CN100338449C - 反射型保偏光纤温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反射型保偏光纤温度传感器，温度传感头的传感光纤端面镀覆有反射膜，光源的尾纤与光电探测器的尾纤分别与光纤耦合器的两根入纤熔接，光纤耦合器的一根尾纤与起偏器的入纤熔接，起偏器的尾纤与相位调制器的入纤熔接，相位调制器的尾纤与保偏光缆延迟环的一端连接，保偏光缆延迟环的另一端与保偏光纤连接，保偏光纤的另一端与温度传感头熔接，光电探测器的信号输出端与锁相放大器连接，信号发生电路输出一次谐波信号给相位调制器，信号发生电路输出二次谐波信号给锁相放大器。本发明反射型保偏光纤温度传感器利用保偏光纤的两偏振模式的传输系数差产生的光程差对温度敏感性实现温度的传感，通过对锁相放大器输出的调制波幅度V_A解算得到被测温度

。

Description

反射型保偏光纤温度传感器

技术领域

本发明涉及一种温度传感器，更特别的是指一种采用全光纤连接的反射型保偏光纤温度传感器。

背景技术

保偏光纤是利用波导的形状双折射或应力双折射来实现偏振保持的。现在广泛采用施加应力来实现双折射，即利用了一种热膨胀系数比石英大的附加材料在光纤中产生应力。在制作应力型保偏光纤时，光纤预制棒是通过把两个高浓度掺杂的石英棒(通常采用硼、磷或铝)放置在芯区的两边而制成。在高温下拉成光纤，光纤拉成后这两个高掺杂棒在冷却时收缩，但它们的热收缩量受到周围石英的影响，使高掺杂棒处于拉压力下，通过反作用使光传播所在的纤芯区产生应力沿两个高掺杂棒的轴存在着一个拉应力作用，这个轴一般叫做慢轴；而沿与之正交的轴存在着一个压应力作用，这个轴一般叫做快轴。图1为三种常用的保偏光纤的断面图，图中101为应力区，102为光纤芯，103为普通包层。在图1(A)的“熊猫”型光纤中，高掺杂棒是圆的；在图1(B)的“领结”型光纤中，高掺杂区域形状象领结；在图1(C)的“椭圆”型光纤中，应力包层是椭圆的。由于不同方向的应力不一样，导致光纤断面X方向的等效折射率n_eqx和Y方向的等效折射率n_eqy产生了等效折射率差Δn_b＝n_eqx-n_eqy。其X方向传输常数为 ${\mathrm{\β}}_x=\frac{{2\mathrm{\πn}}_{\mathrm{eqx}}}{\mathrm{\λ}},$ Y方向传输常数为 ${\mathrm{\β}}_y=\frac{{2\mathrm{\πn}}_{\mathrm{eqy}}}{\mathrm{\λ}},$ λ为传输光波长。当这束光在保偏光纤中传播时，将激起两个传输常数β_x和β_y的传播模式，它们在光纤中传输时，由于传输常数不一样，随着传输距离的增加，其相位差将增大，当这个相位差对应的光程差大于所用光源的相干长度时，这两个模式将失去干涉对比度，此时对应的传输光纤长度被定义为干涉仪去相干长度。这种由传输常数差所产生的光程差对温度敏感并成线性关系。

发明内容

本发明的目的是提供一种反射型保偏光纤温度传感器，所述传感器是利用保偏光纤的两偏振模式的传输系数差产生的光程差对温度敏感性实现温度的传感，各光学器件采用全保偏光纤连接提高了传感器的抗干扰能力，同时测量精度优于0.01℃。

本发明的一种反射型保偏光纤温度传感器，由光源、光电探测器、光纤耦合器、起偏器、相位调制器、保偏光缆延迟环、保偏光纤段、温度传感头、锁相放大器和信号发生电路构成，温度传感头由传感光纤和反射膜构成，反射膜镀覆在传感光纤的一端面上，传感光纤的另一端与保偏光纤段熔接；光源的尾纤与光电探测器的尾纤分别与光纤耦合器的两根入纤熔接，光纤耦合器的一根尾纤与起偏器的入纤熔接，起偏器的尾纤与相位调制器的入纤熔接，相位调制器的尾纤与保偏光缆延迟环的一端连接，保偏光缆延迟环的另一端与保偏光纤段连接，保偏光纤段的另一端与温度传感头熔接，所述光电探测器的信号输出端与锁相放大器连接，所述信号发生电路输出一次谐波信号给相位调制器，信号发生电路输出二次谐波信号给锁相放大器；起偏器的入纤、尾纤为保偏光纤；相位调制器的入纤、尾纤为保偏光纤。

