[发明专利]光纤温度和压力传感器和包括它们的系统

说明书

技术领域

本发明涉及测量温度和压力的光纤传感器以及基于此的系统。

背景技术

光纤通常包括圆柱芯、围绕芯的同心圆筒覆层和围绕覆层的同心圆筒保护护套。芯由具有特定折射率的透明玻璃或者塑料制成。覆层也由透明玻璃或者塑料制成，但是折射率不同且较小。光纤用作可弯折波导的能力主要取决于芯和覆层的相对折射率。

透明介质的折射率是真空中光速和介质中光速的比率。当光束进入介质时，速度的变化使得光束改变方向。更具体而言，当光束从一种介质进入另一种介质时，光束在两种介质界面上改变方向。除了在两种介质界面上改变方向以外，在界面上反射一部分入射光束从而传播通过第二介质的光束能量减少(折射和反射光束的能量总和必须等于入射光束的能量)。如果已知两种介质的折射率，则可采用斯涅耳定律预测反射角和折射角。

通过改变两种相邻介质的折射率，可改变向两种介质界面传播的光束的折射角和反射角从而使进入第二介质的光强接近于零并且在界面上反射几乎所有的光。相反，对于任何两种透明介质，在其界面上存在临界入射角，在该角或者小于该角时几乎反射所有的入射光。这种被称为全内反射的现象被用于选择光纤中芯和覆层的折射率，使得光可以以最小的功率损失通过光纤芯传播。

许多其它因素影响光在光纤芯中的传播，包括芯和覆层的尺寸、光的波长、光的磁场向量和光的电场向量。此外，许多用于确定光在波导(光纤)中的理想传播的物理定律假定一个“理想”波导，即具有理想对称性而没有缺陷的直波导。例如，芯的直径将决定光纤是“单模”还是“多模”。术语单模和多模是指传播通过光纤的光线的空间方向。单模光纤具有直径较小(2-12微米)的芯并仅仅支持一种传播模式，即轴向。多模光纤具有直径较大(25-100微米)的芯并且允许非轴向光线或者模式传播通过芯。所谓的单模光纤实际上为两模光纤，存在两种不同的可传播通过光纤芯的光偏振状态。在具有完美圆对称性的理想、直线、无缺陷光纤中，光的传播速度与偏振方向无关。

具有椭圆芯的光纤具有两个优选的偏振方向(沿长轴和沿短轴)。以任意其它偏振方向射入光纤的线性偏振光将以传播速度稍微不同的两种不同模式传播。这种光纤被称为具有“模式双折射”。在这种理想光纤中，由于芯-覆层界面的缺陷、折射率波动和其它机制，即使理想的偏振光也将耦合至另一种模式。偏振的静态和动态变化将沿光纤的整个长度出现。在指定距离上，两种模式的相位将经过同相和异相的完整循环。该距离被称为“拍长”。长拍长与小双折射相关，短拍长与大双折射相关。双折射光纤还称为“保存偏振光纤”或者“保持偏振(PM)光纤”。通过提供具有椭圆形横截面的芯或者通过提供具有引发芯上应力的覆层的圆形芯实现双折射。例如，覆层可具有两个平行的应力元件，所述元件具有和芯的轴线处于相同平面上的纵向轴。

光纤传感器利用环境影响可改变传播通过光纤的光的幅度、相位、频率、光谱内容(spectral content)、或者偏振的事实。光纤传感器的主要优点包括其重量轻、非常小、无源、能量有效、粗糙(rugged)和不受电磁干扰的能力。此外，光纤传感器具有非常高的敏感性、大动态范围和宽带宽的潜力。另外，可沿光纤长度分配或者多路复用某类光纤传感器。

一种光纤传感器为侧孔光纤压力传感器，其具有两个沿光纤长度方向并且平行于芯的平行孔。孔和芯的轴线处于相同的平面内。该构造将外部流体静压力转换为芯上的各向异性应力从而引发双折射。Jansen和Dabkiewicz在标题为“High Pressure Fiber Optic Sensor with Side HoleFiber”，发表于SPIE Proceedings，Fiber Optic Sensors II，Vol.798，pp.56-60，1987的文章中描述了这种结构。温度变化也影响芯的双折射。但是，侧孔光纤传感器对压力的敏感度远大于其对温度的敏感性。因此，可在温度变化很小的应用中有效使用侧孔光纤压力传感器。在温度和压力都可变化的应用中，必须采用复杂的措施以补偿温度对传感器双折射的影响以及所产生的压力测量值。而且，侧孔光纤压力传感器对温度的较不敏感使得其不适合于测量温度。因此，通常为此目的采用和侧孔光纤压力传感器处于相同位置的单独和不同的温度传感器。