CN101762342B - 并行多点式光纤温度检测方法及传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并行多点式光纤温度检测方法及传感器，由宽带光源发出的光经过光纤耦合器传输入阵列波导光栅并被分成n路单波长的光；n路单波长的光再经过耦合器陈列C1～Cn之后到达光纤传感头S1～Sn，光纤传感头的光纤末端采用环氧树脂封装，在光纤末端与环氧树脂的分界面发生反射，每个光纤传感头的反射光再次经过耦合器陈列后传输入阵列光电二极管探头P1～Pn，输出的光电压正比于光纤末端与环氧树脂分界面反射的回波强度，阵列光电二极管探头P1～Pn的值输入到电路处理单元进行数据处理。本发明可用于光纤传感以及多点温度的同时探测，还具有测量范围大、灵敏度高、操作简单等特点。

Description

并行多点式光纤温度检测方法及传感器

技术领域

本发明涉及一种温度检测方法，尤其是涉及一种并行多点式光纤检测方法；本发明还涉及实现该方法的并行多点式光纤温度传感器。

背景技术

温度是工程技术和科学研究中十分关注的基本物理参量，它可以反映材料物质内部的物理性质以及化学性质。对温度的测量和监控，在生化、环保、医疗和食品加工领域以及现代工业生产过程中有着十分重要的意义。因此，测温技术一直在不断研究和发展，传统的以热敏电阻、光学高温计等用电信号作为工作基础的温度传感器在国民经济、国防建设、空间技术及科学研究中都发挥了重大的作用。但是对于某些特殊工业环境(如易燃易爆、高电压、大电流、强电流场干扰等)，这些以电信号为工作基础的温度传感器则无能为力。针对传统温度传感器的这一缺点，各种光纤温度传感技术也相继发展起来，比较典型的有基于硅基薄膜、法布里-泊罗干涉和多模干涉原理等。这类型技术结构与信号处理相对复杂，操作也不方便。然而在实际的工程应用中，被测对象往往不是一个点，而是呈现一定空间分布的场，为了获得这一类被测对象的比较完整的信息，需要采用多点式调制的温度传感系统。目前，对于多点式的物理量测量，所能提供的多点式传感器显得笨拙或很不经济。而用于光纤的能实现多点式的温度监控与测量的主要有基于光纤光栅、拉曼散射和布里渊散射等原理的光纤温度传感器，但是这些光纤传感技术的信号解调系统都比较复杂、响应时间较慢而且价格昂贵。因此，设计用于重大工程温度监控的结构简单、价格低廉的多点式光纤温度传感系统，对于工程安全事故的控制有着重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可靠精确、实时快速的并行多点式光纤温度检测方法，可用于光纤传感以及多点温度的同时探测，测量范围大、灵敏度高。

本发明的另一目的在于提供实现该方法的并行多点式光纤温度传感器。

本发明目的可通过以下的技术措施来实现，一种并行多点式光纤温度检测方法，由宽带光源发出的光经过光纤耦合器传输入阵列波导光栅并被分成n路单波长的光；n路单波长的光再经过耦合器陈列C1～Cn之后到达光纤传感头S1～Sn，光纤传感头的光纤末端采用环氧树脂封装，在光纤末端与环氧树脂的分界面发生反射，每个光纤传感头的反射光再次经过耦合器陈列后传输入阵列光电二极管探头P1～Pn，输出的光电压正比于光纤末端与环氧树脂分界面反射的回波强度，阵列光电二极管探头P1～Pn的值输入到电路处理单元进行数据处理。

本发明方法将宽带ASE光源经过光纤耦合器后分成两路，其中一路传输入阵列波导光栅，另一路光进入光电二极管探头B作为监控测量；所述光纤耦合器的两路输出的分光比为95％～5％∶5％～95％。

本发明方法将耦合器陈列O₁～O_n中的每个耦合器分成两路输出，其中一路光纤传感头S1～Sn，另外一路传输到缠绕光纤S1～Sn被损耗掉；耦合器阵列O₁～O_n中每个耦合器的两路输出的分光比为50％∶50％。