所述的反射型保偏光纤温度传感器，通过光电探测器输出调制光电信号给锁相放大器，所述调制光电信号经锁相放大器处理后输出调制波幅度V_A，由所述调制波幅度V_A得到被测温度 $T=(\arccos \left(\frac{V_A-a_1}{a_2}\right)-a_3)/a_4.$

所述的反射型保偏光纤温度传感器，其起偏器的尾纤与相位调制器的入纤熔接形成一熔接点B，所述熔接点B的两根保偏光纤的主应力轴构成一夹角，所述夹角大于0°，小于90°；所述熔接点B的两根保偏光纤的主应力轴构成的夹角角度优选为45°。其保偏光纤段与温度传感头的传感光纤熔接形成一熔接点A，所述熔接点A的两根保偏光纤的主应力轴构成一夹角，所述夹角大于0°，小于90°，所述熔接点A的两根保偏光纤的主应力轴构成的夹角角度优选为45°。

本发明与现有技术相比具有的优点是：采用一种简单的全保偏干涉仪和由短尺寸的保偏光纤温度传感头，利用保偏光纤的两偏振模式的传输系数差产生的光程差对温度敏感性实现温度的传感，同时采用成熟、通用的锁相放大检测技术进行信号检测，实现了温度的测量。由于这种干涉仪具有很好的稳定性，因此这种方法具有很好的抗干扰能力；由于采用相位检测技术检测精度高且测量动态范围大、线性度好，因此本方法可实现高精度，优于0.01℃，和大范围-200℃～+400℃的温度测量。

附图说明

图1为三种常用的保偏光纤的断面图。

图2是本发明温度传感器的结构示意图。

图3是本发明温度传感头的结构示意图。

图中：1.光源  2.光纤耦合器  3.起偏器  4.光电探测器5.相位调制器  6.保偏光缆延迟环  7.保偏光纤段  8.温度传感器9.锁相放大器  10.信号发生电路  11.一次谐波信号  12.二次谐波信号  13.模拟量14.耦合器尾纤  15.熔接点A  16.熔接点B  17.反射膜  18.传感光纤

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

请参见图2所示，本发明是一种反射型保偏光纤温度传感器，由光源1、光纤耦合器2、起偏器3、光电探测器4、相位调制器5、保偏光缆延迟环6、保偏光纤段7、温度传感头8、锁相放大器9和信号发生电路10构成，所述温度传感头8由传感光纤18和反射膜17构成，反射膜17镀覆在传感光纤18的一端面上，传感光纤18的另一端与保偏光纤段7熔接，传感光纤18为双折射保偏光纤；光源1的尾纤和光电探测器4的尾纤分别与光纤耦合器2的两根入纤熔接，光纤耦合器2的一根尾纤与起偏器3的入纤熔接，起偏器3的尾纤与相位调制器5的入纤熔接，相位调制器5的尾纤与保偏光缆延迟环6的一端连接，保偏光缆延迟环6的另一端与保偏光纤段7连接，保偏光纤段7的另一端与温度传感头8熔接；信号发生电路10输出一次谐波信号11给相位调制器5，信号发生电路10输出二次谐波信号12给锁相放大器9，光电探测器4的输出端与锁相放大器9连接。本发明中的光源1为宽谱光源，相位调制器5是PZT调制器或者光电调制器。

在本发明中温度传感头8的传感光纤18长度小于所用宽谱光源1相干长度的一半，宽谱光源1相干长度L_c＝谱宽/中心波长²，温度传感头8的传感光纤18长度优选为10mm～25mm。

在本发明中，温度传感头8、保偏光缆延迟环6、相位调制器5、起偏器3、光纤耦合器2、光源1和光电探测器4构成了一个光纤干涉仪，所述光纤干涉仪是一个保偏光纤干涉仪，各光学器件的连接为全光纤连接。

光电探测器4为普通的探测器组件；信号发生电路10和锁相放大器9都可采用一般常用的电路或者采用仪器表来实现此功能，如采用Tek公司的AFG310型信号发生器和Standford公司的SR830型锁相放大器，信号发生电路10和锁相放大器9的输入输出均为带屏蔽的信号电缆。本发明传感器经锁相放大器9输出为模拟量13，但可以通过模数转换为数字量。

