专利名称：光纤传感器件及其制造和操作方法
技术领域：
本发明一般涉及光纤传感器件，更具体地说，涉及用于检测例如环境或元件中多个参数的光纤传感器件。事实上，本发明提供了有关例如在恶劣环境中使用光纤传感器件的优势。
背景技术：
已知有各种传感器件且已在普遍使用。例如，热电偶用来测量装置中组件的温度，例如排气系统、燃烧室、压缩机等等。还有其它的传感系统用来检测物理参数，例如基础设施中的应变或温度。一个实例就是，经常采用Bragg光栅传感器。但这些常规传感器件都受到可使用它们的工作条件的限制。例如，常规传感器件常限于相对适中的温度条件，也就是，工作温度范围有限。实际上，常规传感器件限于+80℃到+250℃之间的温度，视光纤光栅包层材料而定。
因此，要测量像涡轮机和发动机等高温环境下组件的温度就很困难。而且，对于大组件，可能需要较大量的分立热电偶来测绘温度。这些分立热电偶进行的测量不能满足所需的空间分辨率，而空间分辨率对于系统组件的精确热测绘通常是有利的，可用来控制和优化这些系统的工作，目的在于改进效率和输出。需要有一种更精确和改进的空间分辨率热测绘，以便以更高的精度和真实度来控制这些系统(燃气涡轮机、蒸汽涡轮机、燃煤锅炉等)，以满足诸如改进效率和输出等要求。用于气体组分例如NOx、CO和O2等的传感器件就其精确度和空间分辨率而言也有类似限制。更精确的和空间密集气体传感器件会便于对燃气涡轮机和燃煤锅炉进行更实际和有效的排放控制。
相应地，常规传感器件在高温和/或恶劣环境例如燃气/蒸汽涡轮机排气系统、燃煤锅炉、飞机引擎、井下应用等使用时都会有限制。例如，常规Bragg光栅传感器采用掺杂或化学光栅，但在高温设置下(例如，可达600℃或更高温度的燃气涡轮机排气)会失灵。
某些其它常规系统采用Bragg光栅传感器来测量和监控环境中的参数。这些传感器利用传感器纤芯中的波长编码而基于由照射源照射光栅所产生的Bragg波长偏移来测量参数。这样，环境对光栅周期性的影响改变了反射光的波长，从而提供环境或自然力的影响的指示，例如温度或应变。但是，通过单一的常规Bragg光栅传感元件很难同时检测多个参数，例如温度和气体。而且，可能需要不同波长的多个频谱信号来分离多种感测参数的影响。对感测参数的这种分离通常是一个既困难又费时的过程。
在某些常规传感器系统中，将包封在不同材料中的附加光栅元与现有光栅元串联放置，用以分离两种不同参数的影响，例如温度和应变。而且，这种系统需要在同一光纤位置重写光栅，这在制造用于传感器的光纤光栅时又有困难。总之，常规的Bragg光栅传感器不便于辨别是哪种环境或自然力因素影响了传感器，而是只能容易地检测传感器本身的物理变化。
所以，需要有改进的传感器件。
发明内容
按照一个示范实施例，本技术提供了一种光纤光栅传感器光缆。每个示范性光纤光栅包括具有第一折射率的纤芯以及多个光栅元，每个光栅元具有的折射率不同于第一折射率。所述纤芯包括配置成同相反射第一波长光的第一对光栅元，以及配置成同相反射第二波长光的第二对光栅元。所述纤芯还包括配置成同相反射第一波长光的第三对光栅元，其中第二对光栅元中的至少一个光栅元位于第一对中的至少一个光栅元和第三对中的至少一个光栅元之间。光纤传感器光缆还包括设置在纤芯周围的包层。
按照另一示范实施例，本技术提供了检测多个参数的方法。该方法包括向光纤传感器光缆提供光源，该光缆具有多个光栅元并包括第一、第二和第三部分，其中第一和第三部分中的相邻光栅彼此相距第一距离，而第二部分中的相邻光栅彼此相距第二距离，并且其中第二部分位于第一和第三部分之间。该方法还包括检测从光纤传感器光缆发射的光。