本发明方法中，n的取值根据宽带光源的光谱范围以及阵列波导光栅的通道数确定，n的范围取2≤n≤500。

本发明还提供了一种用于实现上述方法的并行多点式光纤温度传感器，包括：宽带光源、光纤耦合器A、阵列波导光栅AWG、光纤耦合器阵列O₁～O_n、n个光纤传感探头S₁～S_n、阵列光电二极管探头P₁～P_n、传输光纤以及电路处理单元；所述宽带光源通过传输光纤与耦合器A连接；耦合器A的其中一个输出端口通过传输光纤与阵列波导光栅AWG连接、阵列波导光栅AWG中每个通道的光通过传输光纤与耦合器阵列O₁～O_n对应连接、耦合器阵列O₁～O_n中的其中一阵列输出口与相同编号的光纤传感探头S₁～S_n依次一一对应连接后输出(即O₁对应S₁、O₂对应S₂、……O_n对应S_n)；光纤传感探头S₁～S_n每路反射探测光再经耦合器阵列O₁～O_n，通过反射探测光传输光纤与阵列光电二极管探头P₁～P_n连接，阵列光电二极管探头P₁～P_n转换后的电信号输出分别与电路处理单元电气连接。测量时，光纤传感探头S₁～S_n置于待测环境中(如温控系统)。

本发明中，所述光纤传感探头由金属外壳把环氧树脂封装于垂直端面尾纤接头构成。

作为对本发明的进一步改进，在耦合器A的另一输出端口通过传输光纤连接一个光电二极管探头B，使用光电二极管探头B进行实时监控，这样可以利用相对强度的方法消除光源的不稳定性及光路中反向光对光源的影响所带来的误差，提高仪器的测量精度及其抗干扰能力；所述光纤耦合器A的两输出端口的分光比为95％～5％∶5％～95％。

作为对本发明的进一步改进，在耦合器阵列O₁～O_n中的另一阵列输出口连接有缠绕光纤S₁～S_n，缠绕光纤为单模传输光纤经螺旋缠绕而成。缠绕光纤用于损耗耦合器阵列O₁～On中_的另一阵列输出口的光，以免影响光纤传感探头的反射探测光，提高测量精度；所述耦合器阵列O₁～O_n中两个阵列输出端口的分光比为50％∶50％。

本发明中所述电路处理单元由探头P₁～P_n前置放大电路(分别与阵列光电二极管探头P₁～P_n连接)、单片微机电路和LCD显示器共同电气连接构成，探头P₁～P_n前置放大电路的输出线与单片微机电路的输入线电气连接；单片微机电路的输出线与LCD显示器的输入线电气连接。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

(1)实现了并行多点式温度测量；使用阵列波导光栅作为波长调制原件，并联多个的耦合器实现了并行多点式温度测量。

(2)采用光纤反射式相对回波强度调制测量，测量精度高。相对回波强度参量的引入有效地消除了光源的不稳定性以及传感系统内部光路分支中不同损耗引起的测量误差、降低了外界环境变化对测量带来的影响，提高了测量精度，折射率测量精度可小于1×10^-4。

(3)适用于光纤的新的温度测量技术。因为光纤是绝缘体，具有良好的远距离光传输性能，光损耗极低，传输频带非常宽，可在强电磁干扰、高温高压、原子辐射、化学腐蚀等恶劣条件下使用，结构简单、体积小、重量轻、灵敏度高。

(4)除了用于一般环境温度的监控，还可以用于特殊环境温度的监控。

(5)光纤传感探头用环氧树脂封装，能达到高分辨率的温度测量。

附图说明

图1是本发明并行多点式光纤温度传感器的结构示意图；

图2是本发明中光纤传感探头的结构示意图；

图3是本发明的光纤传感探头置于温度控制系统中进行测量的示意图；

图4是本发明的电路处理单元的连接方框图；

图5是本发明的电路处理单元的电路原理图；

图6是本发明的电路处理单元的程序流程框图；

图7是应用本发明进行温度测量的数据结果与线性拟合曲线图；

图8是应用本发明测量温度随时间变化的稳定性曲线图。

具体实施方式

本发明的工作机理是基于界面菲涅耳反射光强对材料的折射率大小变化敏感，而热光材料折射率对温度变化敏感的原理，使用阵列波导光栅作为波长调制元件并联多个的耦合器多点式的温度测量。