在本发明中，信号发生电路10输出给相位调制器5的一次谐波信号11是正弦调制波；信号发生电路10输出给锁相放大器9的二次谐波信号12为锁相放大器9的参考信号。

本发明的反射型保偏光纤温度传感器，其光的走向为(请参见图2所示)：宽谱光源1发出的光进入光纤耦合器2后被分为两束相等的光，一部分光进入起偏器3，另一部分从光纤耦合器2的尾纤14射出，进入起偏器3的光经起偏转变为线偏振光后并沿保偏光纤主偏振轴传输。起偏器3的尾纤与相位调制器5的入纤熔接，熔接点B16的两根保偏光纤(起偏器3的尾纤和相位调制器5的入纤)的主应力轴成一夹角，该夹角大于0°，小于90°，优选值为45度，沿保偏光纤的主轴传输的光经过熔接点B16后出现偏振模式耦合，激起两传输常数β_x和β_y的传播模式，这两个模式在保偏光纤中传输，经过PZT光纤相位调制器5调制后，再经过保偏光纤延迟环6和保偏光纤段7到达温度传感头8(温度传感头8的结构请参见如图3所示)，温度传感头8由传感光纤18和反射膜17构成，反射膜17镀覆在传感光纤18一端面上，使传感光纤18形成的一种保偏光纤反射器。在保偏光纤段7与温度传感头8熔接形成的熔接点A15，熔接点A15的两根保偏光纤(保偏光纤段7与传感光纤18)的主应力轴成一夹角，该夹角大于0°，小于90°，优选为45度。在熔接点A15，再次出现偏振模式耦合，所有的传输模式光在反射膜17的反射面处反射，并沿传感光纤18、保偏光纤段7、保偏光纤延迟环6、PZT调制器5、起偏器3和光纤耦合器2进入探测器4。

进入探测器4的反射光信号经转换输出光电流信号给锁相放大器9，当在PZT调制器5上加载频率为ω_m的正弦调制波，则光电探测器4输出的光电流为：

I＝K·γ(δ)·(1+cos(δ))·(1+cos(φ_msin(ω_mt)))  (1)

式(1)中，

k为入射到光电探测器4上的光强电信号的常系数，

γ(δ)为宽谱光源1的相干度函数，

φ_m为调制系数，

ω_m为加载频率，

δ为相位差。

相位差δ是由温度变化引起的，则相位差δ为：

δ＝L·(β_x-β_y)＝L·Δβ                                                       (2)

式(2)中，

L为温度传感头8中传感光纤18的长度，

β_x为光在X方向上的传输常数，

β_y为光在y方向上的传输常数，

Δβ为传输常数β_x和β_y的差。

在传感光纤18(传感光纤18为保偏光纤)中Δβ＝β_x-β_y在温度-200℃～+400℃的范围内与被测量物体温度成线性比例关系，其系数约为10^-3，符号为负。传感光纤18长度与温度成正比，系数约为10^-6，与C₁相比可以忽略，设被测物体温度为T，Δβ和传感光纤18长度L的温度系数分别为C₁和C₂，温度传感头8在温度T₀时的长度为L₀，则Δβ的初始值为Δβ₀，由式(2)有相位差δ＝Δβ₀L₀[1+C₁(T-T₀)][1+C₂(T-T₀)]，若忽略二阶小量和小系数，可得到被测物体温度T＝A·δ+B，其中：A＝1/Δβ₀L₀C₁，B＝(C₁T₀-1)/C₁。

当用Besse1函数将式(1)展开后，可发现所有的谐波分量都携带V_A的信息，其中，信号发生电路10输出的二次谐波信号12最强，而且对其它干扰位相不敏感，在本项发明中，选取二次谐波信号12的幅度作为检测对象。如图2所示，光电探测器4输出光电电流信号给锁相放大器9，信号发生电路10输出的一次谐波信号11用于PZT相位调制器5的相位调制，信号发生电路10输出的二次谐波信号12作为参考信号输出给锁相放大器9。锁相放大器9输出的温度值如式(3)所描述：

V_A＝K·γ(δ)·(1+cos(δ))                            (3)

V_A与相位差δ直接相关，测出V_A后，根据式(2)可得到相位差δ的值，进而测得温度值。因此信号检测的目的在于检测式(1)描述的信号的幅值。从式(3)可以看出，当有温度场通过接触或辐射作用在温度传感头8上时，在光纤干涉仪中将产生比例于温度的非互易位相变化，通过信号检测可测出位相变化，通过模型变换便可得到测量的温度值，这个模型为：

