光学感测系统的制作方法

光学感测系统


背景技术：

1.宽带光在许多光学感测应用中用作输入光。在波长多路复用感测系统中，宽带光可用作输入光，以用于沿单个光纤设置的多个光纤传感器。例如，多个光纤布拉格光栅(fbg)传感器可设置在光纤的不同位置处，每个fbg传感器反射不同的波段。每个fbg传感器反射宽带输入光的不同光谱部分作为来自传感器的输出光。多个fbg传感器中的每一者的输出光均可进行光谱解析，从而允许从每个传感器采集感测信息。该技术通常被称为波长多路复用光学感测。


技术实现要素：

2.本文所述的实施方案涉及一种包括光纤的传感器系统。一组波长偏移传感器内接在光纤上。该组波长偏移传感器包括被配置为反射输入光的第一波段作为第一光学输出信号的至少一个第一波长偏移传感器。第一波长偏移传感器具有修改第一光学输出信号的强度的光学特性的第一值。至少一个第二波长偏移传感器被配置为反射输入光的第二波段作为第二光学输出信号。第二波长偏移传感器具有修改第二光学输出信号的强度的光学特性的第二值，其中第二值不同于第一值。
3.实施方案涉及一种制造包括在光纤上内接一组波长偏移传感器的传感器系统的方法。该组波长偏移传感器包括被配置为反射输入光的第一波段作为第一光学输出信号的至少一个第一波长偏移传感器。第一波长偏移传感器具有影响第一光学输出信号的强度的光学特性的第一值。至少一个第二波长偏移传感器被配置为反射输入光的第二波段作为第二光学输出信号。第二波长偏移传感器具有影响第二光学输出信号的强度的光学特性的第二值，其中第一值不同于第二值。
4.一种方法涉及为传感器系统生成输入光。该传感器系统包括光纤。一组波长偏移传感器内接在光纤上。该组波长偏移传感器包括具有光学特性的第一值的至少一个第一波长偏移传感器。至少一个第二波长偏移传感器具有不同于光学特性的第一值的第二值。输入光的第一波段被反射作为第一光学输出信号。光学特性的第一值影响第一光学输出信号的强度。输入光的第二波段被反射作为第二光学输出信号。光学特性的第二值影响第二光学输出信号的强度。
附图说明
5.在整个说明书中都参考了附图，其中：
6.图1示出了包括超辐射发光二极管(sled)的宽带光源的功率输出；
7.图2a示出了根据一些实施方案的感测系统，该感测系统包括光纤和沿光纤内接的多个fbg传感器的补偿阵列；
8.图2b示出了根据一些实施方案的感测系统，该感测系统包括光纤和沿具有一个或多个弯曲部的光纤内接的fbg传感器的补偿阵列；
9.图3示出了根据一些实施方案的包括光纤的系统，该光纤将包括第一fbg传感器和
第二fbg传感器的补偿传感器阵列内接在该光纤上，该第一fbg传感器和第二fbg传感器由于折射率调制而具有不同反射率；
10.图4是示出图3的第一fbg传感器和第二fbg传感器的折射率调制的曲线图；
11.图5描绘了根据一些实施方案的包括光纤的传感器系统，该光纤将包括第一fbg传感器和第二fbg传感器的补偿传感器阵列内接在该光纤上，该第一传感器和第二传感器由于不同传感器长度而具有不同反射率；
12.图6示出了根据一些实施方案的包括光纤的系统，该光纤将第一fbg传感器和第二fbg传感器的补偿阵列内接在该光纤上，每个传感器在传感器的中心波长或波段处的衰减量不同；
13.图7a和图7b提供了指示来自包括未补偿传感器阵列的系统中的多个传感器的反射光(图7a)和来自包括补偿传感器阵列系统的系统中的多个传感器的反射光(图7b)的比较图，在后一种情况中传感器具有补偿光源的光谱不均匀性的不同反射率；
14.图8示出了根据一些实施方案的波长多路复用传感器系统，该系统包括补偿阵列，该补偿阵列包括设置在单个光纤上的多个fbg传感器；
15.图9是从部署在单模光纤线缆上的fbg传感器反射的光的理想化表示；