用宽带ASE(ASE-放大自发辐射)作为光源，发出的光经过传输光纤被耦合器分成两路，其中一路光进入光电二极管探头B作为监控测量，另外一路光经过传输光纤进入阵列波导光栅并被分成n路单波长的光；n路光经过耦合器C1～Cn之后到达光纤传感头S1～Sn，在光纤末端与环氧树脂的分界面发生反射，反射光再次经过耦合器后经传输光纤进入阵列光电二极管探头P1～Pn，输出的光电压正比于光纤末端与环氧树脂分界面反射的回波强度，而从每个耦合器另外一端出射的光进入缠绕光纤S1～Sn被损耗掉。阵列光电二极管探头P1～Pn的值输入到电路处理单元进行数据处理。由Fresnel(菲涅尔)公式可以得到所需要的折射率值。

假设宽带ASE光源发出的光的总光强为I₀，阵列波导光栅AWG各个通道的透过率为A_i(λ)，n个光电二极管的灵敏度为S_i(i＝1，2，…n)，耦合器A的分光比k、k’，n个耦合器的分光比k_i、k_i。对于第i个光纤传感探头S_i的环氧树脂的折射率n_i，由第i个阵列光电二极管探头P_i探测到的光强为

$P_i={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{S}_i{A}_{i}k{k}_i{k_i^{\′}I}_{0}f\left(\mathrm{\λ}\right){\left(\frac{n_f-n_i}{n_f+n_i}\right)}^2\mathrm{d\λ}$

$=k{k}_i{k}_i^{\′}\mathrm{\η}{I}_0{\left(\frac{n_f-n_i}{n_f+n_i}\right)}^2,---\left(1\right)$

其中 $\mathrm{\η}={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{S}_i{A}_{i}f\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}$ 。此时光电二极管探头B测得的光源监控的值为

P_ref＝k′I₀，(2)

由公式(1)和(2)可以得到相对回波强度为

$K_i\≡P_i/P_{\mathrm{ref}}=\mathrm{\ξ}{\left(\frac{n_f-n_i}{n_f+n_i}\right)}^2,---\left(3\right)$

其中 $\mathrm{\ξ}=\frac{k{k}_i{k}_i^{\′}\mathrm{\η}}{k^{\′}}.$

因为温度、振动、压力等外界因素对光纤传输和测量的可能影响，将同时引起双通道光路光强的变化。通过两个通道回波强度相除，即相对回波强度计算处理，可以大部分抵消这些影响，从而降低测量误差、提高仪器测量稳定性。测量前先将光纤传感探头S_i在标准温度中(例如室温)进行校准，得到的相对回波强度为

$K_{i0}\≡P_{i0}/P_{\mathrm{ref}0}=\mathrm{\ξ}{\left(\frac{n_f-n_{i0}}{n_f+n_{i0}}\right)}^2---\left(4\right)$

其中n_i0为环氧树脂在标准温度(例如室温)中的折射率。由(3)(4)得：

$K_i/K_{i0}={\left(\frac{n_f-n_i}{n_f+n_i}\right)}^2{\left(\frac{n_f+n_0}{n_f-n_0}\right)}^2---\left(5\right)$

通过变换公式(5)就可算得

$n_i=n_f\·\frac{K_{i0}-\mathrm{\τ}\sqrt{K_i}}{K_{i0}+\mathrm{\τ}\sqrt{K_i}},---\left(6\right)$

其中τ＝(n_f-n₀)/(n_f+n₀)。根据文献所述在波长为λ＝1550nm处，n_f＝1.44961n₀＝1.0003，因此τ＝0.1834。对于热光材料(如环氧树脂)，折射率和温度大致有一个线性关系：

$T={(\∂n/\∂T)}^{-1}{n}_i+T_0,---\left(7\right)$

最终通过(6)(7)式就可以求解出温度T_o采用较高灵敏度的光电二极管探头，就可实现对T的高精度测量和实时监控。因此，在仪器校准之后，通过测量相对光强的大小可得出环境温度的值。