按照又一示范实施例，本技术提供了一种分布式传感器系统，用于感测恶劣环境中的多个参数。该传感器系统包括设置在分布式光纤光栅传感器光缆上的多个传感器，其中多个传感器中的每个都包括具有第一折射率的纤芯以及多个用机械方式改变的部分，每个改变部分具有的折射率不同于第一折射率。
参阅附图阅读了以下详细说明后，对本发明的这些和其它特性、方面和优点就会有更好的理解，在所有附图中相同的字符代表相同的部件，附图包括图1示出按照本技术的示范实施例用于检测环境和/或元件的多个参数的光纤传感系统；图2示出按照本技术示范实施例的光纤传感器阵列光缆，它具有非周期性间隔的光栅结构，折射率按周期性或非周期性序列调制；图3示出包括非周期性光栅结构的光纤传感器光缆的纤芯；图4示出按照本技术的示范实施例由图3的光纤传感器光缆的非周期性光栅结构产生的光的波形；图5示出按照本技术示范实施例在正常条件下图3的Bragg光栅光纤光缆；图6示出按照本技术示范实施例在有应力条件下图3的Bragg光栅光纤光缆；图7示出按照本技术示范实施例制造图1-3的光纤传感器光缆的过程流程图；图8示出按照本技术示范实施例的分布式光纤传感器系统；图9示出按照本技术示范实施例具有显微机械加工非周期性光栅结构的光纤传感器光缆；图10示出按照本技术示范实施例用于刻制图3的光纤光栅结构的系统；图11示出按照本技术示范实施例具有图8的分布式光纤传感系统的应用；以及图12示出按照本技术示范实施例具有图8的分布式光纤传感系统的另一应用。
具体实施例方式
现在参阅附图，图1示出示范光纤传感系统10，用于检测环境和/或对象12的参数。虽然本文的讨论集中在传感器件和系统上，但本技术不限于传感领域，而也适用于其它模态，例如滤光器、数据传送及电讯等。因此所附权利要求书不应限于以下讨论的示范实施例，或受其限制。光纤传感系统10包括光纤传感器件14，光纤传感器件14又包括有光栅的(grated)光缆16。如图所示，光缆16设置在元件12内，使元件12中的变化转化到光缆16。有光栅的光缆16包括纤芯，该纤芯具有以非周期性模式(pattern)排列的多个光栅元，下面将详述。在本讨论中，光栅元是指与纤芯的折射率相比在折射率上的一种变异。这种光栅元可以是显微机械加工工艺例如金刚石锯切割或化学工艺例如掺杂的结果，并且这两种工艺在下面作进一步讨论。
而且，光纤传感系统10包括光源18，其配置成照射有光栅的光缆16的纤芯。这种照射便于产生与有光栅的光缆16的光栅周期相对应的反射信号。系统10还包括光耦合器20，以管理来自光源18的入射光，以及来自有光栅的光缆16的反射信号。事实上，耦合器20将适当的反射信号导向检测器系统22。
检测器系统22接收来自有光栅的光缆16的反射光信号，并与各种硬件和软件组件配合，分析光信号中的嵌入信息。例如，检测器系统22配置成，基于从光纤传感器件14中的有光栅的光缆16的多个光栅元所产生的衍射峰，来估算对象12的状态或参数。在某些实施例中，检测器系统22采用光耦合器或光谱分析器来分析来自光纤传感器件14的信号。根据所需应用，检测器系统22可配置成测量环境12中的各种参数。这些参数的实例包括温度、气体的存在、应变和压力等。
有利的是，如以下所讨论的，示范光缆16产生多个强衍射峰，从而便于分离光缆16上的各种有影响的参数。检测器系统22产生的信息可以传送到输出端24，例如显示器或无线通信装置。有利的是，所搜集的信息，例如环境或对象的状况，可以用来解决许多所关注的问题，或实现环境或对象12本身的变化。
