CN101639387A - 基于极值对应的波长检测的光纤温度传感器及其温度传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于极值对应的波长检测的光纤温度传感器，该光纤温度传感器是通过计算确定保偏光纤传感头的长度，使得由保偏光纤传感头与光纤耦合器和宽谱光源组成的混合光纤Sagnac干涉仪透射端的透射光谱具有单极值性。当环境温度变化时，透射光谱的极值对应的波长会发生变化，且这个波长与作用在光纤传感头上的温度成线性比例关系T＝(m/aL)λ_m－b/a。本发明光纤温度传感器通过检测透射谱的极值对应波长的变化，实现温度的测量。本发明光纤温度传感器可以消除光源浮动、光路损耗等的影响，提高传感的灵敏度。本发明光纤温度传感器为全光纤结构，所用器件数量少，易于实现，成本低，适应性强，抗干扰能力强。

Description

基于极值对应的波长检测的光纤温度传感器及其温度传感方法

技术领域

本发明涉及一种光纤温度传感器，更特别地说，是指一种基于极值对应的波长检测的光纤温度传感器。

背景技术

光纤温度传感器使用光纤作为传感和传输介质，具有不受电磁场的干扰、电绝缘、本质安全、防爆、耐辐射、便于复用和便于成网的优点，光纤温度传感器具有广泛的应用和发展前景。

在专利申请号200310113311.0中公开了基于SAGNAC干涉仪的光纤温度传感方法及其传感器。该传感器的结构如说明书附图3所示，是将保偏光纤传感头33加入采用Y波导调制器29和宽谱光源25的全保偏Sagnac干涉仪的闭合光路中，通过保偏光纤30与保偏光纤延迟环31和Y波导调制器29连接，在连接点34a、34b相连的保偏光纤32、35的偏振主轴互相交成一设定角，当温度场作用在这段光纤上时，会产生偏振非互易相移，这个相移与作用在保偏光纤传感头33上的温度成线性比例关系，采用与光纤陀螺相同的位相检测电路40测量这种由温度引起的相移，从而实现温度的测量。该光纤温度传感器是基于光强进行检测的，被测量直接受到光功率信号的影响，故光源的稳定性和系统的光路损耗等都会对光纤温度传感器的稳定性和精度带来影响。

发明内容

为克服光源浮动、光路损耗等因素，对基于光强解调的光纤温度传感器稳定性带来的影响，本发明提供一种基于极值对应的波长检测的光纤温度传感器，该光纤温度传感器应用混合光纤Sagnac干涉仪在其透射端检测透射光谱，在此确定长度 $L=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2{L}_B}{({\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2)\mathrm{\λ}}$ 的保偏光纤传感头的条件下，透射端的透射光谱只有一个极值点即具有单极值性，当保偏光纤传感头所处环境的温度变化时，Sagnac干涉仪的透射光谱的极值对应的波长会发生变化，且这个波长与作用在传感头上的温度成线性比例关系 $T=\frac{m}{\mathrm{aL}}{\mathrm{\λ}}_m-\frac{b}{a}.$ 通过检测极值对应波长的变化，实现温度的测量。混合光纤Sagnac干涉仪由保偏光纤传感头、光纤耦合器和宽谱光源构成。

本发明的目的之二是提出一种基于极值对应的波长检测，从而实现保偏光纤传感头所处环境的温度测量。

本发明的一种基于极值对应的波长检测的光纤温度传感器，其光纤耦合器的第一根光纤与宽谱光源的尾纤熔接，光纤耦合器的第二根光纤和第三根光纤熔接在保偏光纤传感头的两端，光纤耦合器的第四根光纤与光谱测试装置连接，光谱测试装置通过导线与计算处理单元连接。而计算处理单元包括有计算机和Origin处理软件，该Origin处理软件存储在计算机的硬盘中。Origin处理软件能够对光谱测试装置输出的透射谱数据进行图形绘制以及极值拾取，所述拾取的极值可以是透射谱中最大值对应的波长，也可以是透射谱中最小值对应的波长。

本发明基于极值对应的波长检测的光纤温度传感器的优点在于：

(1)采用在光纤耦合器上连接光源、保偏光纤传感头和光谱测试装置，构成结构简单、成本低廉、易于实现、抗干扰能力强的混合光纤Sagnac干涉仪，能够通过对透射谱中极值对应的波长的检测来实现保偏光纤传感头所处环境的温度测量。

(2)在计算处理单元中针对透射光谱的极值点的特征，建立了保证透射端透射光谱具有单极值性的保偏光纤传感头长度的确定公式 $L=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2{L}_B}{({\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2)\mathrm{\λ}},$ 以及透射光谱的极值对应的波长与温度成线性比例关系 $T=\frac{m}{\mathrm{aL}}{\mathrm{\λ}}_m-\frac{b}{a},$ 应用该极值对应的波长与温度成线性比例关系进行解算出环境温度值，简化了200310113311.0中公开的信号处理过程。