16.图10a是示出根据一些实施方案的解复用器输出、波长偏移检测器和分析仪的部分的框图；并且
17.图10b更详细地示出了根据一些实施方案的波长偏移检测器。
18.图未必按比例绘制。图中使用的类似数字是指类似的部件。然而，应当理解，在给定附图中使用数字表示部件并不旨在将部件限制在另一个标记有相同数字的图中。
具体实施方式
19.宽带光源的功率输出相对于波长通常是不均匀的。图1示出了包括超辐射发光二极管(sled)的宽带光源的输出强度。如图1所示，宽带光源的强度在光源的整个光谱内随波长而变化。
20.宽带光源可用于波长多路复用光学感测，因为它们可用作设置在单个光纤上并且反射多个不同波段的光的多个fbg传感器的输入光。当输入光的强度(或光学功率)相对于波长是不均匀的并且传感器在其波段处具有基本上相同的响应时，由沿光纤设置的fbg传感器反射的光的强度(或光学功率)也将是不均匀的。再次参见图1，在未补偿传感器阵列中，具有对应于输入光的强度对波长曲线的峰值附近的波长的波段的fbg传感器将反射较高强度的光。具有对应于落在输入光的强度对波长曲线的边缘附近的波长的波段的fbg传感器将反射较低强度的光。从fbg传感器采集信息的系统通常使用最小强度阈值来将所接收的信号与噪声分开。当来自所有fbg传感器的测量信号显著大于最小强度阈值时，系统的噪声特性得到增强。因此，可能有用的是使用如本文所述的补偿fbg传感器阵列，其中来自传感器的反射光的强度更均匀。虽然本文所述的实施方案使用fbg传感器作为波长偏移传感器的示例，但应当理解，传感器可包括任何其他类型的波长偏移传感器(例如，fabry-perot传感器)。
21.本文所述的一些实施方案涉及补偿沿光纤内接的多个fbg传感器的输入光的光谱不均匀性的系统和方法。图2a示出了根据一些实施方案的感测系统201，该感测系统包括光
纤275和具有沿光纤275内接在各个位置处的多个fbg传感器210至260的补偿传感器阵列。每个fbg传感器210至260被配置为接收来自光源290的输入光并反射fbg传感器210至260的波段中的输入光的一部分。
22.系统201的补偿传感器阵列包括具有光学特性的第一值的至少第一fbg传感器210。第一fbg传感器210被配置为反射第一波段作为来自第一fbg传感器210的第一光学输出信号。系统201的补偿传感器阵列包括具有光学特性的第二值的至少第二fbg传感器220。第二fbg传感器220被配置为反射输入光的第二波段作为来自第二fbg传感器220的第二光学输出信号。光学特性影响由传感器210、220反射的光的强度。光学特性的第一值和第二值之间的差异被配置为减小第一fbg传感器210的第一光学输出信号的强度和第二fbg传感器220的第二光学输出信号的强度之间的差异。
23.多个fbg传感器210至260的输入光的光谱不均匀性的一个潜在原因是如先前结合图1所述的输入光源290的光谱不均匀强度输出造成的。多个fbg传感器210至260的输入光的不均匀性的另一个潜在原因是光纤275中的散射损耗造成的。例如，更靠近光源290的第一fbg传感器210可接收较高强度的输入光，并且更远离光源290的第二fbg传感器220可接收相对较低强度的输入光，这是由于随着输入光沿光纤275行进而发生散射损耗。在这些情况下，光学特性的第一值和第二值之间的差异可基于传感器之间的距离。
24.在感测系统202的一些构造中，如图2b所示，光纤275可被布置为在光纤275中包括一个或多个弯曲部285。弯曲部285增加散射损耗，并且可导致fbg传感器210至230被定位在光源290与弯曲部285之间，并且相对于由位于弯曲部285之后的fbg传感器240至260接收的较低强度的输入光接收更高强度的输入光。