图2示出按照本技术实施例的示范光纤传感器阵列光缆26，它具有非周期性光栅折射率调制。光纤传感器光缆26包括纤芯28和设置在纤芯28周围的包层30。已去除了部分包层30，以更好地示出下面的纤芯28。纤芯28包括一系列光栅元32，它们配置成同相反射对应于光栅元32光栅周期的波长的光。如图所示，相邻光栅之间的距离以非周期性模式布置，这将在下面参阅图3作详细说明。工作时，光源18将输入的宽带光信号34提供给光学传感器光缆26，并且一部分输入的宽带光信号34由各个光栅元32同相且对应于某些光波长反射，而其余的波长则被传输，用传输信号36表示。
现参阅图3，图中示出光纤传感器光缆38的纤芯的格栅部分。如图所示，光纤传感器光缆38由纤芯40和设置在纤芯40周围的包层30构成。包层30提供光缆38内几乎全部内部光反射，从而使光可以通过光缆38轴向传输。光缆38还包括多个光栅元，总体用参考编号42来表示。在一个实施例中，纤芯40包括熔融石英光纤。在另一实施例中，纤芯40包括蓝宝石光纤。多个光栅元42具有不同于纤芯40的折射率。在此实施例中，光栅元42的折射率低于纤芯40的折射率。举例来说，纤芯40的折射率可为1.48，而光栅元42的折射率例如可为1.47。如下所述，各种光栅元42的折射率以及这些光栅元42之间的距离定义了由光栅元42同相反射的光的波长。
图3所示纤芯40的示范部分包括影响光如何通过光纤传感器光缆38传输的各种部分。在图示实施例中，纤芯40包括第一部分44，其相邻光栅元42之间的距离为第一距离46。这个第一距离46定义了将由第一部分44中这对光栅元42同相反射的光的第一波长。举例来说，第一对光栅元42之间的距离通常和反射光的波长例如0.775μm是同一数量级。纤芯40还包括第二部分48，其相邻光栅元42之间的距离为第二距离50。这个第二距离50不同于第一距离46，它定义了将由第二部分48中这对第二光栅元42同相反射的光的不同的第二波长。此外，纤芯40还包括第三部分52，其光栅元42之间的距离为第一距离46。这样，第三部分52中的光栅元42同相反射第一波长的光，与第一部分44一样。在此实施例中，第二部分48设置在第一部分44和第三部分52之间。
可以看出，相邻光栅42之间的距离具有非周期性模式。就是说，相邻光栅42之间的距离沿纤芯40的纵轴在第一和第二距离46和50之间交替。值得注意的是，第一和第二距离46和50之间的这种振荡所建立的非周期性模式仅仅是个实例。事实上，可以想到许多非周期性模式。在图示实施例中，纤芯40和光栅42的折射率按照Fibonacci序列进行调制。纤芯40和光栅42的折射率调制成与包层30周围的折射率调制相比，纤芯40中的非周期性序列具有较高的折射率调制。而且，纤芯40的光栅结构可由非周期性序列块na和nb以及常数τ来定义。举例来说，na为折射率1.49，而nb为折射率1.45。
在此实施例中，折射率调制序列基于如下公式
S3＝{S2，S1}，……Sn＝{Sj-1，Sj-2}对于j≥2(1)其中S1＝na对应于具有第一有效折射率的纤芯区域；并且S2＝nanb对应于折射率不同于第一折射率的光栅元。
这样，由上述定义的光栅结构所产生的衍射光谱将包括第一Bragg衍射峰，它对应于同相的第一波长光；第二Bragg衍射峰，它对应于同相的第二波长反射光；以及由调制周期和衍射波矢量所确定的多个衍射峰。在此示范实施例中，调制周期基于如下公式∧＝d(nA)+τd(nB)(2)其中d(nA)和d(nB)分别为折射率改变和未改变区域的光纤长度，τ为黄金分割值1.618。
而且，衍射波矢量由两个指数(n，m)确定k(n，m)＝(m+τn)/∧(3)其中∧为非周期性光栅结构的准周期，并且n、m是离散波数。
在图示示范实施例中，在离散波数符合范围n，m＝0，±1，±2…时，可以发生光衍射。