(3)本发明可以消除基于光强的检测方法的光源浮动，光路损耗及光器件不一致性等所带来的不利影响，提高了测量的精度和系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明的光纤温度传感器的结构图。

图2为本发明中的光纤温度传感方法及其传感器的透射端接收到的透射谱。

图3为本发明单极小值透射光谱形状。

图4为本发明中传感器的温度与极值波长间的关系曲线。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的一种基于极值对应的波长检测的光纤温度传感器，其由宽谱光源1、光纤耦合器3、保偏光纤传感头5、光谱测量装置8和计算处理单元9构成；光纤耦合器3的第一根光纤2与宽谱光源1的尾纤熔接，光纤耦合器3的第二根光纤4和第三根光纤6熔接在保偏光纤传感头5的两端，光纤耦合器3的第四根光纤7与光谱测试装置8连接，光谱测试装置8通过导线与计算处理单元9连接。

在本发明中，计算处理单元9包括有计算机和Origin 7.5处理软件，该Origin7.5处理软件存储在计算机的硬盘中。计算机的最低配置为CPU 2GHz，内存1.2GB，硬盘10GB；操作系统为windows 2000/2003/XP。Origin 7.5处理软件能够对光谱测试装置8输出的透射谱数据进行图形绘制以及极值拾取(如图2所示)，所述拾取的极值可以是透射谱中最大值对应的波长，也可以是透射谱中最小值对应的波长。

光源1发出的光经过光纤耦合器3后分为两路光，进入包含保偏光纤传感头5的Sagnac环，沿顺、逆时针方向传输，在光纤耦合器3中发生干涉，干涉信号从光纤耦合器3的第四根光纤输出；光谱测试装置8对光纤耦合器3输出的干涉信号进行实时采集，然后输出给计算处理单元9，在计算处理单元9中的Origin 7.5处理软件处理后，在计算机的显示屏中显示出如图2所示的透射谱，图中λ_m表示透射谱中的一个极小值(最小值)。

光谱测量装置8测试获得的透射谱光强为 $I_T=K^2[1-\cos \left(\frac{2\mathrm{\π\ΔnL}}{\mathrm{\λ}}\right)],$ I_T表示透射谱的光强信号，K表示与光源1相关的常数，L表示保偏光纤传感头的长度，λ表示光源的中心波长，Δn表示保偏光纤快慢轴的折射率差。

在透射谱光强 $I_T=K^2[1-\cos \left(\frac{2\mathrm{\π\ΔnL}}{\mathrm{\λ}}\right)]$ 中，极值点对应的波长λ_m与保偏光纤快慢轴的折射率差Δn和保偏光纤传感头长度L存在的关系为ΔnL＝mλ_m，m表示透射谱的级数。

由于保偏光纤快慢轴的折射率差Δn在环境温度为-200℃至400℃之间时，Δn与环境温度T存在线性关系为Δn＝aT+b(a，b为待标定的系数)。

化简保偏光纤快慢轴的折射率差Δn，则有环境温度T与透射谱中m级的波形下极值点对应波长λ_m的关系为 $T=\frac{m}{\mathrm{aL}}{\mathrm{\λ}}_m-\frac{b}{a}.$

根据透射谱的光谱调制特性能够获得单极值性光谱的形状ΔnL＝mλ₁＝(m+1)λ₂，λ₁表示透射谱中第一个极大值(最大值)或第一个极小值(最小值)对应的波长，λ₂表示透射谱中相邻的第二个极大值(最大值)或第二个极小值(最小值)对应的波长。

化简单极值性光谱形状ΔnL＝mλ₁＝(m+1)λ₂中透射谱级数m，获得一个具有单极值性的透射谱对应的保偏光纤传感头长度 $L=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2{L}_B}{({\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2)\mathrm{\λ}},$ L_B表示光纤传感头所选用的保偏光纤的拍长。

在本发明中，光源1为宽谱光源；可以是掺铒光纤光源(SFS)，其中心波长为1545nm，输出功率大于10mW，带宽大于40nm；也可以是超辐射发光二极管(SLD)，其中心波长为1310nm，输出功率大于5mW，带宽大于60nm。