25.为了补偿例如由于传感器之间的距离、散射损耗、光纤中的弯曲部、输入光源的光谱不均匀性和/或其他变化源引起的输入光的变化，沿光纤275设置的fbg传感器210中的至少一者可具有不同于至少一个其他fbg传感器220的一个或多个光学特性的值的一个或多个光学特性的值。第一fbg传感器210和第二fbg传感器220的一个或多个光学特性的值的差异被配置为减小第一fbg传感器210的第一光学输出信号和第二fbg传感器220的第二光学输出信号之间的差异。例如，在一些实施方案中，补偿fbg传感器阵列可使第一光学输出信号和第二光学输出信号的强度基本上相等，或彼此相差10％以内，或彼此相差20％以内。例如，当与其中第一波段中的第一传感器的一个或多个光学特性的值基本上等于第二波段中的第二传感器的光学特性的值的系统相比时，第一光学信号和第二光信号的强度之间的差异可减小5％、25％或甚至50％。
26.在一些实施方案中，第一fbg传感器和第二fbg传感器的具有不同值的补偿光学特性是反射率。图3示出了根据一些实施方案的包括光纤375的系统300，该光纤将包括第一fbg传感器310和第二fbg传感器320的补偿传感器阵列内接在其上，该第一传感器和第二传感器具有不同反射率。需注意，尽管图3的感测系统300描绘了两个fbg传感器310、320，但应当理解，可在光纤375上设置更多fbg传感器。第一fbg传感器310反射第一波段，并且第二fbg传感器320反射不同于第一波段的第二波段。第一传感器310可在第一波段处接收相对较低强度的输入光并在第一波段处具有相对较高的反射率。第二传感器320可在第二波段处接收相对较高强度的输入光并在第二波段处具有相对较低的反射率。在此配置中，第一fbg传感器310和第二fbg传感器320在其相应波段处的反射率的差异减小第一fbg传感器
310的第一光学输出信号的强度和第二fbg传感器320的第二光学输出信号的强度之间的差异。
27.fbg传感器可被配置为光纤的一部分，该部分反射与fbg传感器相关联的布拉格波长附近的波段作为输出光并透射其他波长。fbg传感器可通过沿光纤芯的长度产生折射率的周期性变化来形成。反射波长λb，被称为布拉格波长，其等于
28.λb＝2η
eff
λ，
29.其中η
eff
是传感器的有效折射率，并且
30.λ是传感器的周期。
31.fbg传感器的反射率取决于传感器的长度(周期数)和fbg传感器的折射率调制强度中的一者或两者。图4是示出第一fbg传感器310和第二fbg传感器320的折射率调制的曲线图。折射率调制是调制的两个折射率值之间的差异。第一传感器310的折射率调制411n
2-n1在第一fbg传感器310的第一波段处产生第一反射率值。第二传感器320的折射率调制421n
3-n1在第二fbg传感器320的第二波段处产生第二反射率值。例如，第一传感器310和第二传感器320的反射率之间的差异可例如介于5％和95％之间。
32.在一些实施方案中，fbg传感器的反射率可取决于fbg传感器的长度，该长度是fbg传感器的折射率调制周期数的函数。图5描绘了包括光纤575的传感器系统，该光纤将包括第一fbg传感器510和第二fbg传感器520的补偿传感器阵列内接在该光纤上，第一传感器510和第二传感器520由于传感器长度而具有不同反射率。传感器510、520中的每一者的长度可在例如约0.5μm至约10mm的范围内。第一fbg传感器510具有相对较少数量的折射率调制周期n1并在第一传感器510的波段内具有对应的较低反射率。与第一fbg传感器510相比，第二fbg传感器520具有相对较大数量的折射率调制周期n2并在第二传感器520的波段内具有对应的较高反射率。例如，第一fbg传感器510可具有周期λ1和周期数n1，总长度为n1λ1。第二fbg传感器520可具有周期λ2和周期数n2，总长度为n2λ2，其中n1＜n2并且/或者n1λ1＜n2λ2。