而且，具有较高强度的Bragg衍射波长由下式给出λB(n,m)=2neffΛ(m+nτ)]]>有利的是，多个产生的衍射峰便于同时进行多个参数的测量。这些参数的实例包括温度、应变、压力和气体。
图示的光纤传感器件38中光栅42的非周期性模式使光纤传感器件38能从纤芯40发射的光中同时产生多个衍射峰。在此示范实施例中，多个衍射峰代表多个感测的参数，例如温度、应变等。光纤传感器件38的有光栅的光缆配置成产生含有代表第一和第二感测参数的嵌入信息的第一和第二衍射峰。然后该第一和第二衍射峰由检测器系统22(见图1)检测，以估算第一和第二感测的参数。有利的是，有光栅的光缆能使光纤传感器件38产生的第一和第二衍射峰出现在光纤低损耗传输窗口中，而且还具有相当可比拟的效率。第一和第二衍射峰可用来同时测量第一和第二感测参数，例如温度和应变。对应于第一和第二感测参数的这些第一和第二衍射峰下面参阅图4说明。
图4示出了由图3光纤传感器件的非周期性有光栅的光缆所产生的光的示范波形54。波形54的横轴58表示光信号的波长，而波形54的纵轴60表示光信号的强度。在图示实施例中，输入的宽带光信号用波形56表示，而有光栅的光缆的反射信号用标号62表示。可以看出，来自有光栅的光缆纤芯的反射信号62包括第一和第二衍射峰64和66，它们可由检测器系统22(见图1)处理以估算第一和第二感测参数。而且，被传输的信号用标号68表示，它传输与有光栅的光缆32的光栅周期不对应的波长。这样，非周期性格栅结构便于以可比拟的衍射效率产生强第一和第二衍射峰64和66，它们可由单一检测器检测。可对这些检测的衍射峰64和66再进行处理，以检测环境或对象12(见图1)的多个参数。有利的是，这些衍射峰64和66可以保持在光缆的相当长的长度上，不会因损耗而导致信号恶化。
参阅图5，图中示出正常情况下图3的Bragg光栅光纤传感器光缆70。在图示实施例中，第一对光栅元42之间的距离为第一距离72，而第二对光栅元42之间的距离为第二距离74。如前所述，图示的相邻光栅元之间距离的非周期性模式使得能够从光纤传感器光缆70中产生两个衍射峰，它们代表两个感测的参数。在工作中，当光纤传感器件70受到应力例如温度或应变时，相邻光栅元之间的距离响应于所加应力而改变，如图6所示。
图6示出在有应力情况下图3的示范Bragg光栅光纤传感器光缆76。在此实施例中，光纤传感器光缆76的长度响应于环境条件例如所加应力和温度而改变。所以，第一对光栅元42之间的距离从第一距离72(示于图5)变为新距离78，并且该新距离78可大于或小于原来的距离72。类似地，第二对光栅元42之间的距离从第二距离74(示于图5)变为新距离80。同样，这个新距离80可大于或小于第二距离74，视环境因素对光缆76的影响而定。通过照射源对光纤传感器件76的照射，从光纤传感器件76发射的光中产生衍射峰。这些衍射峰与例如由第一和第二距离78和80的改变所表示的光纤传感器件的长度变化相关，以估算对应于衍射峰的参数。
同样，在气体环境中，气体可与光纤包层相互作用，导致折射率改变，这引起包层模波长偏移，这种偏移可以由光纤传感器件76检测，以同时区别温度和气体影响。在此实施例中，环境中的气体是从光纤传感器件76的光栅元上涂敷的敏感薄膜的光学特性变化来检测的。气体的吸收和吸附特性改变了包层吸收特性，从而改变了折射率。于是，与通过传感器件76光栅的光相关联的反射和传输光谱就能从气体感测中区分开温度和应变的环境影响。就是说，环境的影响改变了由光缆76同相反射的光的波长。而且，通过将这种改变与光缆在其静态时的衍射峰进行比较，就可确定环境影响的大小。