下面结合附图对本发明内容做进一步的详细说明。

如图1所示，是本发明并行多点式光纤温度传感器的结构示意图，其中，1为宽带ASE光源、2为光纤耦合器A、3为光电二极管探头B、4为传输光纤、5为阵列波导光栅AWG、6为光纤耦合器阵列O₁～O_n、7为光纤传感探头S₁～S_n、8为阵列光电二极管探头P₁～P_n、9为电路处理单元，10为缠绕光纤S₁～S_n。

并行多点式光纤温度传感器由宽带ASE光源、光纤耦合器A、光电二极管探头B、光纤耦合器阵列O₁～O_n(分别用O₁、O₂、……O_n表示)、阵列波导光栅AWG、n个光纤传感探头S₁～S_n和缠绕光纤S₁～S_n(分别用S₁、S₂、……S_n表示)、阵列光电二极管探头P₁～P_n(分别用P₁、P₂、……P_n表示)、传输光纤以及电路处理单元共同连接构成，其相互连接关系为：宽带ASE光源通过传输光纤与耦合器A连接；耦合器A通过传输光纤与光电二极管探头B连接；耦合器A通过传输光纤与阵列波导光栅连接、阵列波导光栅AWG通过传输光纤与耦合器阵列O₁～O_n连接、耦合器阵列O₁～O_n的两个陈列输出端口分别与相同编号的光纤传感探头S₁～S_n和缠绕光纤S₁～S_n依次一一对应连接(即O₁对应S₁、O₂对应S₂、……O_n对应S_n)；光纤传感探头S₁～S_n每路反射探测光再经耦合器阵列O₁～O_n，通过反射探测光传输光纤与阵列光电二极管探头P₁～P_n连接，阵列光电二极管探头P₁～P_n分别与电路处理单元电气连接。测量时，光纤传感探头S₁～S_n置于待测环境中(如温控系统)。

本发明中，光纤耦合器A的两输出端口I、II的分光比为(95％～5％)∶(5％～95％)，常用95％∶5％，其中连着阵列波导光栅AWG的输出端为I端口，连着光电二极管探头的输出端为II端口；耦合器阵列O₁～O_n中的一个阵列输出口光纤传感探头S₁～S_n，另一阵列输出口连接有缠绕光纤S₁～S_n；耦合器阵列O₁～O_n中的耦合器单元采用2*2光纤耦合器，其输出端口的分光比为50％∶50％。所用的传输光纤均为普通单模光纤。光纤传感探头由金属外壳把环氧树脂封装于垂直端面PC尾纤接头构成。缠绕光纤为单模传输光纤经螺旋缠绕而成。阵列光电二极管探头P₁～P_n的光强测量灵敏度为10nW量级，具体取决于仪器的灵敏度要求，要求越高，对光电二极管探头的光强测量灵敏度的要求越高。本发明中使用光电二极管探头进行实时监控，目的是利用相对强度的方法消除光源的不稳定性及光路中反向光对光源的影响所带来的误差，提高仪器的测量精度及其抗干扰能力。

图2是图1中光纤传感探头的结构示意图，10表示垂直端面(PC)光纤尾纤接头，11表示环氧树脂，12表示金属壳，光纤传感探头由金属外壳12把环氧树脂封11装于垂直端面PC尾纤接头10构成。图1中每一个光纤传感探头S₁～S_n都是如此构成。

图3是本发明的光纤传感探头置于温度控制系统中进行测量的示意图，7表示图1中的光纤传感探头，13表示温度控制系统。测量前，把光纤传感探头(S₁～S_n)置于常温下，进行仪器校准。测量时，把光纤传感探头(S₁～S_n)置于温度控制系统中，测量结果经自动计算后，转换成待测的温度的值。

如图4所示，是本发明的电路处理单元的连接方框图。电路处理单元由光电二极管探头P₁～P_n前置放大电路(分别与阵列光电二极管探头P₁～P_n连接)、单片微机电路和LCD显示器共同电气连接构成，其相互连接关系为：探头P₁～P_n前置放大电路的输出线与单片微机电路的输入线电气连接；单片微机电路的输出线与LCD显示器的输入线电气连接。