33.在一些实施方案中，第一fbg传感器和第二fbg传感器的具有不同值的补偿光学特性是光学衰减。图6示出了包括光纤675的系统600，该光纤将包括第一fbg传感器610和第二fbg传感器620的补偿传感器阵列内接在该光纤上。需注意，尽管图6的感测系统600描绘了两个fbg传感器610、620，但应当理解，可在光纤675上设置更多fbg传感器。第一fbg传感器610在第一波段处操作，并且第二fbg传感器620在不同于第一波段的第二波段处操作。第一传感器610可在第一波段处接收相对较低强度的输入光并在第一波段处具有较低的光学衰减。与第一fbg传感器610相比，第二传感器620可在第二波段处接收相对较高强度的输入光并可在第二波段处具有相对较高的衰减。在此配置中，第一fbg传感器610和第二fbg传感器620在其相应波段处的光学衰减的差异减小第一fbg传感器610的第一光学输出信号的强度和第二fbg传感器620的第二光学输出信号的强度之间的差异。
34.例如，光的衰减可能是许多过程的结果，诸如散射、反射、偏转、吸收和/或衍射。可考虑选择低衰减的材料，例如长距离使用的材料，和/或高衰减的材料，例如吸收光的光纤衰减器中的材料。光学路径中的不连续性也可引入散射，这可使光衰减。可例如通过掺杂材料、波导结构中的缺陷和/或材料过渡(光纤连接器)来引入不连续性。
35.根据本文所述的各种实施方案，存在输入光衰减的多个示例。衰减损耗可能是光
纤线缆材料所固有的。在较短距离上，这种损耗可忽略不计，然而，当横跨数百或数千千米时，这种损耗例如由于散射和/或吸收而变得明显。衰减损耗可能是最大光纤线缆弯曲半径所固有的。例如，光纤线缆中的急剧弯曲部使光散射出波导。在一些情况下，衰减损耗可能是由于光路中的不连续性所致。例如，光纤连接器(即lc/apc、fc/apc等)由于光在两个连接波导之间的不完全耦合而向系统中引入损耗。根据各种实施方案，损耗可归因于分光器。光纤分路器用于将输入光分成多个输出波导，这可能导致输出光具有比输入光更低的信号。在一些实施方案中，损耗可归因于光学衰减器。光纤衰减器可用于有意地衰减波导中的光的强度。该部件通常用于吸收光，从而降低透射光的功率。例如，这在读出传感器饱和时特别有用。
36.上述方法提供了具有补偿传感器阵列的系统，其中传感器输出信号补偿输入光强度的差异。这些系统减小了来自fbg传感器的反射光的强度差异。图7a和图7b是将来自未补偿系统中的多个传感器的反射输出信号与来自补偿阵列中的多个传感器的反射输出信号进行比较的曲线图。在图7a中，未补偿阵列中的传感器不补偿输入光强度的差异。在图7b中，补偿阵列中的每个传感器具有补偿由于光源的光谱不均匀性引起的输入光的强度差异的反射率。从图7a和图7b应当理解，从补偿阵列中的传感器反射的光的强度差异(图7b)与从未补偿阵列中的传感器反射的光的强度差异(图7a)相比减小。
37.如先前所讨论并且如图8所示，波长多路复用系统800可使用包括设置在单个光纤811上的多个fbg传感器821、822、823的补偿传感器阵列。传感器821至823可被布置成感测包括例如温度、应变和/或振动中的一者或多者的参数。如图8所示，输入光由光源810提供，光源可包括或为例如发光二极管(led)或超辐射激光二极管(sld)。宽带光的光谱特性(强度对波长)由小曲线图891示出。强度在光谱中间附近最高并且在光谱边缘处下降。传感器821、822、823包括补偿，例如不同反射率和不同衰减中的一者或多者，其减小由传感器反射的输出信号光的强度差异，以补偿强度不均匀的输入光，例如由于光源的光谱不均匀性和/或光纤中的散射损耗。输入光经由光纤(fo)线缆811透射至第一fbg传感器821。第一fbg传感器821反射具有中心波长λ1的第一波段的光的一部分。波长在第一波段内之外的光透射穿过第一fbg传感器821至第二fbg传感器822。透射至第二fbg传感器822的光的光谱特性示于小曲线图892中，并且在以λ1为中心的第一波段处显示具有凹口881，这指示此波段中的光被第一传感器821反射。
