CN100587427C - 基于波长解调的光纤温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波长解调的光纤温度传感器，由宽谱光源、光纤耦合器、起偏器，保偏光纤环，温度传感头，F-P可调滤波器、光电探测器、模数转换器和信号处理器组成；宽谱光源的尾纤与光纤耦合器的A端熔接；光纤耦合器的B端与起偏器的入纤熔接，光纤耦合器的C端与F-P可调滤波器的E端熔接；起偏器的尾纤与保偏光纤环的一端熔接；保偏光纤环的另一端与温度传感头熔接；F-P可调滤波器的G端与光电探测器的输入端熔接，光电探测器的输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与信号处理器的输入端相连，信号处理器的波形输出端与F-P可调滤波器的F端相连，信号处理器的温度输出端用于输出温度值T。在光纤耦合器与光电探测器之间连接有F-P可调滤波器能够代替光谱仪来获取光谱简化了测试操作步骤，有利于信号信息的处理，使其更趋向于实用化。本发明温度传感器的输出温度值T与空间频率f_λ之间为线性关系，可以简单方便地在信号处理器中完成温度的解算。

Description

基于波长解调的光纤温度传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤温度传感器，更具体地说，是指一种基于波长解调的光纤温度传感器。

背景技术

利用光纤传感技术测量温度与传统的电信号测温方法相比具有其独特的优越性，使得光纤温度传感器可以在高电磁干扰、高压、高辐射的环境中工作，因而得到了大力的发展和具有广泛的应用。

专利号ZL 200510085538.8，多路保偏光纤温度传感器。发明人杨远洪在此份专利申请文件中公开了一种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测量，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；所述多路传感器还利用不同长度的保偏光纤环保证不同温度传感通道返回到光电探测器的时间不同，从而实现多路传感。

上述保偏光纤温度传感器是基于对光强随温度的单一变化进行检测的，其输出温度值受到宽谱光源稳定性的影响和制约。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于波长解调的光纤温度传感器，该温度传感器一方面通过单片机产生的锯齿波对F-P可调滤波器进行驱动进入工作模式，同时通过F-P可调滤波器对接收的光谱信息F0进行滤波，另一方面根据温度模型M解算出输出温度值T。本发明的温度传感器有效地克服了光源的不稳定性对整个系统的影响，消除了器件老化等原因所导致的光强不稳定对整个系统稳定性和精度的影响。

本发明是一种基于波长解调的光纤温度传感器，由宽谱光源、光纤耦合器、起偏器，保偏光纤环，温度传感头，F-P可调滤波器、光电探测器、模数转换器和信号处理器组成；宽谱光源的尾纤与光纤耦合器的A端熔接；光纤耦合器的B端与起偏器的入纤熔接，光纤耦合器的C端与F-P可调滤波器的E端熔接；起偏器的尾纤与保偏光纤环的一端熔接；保偏光纤环的另一端与温度传感头熔接；F-P可调滤波器的G端与光电探测器的输入端熔接，光电探测器的输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与信号处理器的输入端相连，信号处理器的波形输出端与F-P可调滤波器的F端相连，信号处理器的温度输出端用于输出温度值T。所述信号处理器内存储有波长-温度关系模块，该波长-温度关系模块由锯齿波产生单元、傅立叶变换单元和温度解算单元构成。

本发明的光纤温度传感器是对宽谱光源输出的波长信息进行解调处理获得传感器输出温度值。在光纤耦合器与光电探测器之间连接有F-P可调滤波器能够代替光谱仪来获取光谱简化了测试操作步骤，有利于信号信息的处理，使其更趋向于实用化。本发明温度传感器的输出温度值T与空间频率f_λ之间为线性关系，可以简单方便地在信号处理器中完成温度的解算。本发明温度传感器克服了光源的不稳定对传感系统的影响，有效地解决了由于器件老化或者安装等带来的器件损耗变化以及光源浮动导致光强不稳定对测量精度和稳定性的影响。

附图说明

图1是本发明光纤温度传感器结构示意图。

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。

本发明是一种基于波长解调检测方式的光纤温度传感器，采用了单片机输出锯齿波驱动F-P可调滤波器获取光谱信息，根据输出温度值T与空间频率f_λ之间的线性关系实现实时温度测量。

请参见图1所示，本发明的一种光纤温度传感器由宽谱光源、光纤耦合器、起偏器，保偏光纤环，温度传感头，F-P(Fabry-Perot)可调滤波器、光电探测器、模数转换器和信号处理器组成。本发明光纤温度传感器与现有光纤温度传感器的不同之处在于光纤耦合器与光电探测器之间连接有F-P可调滤波器。信号处理器采用单片机芯片(C8051F060型单片机)，并将用C语言编写构成的波长-温度关系模块下载到单片机内，该波长-温度关系模块由锯齿波产生单元、傅立叶变换单元和温度解算单元构成。