图1-3的光纤传感器件可以用图7中以标号82表示的示范过程来制造。过程82开始于步骤84，提供纤芯。在此实施例中，纤芯具有第一折射率。在步骤86，提供第一对光栅元，其中第一对相邻光栅元之间的距离为第一距离。在图示实施例中，第一对光栅元配置成同相反射第一波长的光。在步骤88，提供第二对光栅元，将其配置成同相反射第二波长的光。第二对相邻光栅元之间的距离为第二距离。在此实施例中，第二距离不同于第一距离。如步骤90所示，提供第三对光栅元，将其配置成同相反射第一波长的光。在此实施例中，第二对光栅元中至少一个光栅元位于第一对的至少一个光栅元和第三对的至少一个光栅元之间。如步骤92所示，在纤芯周围设置包层。在一个实施例中。第一、第二和第三对光栅元是通过紫外光曝光激光器刻制技术提供的。在另一实施例中，第一、第二和第三对光栅元是通过在纤芯上设置光学涂层并然后沿纤芯的纵轴选择性地从纤芯上去除一些部分提供的。在某些实施例中，纤芯上的光学涂层可以通过缝隙图案掩模进行蚀刻来提供第一、第二和第三对光栅元。
通过图7示范过程制造的光纤传感器件可以用来感测分布式环境中的参数。图8示出用于感测较大环境102中参数的示范性分布式光纤传感器系统100。在图示实施例中，传感器系统100包括设置在分布式光缆106上的多个传感器104。而且，多个传感器104中的每个都包括有光栅的光缆108。在某些实施例中，有光栅的光缆108包括以周期性模式排列的多个光栅元。在某些其它实施例中，光栅光缆108包括以如上所述非周期性模式排列的多个光栅元。在分布式传感器系统100中，通过估算由各个传感器104反射的衍射峰的变化，就可获得关于环境中不同位置的数据。
工作时，可将分布式光纤传感器系统100放在环境102中，用以检测环境参数，例如温度、应变等等。分布式光纤传感器系统100由标号112所示的光源110照射，然后反射的和传输的信号114和116分别由光谱分析器118接收。可将耦合器20耦合到光源110和光谱分析器118，以组合输入和反射信号。光谱分析器118测量所接收信号的波长谱和强度，以估算环境102的参数。最后，将代表感测参数的检测信号传送到数据采集和处理电路120。
现参阅图9，图中示出了具有显微机械加工或机械结构的光纤传感器光缆122。光纤传感器光缆122包括纤芯124和多个用机械方式改变的部分126。此外，光纤传感器光缆122包括设置在纤芯124和用机械方式改变的部分126周围的包层128。在图示实施例中，每个用机械方式改变的部分126包括直径不同于纤芯直径的部分。在某些实施例中，可以采用显微机械加工工艺，例如金刚石锯切割工艺，选择性地去掉纤芯124的一些部分，以通过改变纤芯124的直径来形成机械改变部分126。这种显微机械加工工艺能形成折射率不同于纤芯124折射率的区域，并且这种折射率的变化起光纤传感器光缆122的光栅元的作用。
在某些示范实施例中，例如由标号130表示的相邻光栅元之间的距离沿纤芯124的纵轴可各不相同，以形成非周期性光栅结构(如图9所示)。如以上参阅图3所述，非周期性光栅结构可以由非周期性序列块na和nb以及常数τ来定义，并且该序列基于如下公式S3＝{S2，S1}，……Sn＝{Sj-1，Sj-2}对于j≥2(1)其中S1＝na对应于具有第一折射率的纤芯区域；以及S2＝nanb对应于折射率不同于第一折射率的光栅元。
应该指出，用显微机械加工工艺制造的光栅结构的机械改变部分126使光纤传感器光缆122能够用在恶劣环境中，例如温度达到和超过600℃的燃气涡轮机排气装置、蒸汽涡轮机排气装置、燃煤锅炉、飞机引擎、井下应用等等。