进行处理时，光电二极管探头B和阵列光电二极管探头阵列(T₁～T_n)输出的光电流信号经过前置放大电路，然后进入到数据处理器单片微机电路中，在单片微机电路中完成数据的算术运算，得出最后结果。通过单片微机对前置放大器输出信号的检测就能确定相应光电二极管电流的变化量。测量到的温度值送LCD显示器由LCD显示模块显示。

如图5所示，是本发明的电路处理单元的电路原理图。阵列光电二极管探头P₁～P_n的前置放大电路都一样，每一个前置放大电路均主要包括一个光电二极管、一个三极管、五个电阻和三个电容。光电二极管探头P₁前置放大电路由光电二极管D1、三极管Q1、电阻R1～R5和电容C1～C3电气连接构成，所述光电二极管D2的阳极接地，阴极接电阻R3和电容C1后与电阻R4和电容C2并联，此并联电路一端接地，一端接入三极管Q1的基极，Q1的基极通过电阻R2接+5V电源，三极管Q1的发射极通过电阻R5和电容C3的并联电路后接地，+5V电源通过电阻R1接入三极管Q1的集电极，三极管Q1的集电极作为输出L1。探头T₂前置放大电路由光电二极管D2、三极管Q2、电阻R6～R10和电容C4～C6电气连接构成，其中D1与D2、Q1与Q2相同，R1与R6、R2与R7、R3与R8、R4与R9、R5与R10分别相同，C1与C4、C2与C5、C3与C6分别相同。单片微机电路由电容C7～C9、4MHz晶振电路、单片机PIC16F876U1、电阻R11～R15和按钮S1～S3电气连接构成；LCD显示器由LCD显示模块、电阻R16～R19和放大器Q3电气连接构成。

各电路之间输出、输入线的连接关系为：探头P₁前置放大电路的L1输出线和探头P₂前置放大电路的L2输出线分别与单片微机电路的L1和L2引脚相电气连接，两探测信号经过放大后送到单片微机电路进行数据处理，LCD显示器的LCD_A和LCD_E引脚分别与单片微机电路相对应的引脚相电气连接，LCD显示器的LCD_RS和LCD_DB4～LCD_DB7引脚分别与单片微机电路相对应的引脚相电气连接，按钮电路S2和S3的INT1和INT2输入线单片微机电路的引脚INT1和INT2相电气连接，最后结果送LCD显示器由LCD显示模块显示。在图中，标号相同的线互相连接。电源开关与电路板的控制电源线相电气连接。

如图6显示，是本发明的电路处理单元的程序流程框图。启动仪器后，首先初始化，探测光进入阵列光电二极管，把光纤传感探头S₁～S_n放置常温下，自动存储光功率比值K_i0，并与默认值校对。然后进行温度的测量，测得的T送入数值计算并由LCD显示器显示。

为了进一步检验本发明的可行性，特进行如下的实验：

实验1：

在实验中，应用基于菲涅耳反射的并行多点式光纤温度传感器置于温控箱中，测量了测量不同温度时相对光强的值。实验结果如图7所示。图中正三角和倒三角分别是温度上升和下降过程的测量值，实线为理论曲线，可见测量值能很好地与理论值相符合，R²值大于0.99。

实验2：

在本实验中，应用基于菲涅耳反射的并行多点式光纤温度传感器测量了温度度随时间的变化情况，以评价本发明温度测量稳定性。在图8中，是应用本发明测量温度随时间变化的稳定性曲线。实验中，每隔2分钟的时间就测量一次温度的大小，记下读数。实验结果表明，测量数据的标准偏差为±0.2℃，系统的分辨率为0.03℃。

以上描述了本发明的结构及其原理、方法。在以上示例性实施例中，应用该装置进行了不同温度的测量，实验结果表明温度测量值均与理论值吻合得很好，从而验证了该发明的实用性。本发明实用阵列波导光栅AWG和环氧树脂封装的光纤传感探头实现并行多点式温度的实时在线测量，整个系统操作简单、价格较低、灵敏度高，稳定性强，具有远程监测的能力，具有三维折射率空间分布的探测能力。

