CN102680139B - 一种用于易燃易爆物品温度检测的光纤光栅温度传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于易燃易爆物品温度检测的光纤光栅温度传感系统，包括ASE宽带光源，环行器，光开关，光开关驱动装置，光纤布拉格光栅（FBG）温度传感器，全息体相位光栅，准直透镜，聚光透镜，光电探测器，控制电路，DSP电路，存储器和上位机，其中FBG温度传感器粘贴于易燃易爆物品表面，利用全息体相位光栅解调方法，解调波长漂移的信息，从而求得光纤布拉格光栅温度传感器所处的温度改变量，即易燃易爆物品所处温度的改变量，最终测得易燃易爆物品的温度。本发明灵敏度高，稳定性强，并且光纤传感器抗电磁干扰、抗震动、抗潮湿、抗腐蚀等能力很强，使得此套系统在恶劣环境中也能长期正常地使用，且光纤传感器具有质量轻、体积小等优点。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及用于一种易燃易爆物品温度检测的光纤光栅温度传感系统。
背景技术
传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一。在易燃易爆物品温度的测量中，由于一般的温度传感器在电磁干扰、高腐蚀、绝缘性以及测量范围等方面表现得都很乏力，因此研究出一种抗干扰能力强的温度传感器已经迫在眉睫。
光纤光栅是20世纪90年代发展起来的新型光电子器件，经过10多年的发展，光纤光栅的制作技术日趋成熟，系统应用不断拓展。由于光纤光栅的敏感变化参量为光的波长，与其他光纤传感器相比，它有许多独特的优势，例如：在一根光纤上可串接多个光栅传感器或在一根光纤上可以同时刻多个光栅，单独寻址；抗电磁干扰能力强；不受光源、传输线路损耗等因素所引起的对光强度变化的干扰；体积小，可以置于结构内；它的测量是绝对值，不需要校零；灵敏度高；抗潮湿、抗腐蚀能力强，可以在恶劣环境中长期使用。
光纤光栅在测量易燃易爆温度方面的专利很少，现有中国专利ZL201020003923.X“气体光谱吸收盒与温控光栅联合光纤光栅火灾报警系统”，由于其采用F-P波长解调技术，而FP腔部件需要高速移动，因此寿命有限，而且虽然多通道同时扫描，但是无法同时获取一个波段的数据；中国专利ZL201020695728.8“一种强度编码型光纤光栅温度监测报警系统”利用发射率梯度变化而发射波长相同的光纤光栅温度传感器，通过可调谐滤波器滤波扫描，监测温度的变化，但是其结构复杂、灵敏度不高，抗震性也不行；中国专利ZL200520034822.8“光纤光栅温度感应报警装置”传感光栅与参考光栅进行比较，给出温度报警信息但同样也是监测精度不高，抗震性不好。
发明内容
本发明的目的在于，克服已有的技术局限，将光纤光栅传感器引入温度测量领域，提供了一种用于易燃易爆物品温度检测的光纤光栅温度传感系统的方案，该系统具有滤波带宽宽、信噪比高、信道串扰小、寿命长、检测精度高、灵敏度高，不受电磁干扰，电气绝缘好，耐腐蚀，无电火花、抗震性好的特点，而且对于同一个通道上所有光谱能够同时获得。
本发明采用的技术方案：一种用于易燃易爆物品温度检测的光纤光栅温度传感系统，包括光纤布拉格光栅温度传感器，光纤环行器，ASE宽带光源，光开关，光开关驱动装置，准直透镜，全息体相位光栅，聚光透镜，光电探测器，控制电路，DSP电路，存储器和上位机，其中光纤布拉格光栅温度传感器粘贴于易燃易爆物品表面，ASE宽带光源的3dB带宽为40nm；ASE宽带光源与光纤环形器的A端口相连接；光纤环形器B端口经光开关与光纤布拉格光栅温度传感器相连，光开关由光开关驱动装置控制，光纤环形器的C端口与准直透镜相连接；ASE宽带光源输出的光通过光纤环形器，从光纤环形器的A端口进B端口出，经光开关到达光纤布拉格光栅温度传感器，符合光纤布拉格光栅温度传感器光栅中心波长的光被光纤布拉格光栅温度传感器反射后，又从C端口返回光纤环形器，从光纤环形器B端口输出，进入准直透镜，光信号经准直透镜准直后进入全息体相位光栅，由于多波长的光会产生衍射色散，进入全息体相位光栅的不同波长的光被全息体相位光栅分开并形成衍射带，这些衍射带最后通过聚光透镜聚焦照射在光电探测器的不同位置上，这时不同波长的光信号被光电探测器探测并被转换成电信号，电信号依次经过控制电路，DSP电路，存储器，上位机，并由上位机输出。
其中光纤布拉格光栅温度传感器通过胶带粘贴在易燃易爆物品表面，通过光纤布拉格光栅温度传感器测量易燃易爆物品所处的温度改变量。
所述ASE宽带光源，中心波长为1550nm，3dB带宽为40nm。
所述光纤环形器回波损耗大于等于50dB。
所述的光电探测器为半导体InGaAs PIN型光电二极管。
本发明与传统的温度传感器相比优点在于：
1、本发明光纤光栅传感器粘贴于易燃易爆物品表面，直接测量易燃易爆物品由于其温度变化而产生的中心波长漂移，省略了复杂的机械传动机构，从结构上提高了精度以及灵敏度。