上述非周期性光栅结构也可采用逐点激光器刻制技术形成。现参阅图10，图中示出用于刻制Bragg光栅的系统132。系统132包括设置在纤芯136上的相位掩模134。系统132还包括UV激光器138，用以产生集中到相位掩模134的光束。而且，从UV激光器138产生的光束可以用平柱面透镜140聚焦到纤芯136上。在此实施例中，相位掩模134用于对来自UV激光器138的UV光束进行空间调制和衍射，以形成干涉图案。干涉模式引起折射率调制，形成纤芯136中的Bragg光栅结构142。系统132还包括宽带光源144和光谱分析器146，用于检测光谱分析器146从纤芯136接收的光波的Bragg波长。
上述技术的各个方面可以用来感测多个参数，例如各种环境中的温度、应变、压力和矿物燃料气体。在某些实施例中，本技术用于检测恶劣环境例如受高温的环境中的参数。例如，本技术可用来通过测量分散在排气系统或燃烧室或喷气引擎压缩机输出级周围的多个光栅位置的温度，来提供排气系统中的热测绘图。图11示出具有图8的分布式光纤传感器系统的示范应用150。
现参阅图11，示范性应用150包括燃气涡轮机152，它有各种组件，例如设置在轴160周围的压缩机154、多腔燃烧室156以及涡轮机158。如图所示，分布式光纤传感器系统162连接到涡轮机158上，用于提供来自涡轮机158的空间密集排气温度测量164。分布式光纤传感器系统162获得的温度测量164可以用来十分精确地控制燃气涡轮机152的性能。在图示实施例中，温度测量164可用于通过基于模型的估算技术或经验方法168来确定燃烧室燃烧温度166。基于模型的估算技术168利用基于物理学的模型反演，将燃烧室燃烧温度166映射(map)成排气温度164。或者，经验方法168可利用涡轮机158的空载数据，以便于将排气温度164映射到多腔燃烧室156的各腔室。有利的是，用本示范实施例实现的空间更密集和更精确的排气温度分布曲线增加了基于模型的估算和经验方法的精确度和真实度。
所估算的燃烧室燃烧温度166可以用于调节燃料分布调整170，以确保多腔燃烧室156中所有腔室都均匀燃烧，并具有预定阈值内的动态压力和排放。有利的是，本技术显著降低了燃烧室与室之间排放和燃烧温度166上的变化。
图12示出具有图8分布式光纤传感器系统的另一示范应用172。如图所示，应用172包括燃煤锅炉174，用以将蒸汽提供给蒸汽涡轮机用于发电。燃煤锅炉174包括分布式光纤传感器系统176，用于测量诸如温度、排气等参数。在此实施例中，通过分布式光纤传感器系统176的参数测量可以用来模拟燃煤锅炉174中燃烧器178的输入例如空气和燃料流与锅炉174的排气参数180之间的关系。而且，可用模型182使燃烧器空气和燃料流与排气参数测量180相关，并通过基于模型的优化方法186来调整空气和燃料流184。有利的是，示范传感器可以提供更精确和更密集的温度分布曲线、锅炉174出口平面的CO和O2测量。这样，就可对空气和燃料流184进行调节，以降低出口温度、气体排放例如CO，同时符合所需的输出要求。
同样，本技术可用于绘制例如燃气涡轮机、蒸汽涡轮机、蒸馏塔等组件中的温度分布。上述光纤传感器件可用来估算飞机引擎中的多个参数，例如压缩机叶梢间隙、压缩机出口温度、燃烧室温度，并用于检测排气尾管燃烧情况。例如，在检测排气尾管燃烧情况时，上述示范传感器就可在机组人员无法观察但传感器可到达的位置，在异常高温和正常升温之间进行区分。而且，光纤传感器件还可用来监控油和气钻机中的井下感测。光纤传感器件可以用在各种其它应用中，例如窄带反射器、宽带镜面、波分复用(WDM)滤波器、差分光子传感器等。