38.第二fbg传感器822反射具有中心波长λ2的第二波段的光的一部分。未被第二fbg传感器822反射的光透射穿过第二fbg传感器822至第三fbg传感器823。透射至第三fbg传感器823的光的光谱特性示于小曲线图893中并且包括以λ1和λ2为中心的凹口881、882。
39.第三fbg传感器823反射具有中心或峰值波长λ3的第三波段的光的一部分。未被第三fbg传感器823反射的光透射穿过第三fbg传感器823。透射穿过第三fbg传感器823的光的光谱特性示于小曲线图894中并且包括以λ1、λ2和λ3为中心的凹口881、882、883。
40.具有中心波长λ1、λ2和λ3(在小曲线图895中示出)的波段861、862、863中的光分别由第一fbg传感器821、第二fbg传感器822或第三fbg传感器823沿fo线缆811和811
′
反射到光学波长解复用器850。当与来自未补偿传感器阵列的强度峰值相比时，传感器821、822、823的补偿输入特性使得光861、862、863的强度峰值的差异减小。
41.传感器光861、862、863可从波长解复用器850路由到波长偏移检测器855，该波长
偏移检测器响应于传感器光的中心波长λ1、λ2和λ3和/或波段的偏移而生成电信号。波长偏移检测器855接收来自传感器中的每一者的反射光，并且响应于由传感器821至823反射的光的中心波长λ1、λ2和λ3或波段的偏移而生成对应的电信号。分析仪856可将偏移与特性基础波长(已知波长)进行比较，以确定由传感器821至823感测的参数值是否已发生改变。分析仪856可基于波长偏移分析来确定一个或多个所感测参数的值已改变，并且可计算改变的相对或绝对测量值。
42.在一些情况下，光源不发射宽带光，而是可扫描整个波长范围，从而发射对设置在fo线缆上的各种传感器而言敏感的窄波段中的光。在相对于窄带光的发射定时的多个感测周期期间感测反射光。例如，考虑传感器1、2和3设置在fo线缆上的场景。传感器1对波段(wb1)敏感，传感器2对波段wb2敏感，并且传感器3对wb3敏感。可控制光源以在时间段1期间发射具有wb1的光并且在与时间段1重叠的时间段1a期间感测反射光。在时间段1a之后，光源可在时间段2期间发射具有wb2的光并且在与时间段2重叠的时间段2a期间感测反射光。在时间段2a之后，光源可在时间段3期间发射具有wb3的光并且在与时间段3重叠的时间段3a期间感测反射光。使用这种型式的时域多路复用，可在离散的时间段期间询问传感器中的每一者。当窄带光源的强度变化时，如本文所讨论的补偿传感器阵列可用于补偿光源的强度变化。
43.fo线缆可包括单模(sm)fo线缆(如图8所示)或者可包括多模(mm)fo线缆。虽然单模光纤线缆提供更易于解释的信号，但为了实现更广泛的适用性和更低的制造成本，可使用多模光纤。mm光纤可由塑料而非二氧化硅制成，二氧化硅通常用于sm光纤。当与二氧化硅光纤的转角半径相比时，塑料光纤可具有较小的转角半径。这可提供例如弯曲或柔性构型的可能性。此外，与可能需要与超辐射二极管(ldd)更精确对准的sm光纤相比，mm光纤可与较便宜的光源(例如，led)一起工作。因此，基于mm光纤中的光学传感器的感测系统可得到成本更低的系统。