$T=(\arccos \left(\frac{V_A-a_1}{a_2}\right)-a_3)/a_4---\left(4\right)$

式(4)中：a₁、a₂、a₃和a₄为模型参数，可通过温度标定得到。其中的运算功能已有通用的技术，当需要模拟信号输出时，可采用模拟电路实现，需要数字输出时，可通过数字计算得到。

本发明的反射型保偏光纤温度传感器，是采用一种简单的全保偏干涉仪和由短尺寸的保偏光纤温度传感头(即温度传感头8)，利用保偏光纤(即两根光纤熔接产生的熔点)的两偏振模式的传输系数差产生的光程差对温度敏感性实现温度的传感，同时采用成熟、通用的锁相放大检测技术进行信号检测，实现了温度的测量。由于本发明的光纤干涉仪具有较高的稳定性，使温度传感器具有较强的抗干扰能力；由于采用相位检测技术检测精度高且测量动态范围大、线性度好，因此本发明的温度传感器可以实现高精度即优于0.01℃和大范围-200℃～+400℃的温度测量。

Claims (7)

1、一种反射型保偏光纤温度传感器，包括光源(1)、光电探测器(4)、相位调制器(5)、信号发生电路(10)，其特征在于：还包括光纤耦合器(2)、起偏器(3)、保偏光缆延迟环(6)、保偏光纤段(7)、温度传感头(8)和锁相放大器(9)；所述温度传感头(8)由传感光纤(18)和反射膜(17)构成，反射膜(17)镀覆在传感光纤(18)的一端面上，传感光纤(18)的另一端与保偏光纤段(7)熔接；光源(1)的尾纤与光电探测器(4)的尾纤分别与光纤耦合器(2)的两根入纤熔接，光纤耦合器(2)的一根尾纤与起偏器(3)的入纤熔接，起偏器(3)的尾纤与相位调制器(5)的入纤熔接，相位调制器(5)的尾纤与保偏光缆延迟环(6)的一端连接，保偏光缆延迟环(6)的另一端与保偏光纤段(7)连接，保偏光纤段(7)的另一端与温度传感头(8)熔接，所述光电探测器(4)的信号输出端与锁相放大器(9)连接，所述信号发生电路(10)输出一次谐波信号(11)给相位调制器(5)，信号发生电路(10)输出二次谐波信号(12)给锁相放大器(9)；起偏器(3)的入纤、尾纤为保偏光纤；相位调制器(5)的入纤、尾纤为保偏光纤；

所述温度传感头(8)中的传感光纤(18)为应力型双折射保偏光纤；

所述起偏器(3)的尾纤与相位调制器(5)的入纤熔接形成一熔接点B(16)，所述熔接点B(16)的两根保偏光纤的主应力轴构成一夹角，所述起偏器(3)的尾纤与相位调制器(5)的入纤的夹角大于0°，小于90°；

所述保偏光纤段(7)与温度传感头(8)的传感光纤(18)熔接形成一熔接点A(15)，所述熔接点A(15)的两根保偏光纤的主应力轴构成一夹角，所述保偏光纤段(7)与传感光纤(18)的夹角大于0°，小于90°。

2、根据权利要求1所述的反射型保偏光纤温度传感器，其特征在于：所述光电探测器(4)输出调制光电信号给锁相放大器(9)，所述调制光电信号经锁相放大器(9)处理后输出调制波幅度V_A，由所述调制波幅度V_A得到被测温度 $T=(\arccos \left(\frac{V_A-a_1}{a_2}\right)-a_3)/a_4,$ 式中，a₁、a₂、a₃和a₄为模型参数，通过温度标定得到。

3、根据权利要求1所述的反射型保偏光纤温度传感器，其特征在于：信号发生电路(10)输出给相位调制器(5)的一次谐波信号(11)是正弦调制波；信号发生电路(10)输出给锁相放大器(9)的二次谐波信号(12)为锁相放大器(9)的参考信号。

4、根据权利要求1所述的反射型保偏光纤温度传感器，其特征在于：所述熔接点B(16)的两根保偏光纤的主应力轴构成的夹角角度为45°。

5、根据权利要求1所述的反射型保偏光纤温度传感器，其特征在于：所述熔接点A(15)的两根保偏光纤的主应力轴构成的夹角角度为45°。

6、根据权利要求1所述的反射型保偏光纤温度传感器，其特征在于：温度传感头(8)的传感光纤(18)长度小于光源(1)相干长度的一半，传感光纤(18)的长度为10mm～25mm。

7、根据权利要求1所述的反射型保偏光纤温度传感器，其特征在于：温度测量范围为-200℃～+400℃，温度测量精度优于0.01℃。

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