有利的是，按照本技术的实施例，测绘温度和矿物燃料气体种有助于改进涡轮机和发动机的动力生产效率，从而节省能量。例如，示范的周期性和非周期性蓝宝石光纤光栅传感器阵列将通过监控包层模波长偏移来同时区分温度和气体。在工业传感和控制应用中需要作温度感测必须同时测量燃煤锅炉、燃气涡轮机或蒸汽涡轮机的排放(NOX、CO、O2、H2等)。组合的感测有助于优化涡轮机能量使用效率。目前，可用的可提取(离线)或不可提取(在线)气体感测系统的速度、精度和空间分辨率都很有限。需要改进这种传感系统的响应速度、精度和空间分辨率，以便例如能对发电设备有更好和可能主动的闭环排放控制。对于这种情况，需要精确和/或空间密集气体感测的任何控制/优化应用都是本文所述多参数传感器的好的候选应用。
虽然本文仅对本发明的某些特性作了图示和说明，但业界技术人员可以想到许多修改和变化。所以，应理解，所附权利要求书旨在覆盖落在本发明真正精神范围内的所有这些修改和变化。
元件列表10传感系统12环境室14光纤传感探头16有光栅的传感光缆18光源20光耦合器22检测器系统24输出26光纤传感元件28纤芯30包层32非周期性光栅34输入光36传输光38准周期性有光栅的光缆40折射率未改变的光纤长度42折射率已改变的光纤长度44第一区域46第一距离48第二区域50第二距离52第三区域54来自光纤传感器件的波形56宽带光波形58横轴60纵轴62反射信号波形
64第一衍射峰66第二衍射峰68传输信号70正常情况下的有光栅的光缆72正常情况下光栅元之间的第一距离74正常情况下光栅元之间的第二距离76有应力情况下的有光栅的光缆78有应力情况下光栅元之间的第一距离80有应力情况下光栅元之间的第二距离82制造光纤传感器件的过程84-92过程步骤100分布式光纤传感系统102恶劣环境104传感器106光缆108光栅元110光源112输入光源114反射信号116传输信号118光谱分析器120数据采集电路122光纤光缆124光纤包层126纤芯128光纤涂层130切成小块的光栅周期132用于激光器刻制Bragg光栅的系统
134缝隙掩模136纤芯138UV激光器/CO2激光器/电弧140聚焦透镜142光栅结构144宽带光源146光谱分析器150燃气涡轮机中的光纤光栅传感152包括压缩机、多腔燃烧室和涡轮机的燃气涡轮机154压缩机156多腔燃烧室158涡轮机160轴162分布式光纤温度传感系统164排气温度分布曲线166燃烧室燃烧温度168基于模型的估算或经验方法170燃烧室调整172燃煤锅炉中的光纤光栅传感174燃煤锅炉176分布式光纤温度和气体传感系统178燃烧器180排气参数182使燃烧器空气和空气流与出口温度、CO、NOX和O2相关的模型184进入燃烧器的最优空气和燃料186基于模型的优化。
权利要求
1.一种光纤传感器光缆(26)，包括纤芯(28)，其具有第一折射率，以及多个光栅元(32)，每个光栅元具有的折射率不同于第一折射率，所述纤芯(28)包括第一对光栅元(44)，配置成同相反射第一波长的光；第二对光栅元(48)，配置成同相反射第二波长的光；及第三对光栅元(52)，配置成同相反射第一波长的光，其中第二对光栅元(48)中的至少一个光栅元(42)位于第一对(44)中的至少一个光栅元和第三对(52)中的至少一个光栅元之间；以及包层(30)，设置在所述纤芯(28)周围。