44.图9是从部署在sm fo线缆上的fbg传感器反射的光的理想化表示。在特性基础或已知状态下，fbg传感器反射具有中心(或质心)波长λ的相对较窄波段910内的光。在fbg传感器经历所感测条件的变化(例如，温度、应变、化学环境的变化)之后，由传感器反射的光偏移至具有中心(或质心)波长λs的不同波段920。当与波段910相比时，波段920在宽度、幅值和其他形态学特性方面类似，但波段920的波长λs从波段910的波长λ偏移930与所感测条件的变化相关的量。
45.图10a是示出可在图8的系统800中使用的解复用器输出、波长偏移检测器和分析仪的部分的框图。解复用器输出包括分别携带来自传感器821、822、823的解复用反射光的三个光纤1045、1046、1047。在补偿系统中，当与不包括对输入光的补偿的基本上类似的系统相比时，由传感器中的每一者承载的光的强度更均匀。随着所感测参数的值改变，由第一传感器821反射的光的中心或质心波长可从λ1偏移至λ1 δ1；由第二传感器822反射的光的中心或质心波长可从λ2偏移至λ2 δ2；并且由第三传感器823反射的光的中心或质心波长可从λ3偏移至λ3 δ3。包括元件1000-1、1000-2、1000-3的波长偏移检测器分别从其对应的波导1045、1046、1047接收解复用反射光，并且响应于反射光的中心波长或波段的偏移而生成电信号。分析仪可将来自波长偏移检测器元件1000-1、1000-2、1000-3的指示偏移的每个电信号与已知基线或先前值进行比较，以确定由传感器感测的参数的值是否已发生改变。
46.图10b更详细地示出了根据一些实施方案的波长偏移检测器1000。任选地，波长偏移检测器1000包括扩散部件1005，该扩散部件被配置为在线性可变透射结构(lvts)1010或其他空间色散光学元件的输入表面上准直和/或扩散来自解复用器的输出波导1040的光。在从输出波导1040发生光的充分扩散的布置中，可不使用扩散部件1005。lvts 1010包括色散元件，诸如棱镜或线性可变滤光器。lvts 1010在其输入表面1010a处从波导1040和(任选的)扩散部件1005接收光1091，并且将来自其输出表面1010b的光透射至光电探测器对1020。在lvts 1010的输出表面1010b处，光的波长随沿输出表面1010b的距离而变化。
47.光电探测器对1020相对于lvts 1010定位，使得透射穿过lvts 1010的光1092落在光电探测器对1020上。例如，具有波长λ1的光1092可主要落在光电探测器1021上，并且具有波长λ1 δ1的光1092可主要落在光电探测器1022上。光电探测器1021响应于落在其光敏表面上的光而生成信号i1，并且光电探测器1022响应于落在其光敏表面上的光而生成信号i2。信号i1、i2包括关于所感测参数的信息，使得i1和i2的比率的变化指示所感测参数的变化。可使用等式计算响应于变化的电信号。图10a所示的分析仪可被配置为检测i的变化，该变化指示由传感器感测的参数值的变化。
48.在一些实施方案中，一种系统包括对应于第一传感器和第二传感器的第一电信号和第二电信号。第一电信号响应于由第一传感器感测的参数的偏移，并且第二电信号响应于由第二传感器感测的参数的偏移。第一传感器和第二传感器对输入光的补偿减小了第一传感器的第一光学输出信号的强度和第二传感器的第二光学输出信号的强度之间的差异。减小第一输出信号和第二输出信号的强度之间的差异对应地减小了第一电信号的幅值和第二电信号的幅值之间的差异。
49.虽然本主题以特定于结构特征和/或方法动作的语言进行描述，但应当理解，所附权利要求书中限定的主题不一定限于上述特定特征或动作。相反，上述特定特征和动作被公开为实现权利要求的代表性形式。