振腔的分布式传感装置包括：宽带光源1，光隔离器2，第一、第二1×2耦合器3、6，第一、第二带通滤波器41、42，第一、第二传感线路51、52，光谱分析仪7和计算机8，上述各器件间的连接如下：
宽带光源1经光隔离器2与第一1×2耦合器3的一字端口相连，第一1×2耦合器3的两个分叉端口分别接第一带通滤波器41和第二带通滤波器42的输入端，宽带光源1采用掺铒光纤放大器。
第一带通滤波器41的输出端与第一传感线路51的一端连接，第二带通滤波器42的输出端与第二传感线路52的一端连接。
第一传感线路51、第二传感线路52的另一端分别与第二1×2耦合器6的两个分叉端口相连。
第二1×2耦合器6的一字端口与光谱分析仪7的输入端连接，光谱分析仪7的输出端与计算机8相连，光谱分析仪7采用ANDO6317。
第一传感线路51由半径为100μm的第一一环形谐振腔511，半径为800μm的第一二环形谐振腔512相互串联构成。
第二传感线路52由半径为100μm的第二一环形谐振腔521，半径为800μm的第二二环形谐振腔522相互串联构成。
所有的环形谐振腔均由双锥微细光纤自缠绕耦合制成，见图5。双锥微细光纤由火焰熔融拉制而成。
实施例四，如图4，一种基于双锥微细光纤环形谐振腔的分布式传感装置包括：宽带光源1、光隔离器2、第一、第二阵列波导光栅3、6，第一至第N传感线路51、52、……、5N，光谱分析仪7和计算机8，N＝256、M＝8。上述各器件间的连接如下：
宽带光源1经光隔离器2与第一阵列波导光栅3的一字端口相连，第一阵列波导光栅的256个分叉端口分别与第一传感线路51，第二传感线路52，……，第二百五十六传感线路5256连接，宽带光源1采用LED。
第一传感线路51、第二传感线路52、……，第二百五十六传感线路5256的另一端分别与第二阵列波导光栅6的256个分叉端口相连；
第二阵列波导光栅6的一字端口与光谱分析仪7的输入端连接，光谱分析仪7的输出端与计算机8相连，光谱分析仪7采用ANDO6317。
第一传感线路51由半径为100μm的第一一环形谐振腔511，半径为200μm的第一二环形谐振腔512，……，半径为800μm的第一八环形谐振腔518相互串联构成。
第二传感线路52由半径为100μm的第二一环形谐振腔521，半径为200μm的第二二环形谐振腔522，……，半径为800μm的第二八环形谐振腔528相互串联构成；……
第二百五十六传感线路由半径为100μm的第二百五十六一环形谐振腔52561，半径为200μm的第二百五十六二环形谐振腔52562，……，半径为800μm的第二百五十六八环形谐振腔52568相互串联构成。
所有的环形谐振腔均由双锥微细光纤自缠绕耦合制成，见图5。双锥微细光纤由火焰熔融拉制而成。
Claims (4)
1.一种基于双锥微细光纤环形谐振腔的分布式传感装置，其特征在于，该传感装置包括：宽带光源(1)、光隔离器(2)、第一、第二1×N耦合器(3、6)、第一至第N带通滤波器(41，42，…，4N)、第一至第N传感线路(51，52，…，5N)、光谱分析仪(7)和计算机(8)；
各器件间的连接：
宽带光源(1)经光隔离器(2)与第一1×N耦合器(3)的一字端口相连，第一1×N耦合器(3)的N个分叉端口分别接第一带通滤波器(41)，第二带通滤波器(42)，…，第N带通滤波器(4N)的输入端；
第一带通滤波器(41)的输出端与第一传感线路(51)的一端连接，第二带通滤波器(42)的输出端与第二传感线路(52)的一端连接，…，第N带通滤波器(4N)的输出端与第N传感线路(5N)的一端连接；
第一传感线路(51)、第二传感线路(52)、…，第N传感线路(5N)的另一端分别与第二1×N耦合器(6)的N个分叉端口相连；
第二1×N耦合器(6)的一字端口与光谱分析仪(7)的输入端连接，光谱分析仪(7)的输出端与计算机(8)相连；
第一传感线路(51)由第一一环形谐振腔(511)，第一二环形谐振腔(512)，…，第一M环形谐振腔(51M)相互串联构成；
第二传感线路(52)由第二一环形谐振腔(521)，第二二环形谐振腔(522)，…，第二M环形谐振腔(52M)相互串联构成；
…；
第N传感线路(5N)由第N一环形谐振腔(5N1)，第N二环形谐振腔(5N2)，…，第NM环形谐振腔(5NM)相互串联构成；
N为≥2的整数，M为≥2的整数；
第一传感线路至第N传感线路(51，52，…，5N)中的环形谐振腔由双锥微细光纤自缠绕耦合制成，其半径为不同微米量级。
2.根据权利要求1所述的一种基于双锥微细光纤环形谐振腔的分布式传感装置，其特征是：
所述的宽带光源(1)为掺铒光纤放大器或LED或其它任何波长范围在光纤低损耗窗口的宽带光源。
3.根据权利要求1所述的一种基于双锥微细光纤环形谐振腔的分布式传感装置，其特征是：
所述的第一1×N耦合器(3)和第二1×N耦合器(6)为光纤星形耦合器或阵列波导光栅。
4.根据权利要求1所述的一种基于双锥微细光纤环形谐振腔的分布式传感装置，其特征是：
所述的双锥微细光纤由火焰熔融拉制而成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120530 Termination date: 20121217 |