上述实施方式为本发明的较佳实施方式，但本发明并不局限于上述具体的实施方式，在本技术领域内，对本发明的变通或实质相同的等量替换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种并行多点式光纤温度检测方法，其特征在于，由宽带ASE光源发出的光经过光纤耦合器A传输入阵列波导光栅AWG并被分成n路单波长的光；n路单波长的光再经过光纤耦合器阵列O₁～O_n之后到达光纤传感探头S₁～S_n，光纤传感探头S₁～S_n的光纤末端采用环氧树脂封装，在光纤末端与环氧树脂的分界面发生反射，每个光纤传感探头的反射光再次经过光纤耦合器阵列O₁～O_n后传输入阵列光电二极管探头P1～Pn，阵列光电二极管探头P1～Pn输出的光电压正比于光纤末端与环氧树脂分界面反射的回波强度，阵列光电二极管探头P1～Pn输出的光电压值输入到电路处理单元进行数据处理。

2.根据权利要求1所述的并行多点式光纤温度检测方法，其特征在于，将宽带ASE光源经过光纤耦合器A后分成两路，其中一路传输入阵列波导光栅AWG，另一路光进入光电二极管探头B作为监控测量；所述光纤耦合器A的两路输出的分光比为95％～5％∶5％～95％。

3.根据权利要求1所述的并行多点式光纤温度检测方法，其特征在于，将光纤耦合器阵列O₁～O_n中的每个耦合器分成两路输出，其中一路传输到光纤传感探头S₁～S_n，另外一路传输到缠绕光纤S1～Sn被损耗掉；光纤耦合器阵列O₁～O_n中每个耦合器的两路输出的分光比为50％∶50％。

4.根据权利要求1所述的并行多点式光纤温度检测方法，其特征在于，n的取值根据宽带ASE光源的光谱范围以及阵列波导光栅AWG的通道数确定，n的范围取2≤n≤500。

5.一种实现如权利要求1所述方法的并行多点式光纤温度传感器，其特征在于：包括宽带ASE光源、光纤耦合器A、阵列波导光栅AWG、光纤耦合器阵列O₁～O_n、n个光纤传感探头S₁～S_n、阵列光电二极管探头P₁～P_n、传输光纤以及电路处理单元；

所述宽带ASE光源通过传输光纤与光纤耦合器A连接；光纤耦合器A的其中 一个输出端口通过传输光纤与阵列波导光栅AWG连接、阵列波导光栅AWG中每个通道的光通过传输光纤与光纤耦合器阵列O₁～O_n对应连接、光纤耦合器阵列O₁～O_n中的其中一阵列输出口与相同编号的光纤传感探头S₁～S_n依次一一对应连接后输出；光纤传感探头S₁～S_n每路反射探测光再经光纤耦合器阵列O₁～O_n，通过反射探测光传输光纤与阵列光电二极管探头P₁～P_n连接，阵列光电二极管探头P₁～P_n转换后的电信号输出分别与电路处理单元电气连接。

6.根据权利要求5所述的一种并行多点式光纤温度传感器，其特征在于：n的取值根据宽带ASE光源的光谱范围以及阵列波导光栅AWG的通道数确定，范围越宽，通道越多，n值越大，n的范围取为2≤n≤500。

7.根据权利要求5所述的一种并行多点式光纤温度传感器，其特征在于：所述光纤传感探头S₁～S_n由金属外壳把环氧树脂封装于垂直端面尾纤接头构成。

8.根据权利要求5所述的一种并行多点式光纤温度传感器，其特征在于：在光纤耦合器A的另一输出端口通过传输光纤连接一个光电二极管探头B；所述光纤耦合器A的两输出端口的分光比为95％～5％∶5％～95％。

9.根据权利要求5所述的一种并行多点式光纤温度传感器，其特征在于：在光纤耦合器阵列O₁～O_n中的另一阵列输出口连接有缠绕光纤S₁～S_n，缠绕光纤为单模传输光纤经螺旋缠绕而成；所述光纤耦合器阵列O₁～O_n中两个阵列输出口的分光比为50％∶50％。

10.根据权利要求5所述的一种并行多点式光纤温度传感器，其特征在于：所述电路处理单元包括阵列光电二极管探头P₁～P_n前置放大电路、单片微机电路和LCD显示器，阵列光电二极管探头P₁～P_n前置放大电路的输出线与单片微机电路的输入线电气连接；单片微机电路的输出线与LCD显示器的输入线电气连接。 

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