本发明光纤温度传感器的连接关系是：宽谱光源的尾纤与光纤耦合器的A端(光纤耦合器的一根入纤)熔接；光纤耦合器的B端(光纤耦合器的一根尾纤)与起偏器的入纤熔接，光纤耦合器的C端(光纤耦合器的另一根入纤与F-P可调滤波器的E端熔接；起偏器的尾纤与保偏光纤环的一端熔接；保偏光纤环的另一端与温度传感头熔接；F-P可调滤波器的G端(输出端)与光电探测器的输入端熔接，光电探测器的输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与信号处理器的输入端相连，信号处理器的波形输出端与F-P可调滤波器的F端相连，信号处理器的温度输出端用于输出温度值T。

在本发明中，光纤温度传感器上电后，信号处理器(C8051F060型单片机)中的锯齿波产生单元将产生输出电压幅度为0～5V可调，频率10～100Hz的锯齿波形信号N。该锯齿波形信号N是用来驱动F-P可调滤波器进入工作模式的。

在本发明中，F-P可调滤波器用于接收光纤耦合器输出的光谱信息F₀，并对光谱信息F₀进行滤波处理后输出光强信息f给光电探测器；光电探测器对接收的光强信息f进行光电转换后输出电信号D₀给模数转换器；模数转换器对接收的电信号D₀进行模数转换后输出数字电信号D给信号处理器；信号处理器对接收的数字电信号D先进入傅立叶变换单元中进行傅立叶变换处理获得空间频率f_λ，然后空间频率f_λ进入温度解算单元中依据温度模型M得到输出温度值T。

所述温度模型 $M=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2L{C}_1}{f}_{\mathrm{\λ}}-\frac{C_2}{C_1}$ 中f_λ表示空间频率，λ表示宽谱光源出射光的中心波长，L代表温度传感头的长度，C₁、C₂表示温度传感头的所选取保偏光纤的温度系数，且C₁≠C₂。

在本发明中，宽谱光源采用掺铒光纤光源(SFS)，其中心波长为1545nm，输出功率大于10mW，带宽大于40nm。

在本发明中，保偏光纤环和温度传感头选取熊猫型保偏光纤，损耗为1.1dB/km。

在本发明中，光纤耦合器采用典型的4端口结构的50/50分光的单模光纤耦合器，A端、C端一般为光纤耦合器的入纤端，B端为光纤耦合器的尾纤端。工作波长1550nm，典型附加损耗0.07dB，插入损耗小于3.4dB。

在本发明中，起偏器采用磨抛法加工制作，具有全光纤结构，工作波长在1550nm，消光比20dB，插入损耗为0.7dB。

在本发明中，光电探测器采用武汉电信器件有限公司的PFTM911型InGaAs平面结构PIN-FET探测器。它的带宽为7MHz，灵敏度最大为-51dBm，调制速率为8.40～10Mb/s，跨阻抗为1300k。

在本发明中，F-P可调滤波器采用了Micron Optics公司生产的TF074D型F-P可调滤波器。它在测试波长为1550nm的条件下，自由光谱范围是106nm，带宽是0.017nm。可调谐滤波器允许波长跟F-P腔长度有倍数关系的光通过，而其他波长的光按爱里函数衰减。基于此工作原理F-P可调滤波器具有滤波的功能，即可获得一定波长范围内的光谱，代替了光谱仪，使温度传感器变得更加轻便，趋向于实用化。同时TF074D型F-P可调滤波器还具有高精度高分辨率，热稳定性好，抗冲击和振动的特点。

在本发明中，信号处理器采用CYGNAL公司的C8051F060型单片机，该单片机是完全集成的混合信号片上系统型MCU，片上高速微控制器包含了高速、流水线结构的CIP-51内核，可在系统编程的64KB FLASH存储器、4352(4K+256)字节的片内RAM和可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口等控制核。该单片机内下载有运用C语言编写构成的波长-温度关系模块，该波长-温度关系模块由锯齿波产生单元、温度解算单元和傅立叶变换单元构成。

实施例

将本发明的光纤温度传感器应用到温度为40℃的工作环境中，进行温度测试。光纤温度传感器的配置：温度传感头长度L为0.183m，温度传感头(熊猫型保偏光纤)的温度系数C₁为-2.01×10^-3，C₂为8.608×10^-2，宽谱光源出射光的中心波长λ为1545nm，空间频率f_λ＝0.9325×10⁹，输出温度值T＝39.8℃