在本发明中，光纤耦合器3是单模光纤耦合器，其具有典型的四端口结构，具有50/50的分光比。

在本发明中，光谱测试装置8可以采用光谱分析仪，其分辨率最高可达到0.02nm；

光谱测试装置8也可以采用固态光谱仪(BaySpec Spectral Engine DisplayPanel)，其分辨率可达到0.1nm；

光谱测试装置8也可以采用可调谐F-P(Fabry-Perot)滤波器，其分辨率可达到0.017nm，自由光谱范围是106nm。

实施例1：

参见图1所示的结构，采用中心波长为1545nm，宽谱范围为1525nm～1565nm的掺铒光纤光源，光纤耦合器选用单模光纤耦合器，保偏光纤传感头选用拍长为2.056mm的熊猫型保偏光纤，长度为2.08mm，光谱测试装置选用AQ6370光谱仪(生产厂家为日本的YOKOGAWA公司)。使用本发明中的光纤温度传感器进行温度测试时进行透射谱中的最小值对应波长的检测，得到的在22℃下的透射谱如图3所示，图中的λ_m表示透射谱中的最小值点，温度22℃下其对应的透射谱中的波长为1545.12nm，本发明中的光纤温度传感器所获透射谱的最小值对应的波长与温度间的模型为T＝1088.428-0.685λ_m，对应的关系曲线如图4所示，图4中实线表示由实验测试所得数据获取的被测温度与透射谱中最小值对应的波长间的关系曲线，图4中虚线表示根据被测温度与透射谱中最小值对应的波长间的关系曲线所得到的线性拟和曲线，可见虚线表现出良好的线性度。当环境温度为25.O℃时，使用本发明的光纤温度传感器输出值为25.1℃。

总之，本发明的光纤温度传感方法及其传感器可以有效地克服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。本方法利用温度与极值对应的波长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。光纤温度传感器采用本发明基于极值波长解调的光纤温度传感方法及其传感器为全光纤sagnac干涉仪，所用器件数量少，全光纤结构，易于实现，成本低，适应性强，抗干扰能力强。

Claims (8)

1、一种光纤温度传感器的温度传感方法，其特征在于：通过检测混合光纤Sagnac干涉仪的透射端的透射光谱实现温度的测量，在确定长度的保偏光纤传感头的条件下，透射端的透射光谱具有单极值性，当保偏光纤传感头所处环境的温度变化时，Sagnac干涉仪的透射光谱的极值对应的波长会发生变化，且这个波长与作用在传感头上的温度成线性比例关系 $T=\frac{m}{\mathrm{aL}}{\mathrm{\λ}}_m-\frac{b}{a};$ 通过检测极值对应波长的变化，实现温度的测量；所述的混合光纤Sagnac干涉仪由光源(1)、光纤耦合器

(3)和保偏光纤传感头(5)构成；

所述的 $T=\frac{m}{\mathrm{aL}}{\mathrm{\λ}}_m-\frac{b}{a}$ 中，T表示保偏光纤传感头(5)所处环境的温度，L表示保偏光纤传感头(5)的长度，m表示混合光纤Sagnac干涉仪的透射光谱的极值所对应级数，λ_m表示m级下对应的极值波长，a，b表示待标定的系数。

2、根据权利要求1所述的光纤温度传感器的温度传感方法，其特征在于：保偏光纤传感头(5)的长度的计算公式为 $L=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2{L}_B}{({\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2)\mathrm{\λ}},$ L表示保偏光纤传感头的长度，λ₁表示透射谱中第一个最大值或第一个最小值对应的波长，λ₂表示透射谱中相邻的第二个最大值或第二最小值对应的波长，λ表示光源(1)的中心波长，L_B表示保偏光纤传感头(5)所选用的保偏光纤的拍长。

3、一种基于极值对应的波长检测的光纤温度传感器，其特征在于：该光纤温度传感器由光源(1)、光纤耦合器(3)、保偏光纤传感头(5)、光谱测量装置(8)和计算处理单元(9)构成；光纤耦合器(3)的第一根光纤(2)与光源(1)的尾纤熔接，光纤耦合器(3)的第二根光纤(4)和第三根光纤(6)熔接在保偏光纤传感头(5)的两端，光纤耦合器(3)的第四根光纤(7)与光谱测试装置(8)连接，光谱测试装置(8)通过导线与计算处理单元(9)连接；其中，光源(1)、光纤耦合器(3)和保偏光纤传感头(5)构成混合光纤Sagnac干涉仪。

4、根据权利要求1所述的基于极值对应的波长检测的光纤温度传感器，其特征在于：所述的计算处理单元(9)包括有计算机和Origin处理软件，该Origin处理软件存储在计算机的硬盘中；计算处理单元(9)用于对光谱测试装置(8)输出的透射谱数据进行图形绘制以及极值拾取。

5、根据权利要求1所述的基于极值对应的波长检测的光纤温度传感器，其特征在于：所述光源(1)为掺铒光纤光源(SFS)，或超辐射发光二极管(SLD)。

6、根据权利要求1所述的基于极值对应的波长检测的光纤温度传感器，其特征在于：所述的光纤耦合器(3)采用单模光纤耦合器。

7、根据权利要求1所述的基于极值对应的波长检测的光纤温度传感器，其特征在于：所述的光谱测量装置(8)采用光谱分析仪、固态光谱仪或可调谐F-P(Fabry-Perot)滤波器。

8、根据权利要求1所述的基于极值对应的波长检测的光纤温度传感器，其特征在于：所述的保偏光纤传感头(5)由熊猫型或领结型保偏光纤组成。

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