2.一种光纤传感器件(26)，包括纤芯(28)，其具有第一折射率，以及多个光栅元(32)，每个光栅元具有的折射率不同于第一折射率，所述纤芯(28)包括第一部分(44)，其中相邻光栅元(42)之间的距离为第一距离(46)；第二部分(48)，其中相邻光栅元(42)之间的距离为不同于第一距离(46)的第二距离(50)；以及第三部分(52)，其中相邻光栅元(42)之间的距离为第一距离(46)；其中第二部分(48)设置在第一和第三部分(44，52)之间；光源(18)，配置成照射所述纤芯(28)；以及检测器系统(22)，配置成基于从所述多个光栅元(42)产生的至少一个衍射峰来估算至少一个参数。
3.一种检测环境中多个参数的方法，包括向具有多个光栅元并包括第一、第二和第三部分的光纤传感器光缆提供光源，其中第一和第三部分中的相邻光栅彼此相距第一距离，而第二部分中的相邻光栅彼此相距第二距离，并且其中第二部分位于第一和第三部分之间；以及检测从所述光纤传感器光缆发射的光。
4.一种方法，包括向具有多个光栅元的光纤传感器光缆提供光源；通过第一对光栅元反射第一波长的光，以使第一波长的光波彼此同相；通过第二对光栅元反射第二波长的光，以使第二波长的光波彼此同相；以及通过第三对光栅元反射第一波长的光，其中第二对光栅元中的至少一个光栅元位于第一对光栅元中的至少一个光栅元和第三对光栅元中的至少一个光栅元之间，以使第一波长的光波彼此同相。
5.一种感测多个参数的方法，包括向光纤传感器光缆提供光源，所述光缆具有配置成反射第一波长光的第一和第三对光栅元以及配置成反射第二波长光的第二对光栅元，其中第二对光栅元中的至少一个光栅元位于第一和第三对光栅元的至少一个光栅元之间；检测从所述光纤传感器光缆发射的光；根据从所述光纤传感器光缆发射的所述光来检测衍射峰；以及使所述衍射峰与所监控参数的变化相关联。
6.一种制造光纤传感器件的方法，包括提供具有第一折射率的纤芯；提供配置成同相反射第一波长光的第一对光栅元，其中第一对的相邻光栅元之间的距离为第一距离；提供配置成同相反射第二波长光的第二对光栅元，其中第二对的相邻光栅元之间的距离为第二距离；提供配置成同相反射第一波长光的第三对光栅元，其中第二对光栅元中的至少一个光栅元位于第一对的至少一个光栅元和第三对的至少一个光栅元之间；以及在所述纤芯周围设置包层。
7.一种制造光纤传感器光缆的方法，包括提供具有第一折射率的纤芯；用机械方式改变所述纤芯，以在所述纤芯内形成改变部分，其中每一个所述改变部分的折射率都不同于第一折射率；以及在所述纤芯周围设置包层。
8.一种感测恶劣环境中参数的光纤传感器光缆(122)，包括纤芯(126)，其具有第一折射率；以及多个用机械方式改变的部分(128)，每个部分具有的折射率不同于第一折射率。
9.一种感测恶劣环境(102)中参数的分布式传感器系统(100)，包括多个传感器(104)，设置在分布式光缆(106)上，其中所述多个传感器(104)中的每个包括纤芯(28)，其具有第一折射率；以及多个用机械方式改变的部分(108)，每个改变部分具有的折射率不同于第一折射率。
10.一种感测恶劣环境中参数的方法，包括向具有多个传感器的分布式传感器系统提供光源，其中所述多个传感器中的每个包括具有第一折射率的纤芯以及多个用机械方式改变的部分，每个改变部分具有的折射率都不同于第一折射率；以及检测从所述分布式传感器系统发射的光。
全文摘要
按照一个实施例，本发明提供一种多参数光纤传感系统(10)，它具有非周期性蓝宝石光纤光栅(16)作为传感元件(14)，用于同时检测温度、应变、NO
文档编号G02B6/02GK1837874SQ20061007189
公开日2006年9月27日 申请日期2006年3月22日 优先权日2005年3月22日
发明者K·T·麦卡锡, K·－L·J·邓, H·夏, M·J·克洛克, A·V·塔瓦里 申请人:通用电气公司