光纤温度传感器的处理过程：

(1)光纤温度传感器上电后，宽谱光源在光源驱动输出的驱动信号下进入工作状态，宽谱光源输出光(中心波长λ为1545nm)给光纤耦合器；

(2)输出光经光纤耦合器、起偏器后成为线偏振光；该线偏振光沿保偏光纤的偏振主轴传输进入温度传感头，进入温度传感头的线偏振光在传感头中激起两个偏振模式并在传感头的另一端(温度传感头的一端熔接在保偏光纤的一端，温度传感头的另一端端面镀有反射膜，从而能够起到反射线偏振光的作用)的端部被全部反射；

(3)沿原路返回的线偏振光，经耦合器后进入F-P可调滤波器中；

(4)F-P可调滤波器在信号处理器输出的锯齿波驱动信号N的控制下，对光谱信息F₀进行滤波处理后输出光强信息f给光电探测器。该光电探测器对接收的光强信息f进行光电转换后输出电信号D₀给模数转换器；模数转换器对接收的电信号D₀进行模数转换后输出数字电信号D给信号处理器。信号处理器对数字电信号D先进入傅立叶变换单元中进行傅立叶变换处理获得空间频率f_λ，然后空间频率f_λ进入温度解算单元中依据温度模型 $M=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2L{C}_1}{f}_{\mathrm{\λ}}-\frac{C_2}{C_1}$ 得到输出温度值T。

本发明的光纤温度传感器的基于波长解调的检测方法有效地克服了光源的不稳定性对整个系统的影响，消除了器件老化等原因所导致的光强不稳定对整个系统稳定性和精度的影响。本方法利用温度T与空间频率f_λ之间的线性关系可以简单方便的在信号处理器中解算出温度值。F-P可调滤波器代替光谱仪来获取光谱简化了测试操作步骤，有利于信号信息的处理，使其更趋向于实用化。

Claims (8)

1、一种基于波长解调的光纤温度传感器，其特征在于：由宽谱光源、光纤耦合器、起偏器，保偏光纤环，温度传感头，F-P可调滤波器、光电探测器、模数转换器和信号处理器组成；宽谱光源的尾纤与光纤耦合器的A端熔接；光纤耦合器的B端与起偏器的入纤熔接，光纤耦合器的C端与F-P可调滤波器的E端熔接；起偏器的尾纤与保偏光纤环的一端熔接；保偏光纤环的另一端与温度传感头熔接；F-P可调滤波器的G端与光电探测器的输入端熔接，光电探测器的输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与信号处理器的输入端相连，信号处理器的波形输出端与F-P可调滤波器的F端相连，信号处理器的温度输出端用于输出温度值T；

所述信号处理器内存储有波长-温度关系模块，该波长-温度关系模块由锯齿波产生单元、傅立叶变换单元和温度解算单元构成；

所述F-P可调滤波器用于接收光纤耦合器输出的光谱信息F₀，其在信号处理器中的锯齿波产生单元产生的锯齿波形信号N的控制下，对光谱信息F₀进行滤波处理后输出光强信息f给光电探测器；光电探测器对接收的光强信息f进行光电转换后输出电信号D₀给模数转换器；模数转换器对接收的电信号D₀进行模数转换后输出数字电信号D给信号处理器；信号处理器对接收的数字电信号D先进入傅立叶变换单元中进行傅立叶变换处理获得空间频率f_λ，然后空间频率f_λ进入温度解算单元中依据温度模型M得到输出温度值T；

所述温度模型 $M=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2{\mathrm{LC}}_1}{f}_{\mathrm{\λ}}-\frac{C_2}{C_1}$ 中f_λ表示空间频率，λ表示宽谱光源出射光的中心波长，L代表温度传感头的长度，C₁、C₂表示温度传感头的所选取保偏光纤的温度系数，且C₁≠C₂。

2、根据权利要求1所述的基于波长解调的光纤温度传感器，其特征在于：信号处理器采用单片机C8051F060芯片。

3、根据权利要求1所述的基于波长解调的光纤温度传感器，其特征在于：F-P可调滤波器在波长为1550nm的条件下，自由光谱范围是106nm，带宽是0.017nm。

4、根据权利要求1所述的基于波长解调的光纤温度传感器，其特征在于：信号处理器中的锯齿波产生单元将产生输出电压幅度为0～5V可调，频率10～100Hz的锯齿波形信号N。

5、根据权利要求1所述的基于波长解调的光纤温度传感器，其特征在于：宽谱光源采用掺铒光纤光源，中心波长为1545nm，输出功率大于10mW，带宽大于40nm。

6、根据权利要求1所述的基于波长解调的光纤温度传感器，其特征在于：保偏光纤环和温度传感头选取熊猫型保偏光纤，损耗为1.1dB/km。

7、根据权利要求1所述的基于波长解调的光纤温度传感器，其特征在于：光纤耦合器采用50/50分光的单模光纤耦合器，工作波长1550nm。

8、根据权利要求1所述的基于波长解调的光纤温度传感器，其特征在于：起偏器的工作波长在1550nm，消光比20dB。

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