2、本发明由于用光纤传感器代替了金属的机械传动机构，提高了传感器的抗震性能和抗电磁干扰性能，适用于易燃易爆物品所处的的复杂环境。
3、本发明在波分复用的基础上，利用光开关时分复用技术构建光纤光栅传感网络，实现对易燃易爆物品各个关键位置点实时的温度测量。
附图说明
图1是一种用于易燃易爆物品温度检测的光纤光栅温度传感系统的原理框图；
图中标号：光纤布拉格光栅（FBG）温度传感器1，光纤环形器2，宽带光源3，光开关4，光开关驱动装置5，准直透镜6，全息体相位光栅（Volume Phase Holographic Grating，VPHG）7，聚光透镜8，光电探测器9，控制电路10，DSP电路11，存储器12，上位机13。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当采用已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
如图1所示，本发明一种用于易燃易爆物品温度检测的光纤光栅温度传感系统包括：光纤布拉格光栅（FBG）温度传感器1，光纤环形器2，宽带光源3，光开关4，光开关驱动装置5，准直透镜6，全息体相位光栅（Volume Phase Holographic Grating，VPHG）7，聚光透镜8，光电探测器9，控制电路10，DSP电路11，存储器12和上位机13；其中FBG温度传感器1由胶带粘贴在易燃易爆物品关键位置。宽带光源3为ASE（放大自发辐射）宽带光源，3dB带宽为40nm；ASE宽带光源发出的光与环形器2的A端口相连接；光纤环形器2的B端口通过光开关4与FBG温度传感器1相连，光纤环形器2的C端口与准直透镜6相连接，光开关4由光开关驱动装置5控制；ASE宽带光源输出的光通过光纤环形器2，从光纤环形器2的A端口进B端口出，经光开关4到达FBG温度传感器1，符合FBG温度传感器1光栅中心波长的光被FBG温度传感器1反射后，又从B端口返回光纤环形器2，返回的光从C端口输出，进入准直透镜6，并照射在全息体相位光栅7上，多波长的光产生衍射色散，不同波长的光被全息体相位光栅7分开并形成衍射带，这些衍射带最后通过聚光透镜8聚焦照射在光电探测器9的不同位置上，光电探测器9可选为半导体铟砷化镓（InGaAs）PIN光电二极管，这时不同波长的光信号被探测并被转换成电信号，电信号依次经过控制电路10，DSP电路11，存储器12，上位机13输出。控制电路10的功能是控制光电转化器输入的光信号，DSP电路11的功能是数字信号处理，存储器12的功能是存储信号数据，上位机13的功能是输出显示。
ASE宽带光源是以掺杂光纤中增益介质超荧光谱为基础的光源，它的激励源完全来自于受激原子的自发辐射，虽然光纤放大器中没有谐振腔镜，这些自发辐射不能形成激光束，但是，如果发生在光纤中的自发辐射能沿光纤传导，自发辐射就能被放大，就产生一种背景噪声，成为放大自发辐射，从而形成ASE光源。它有着易于和光栅传感系统耦合、温度稳定性好、3dB带宽比较宽、模式好等一系列优点。本发明所用的ASE宽带光源在光谱范围内平坦性好，3dB带宽为40nm。
光电探测器9将光信号转化为电信号，是整个系统性能高低的关键之一。本实施例所述的传感系统，光信号从宽带光源3经过一系列光纤通路、器件、接口后，光功率损耗比较大，入射到光电探测器9的光功率通常很低；本实施例又要求高频高精度的光电转化。本实施例中用半导体InGaAs PIN光电二极管进行光电转化，它具有偏置电压低、频率响应高、光谱响应宽、光电转换效率高，稳定性好、噪声小等优点。
电处理单元也即控制电路10，DSP电路11，存储器12及上位机13，将光电转化后的模拟电信号转化为数字电信号，数字化的电信号进入上位机13进行运算分析处理。
FBG温度传感器1光纤光栅反射中心波长与温度和应变的关系为：Δλ/λ0＝(α0+ξ0)ΔT+(1-Pe)Δε，其中：Δλ是中心波长漂移量，λ0是中心波长，α0是FBG的热膨胀系数，ξ0是FBG的热光系数，ΔT是温度改变量，Pe是光纤的有效光弹系数，Δε是应变变化量。对于这种FBG温度传感器而言，光纤光栅传感器的中心波长改变只与其温度改变量有关，公式可简化为：Δλ＝λ0(α0+ξ0)ΔT。
易燃易爆物品温度的改变会引起粘贴在其上面的FBG温度传感器1中心反射波长发生改变。从上面的公式可以看出，FBG温度传感器1光纤光栅温度改变量与中心波长的变化量可以看作简单的线性关系。
本发明采用透射式全息体相位光栅进行解调，FBG温度传感器1是一个温度传感器，它粘贴于易燃易爆物品的关键位置，传感光纤光栅的波长变化区间能够覆盖易燃易爆物品发生危险时使因温度升高而导致的FBG温度传感器1的中心波长变化范围。在全息体相位光栅结构中，由于没有任何活动部件，确保了稳定性和长期工作的可靠性；半导体InGaAs PIN光电二极管能够同时测量，无需扫描，从而确保了采样的高速性和信号的同时性；由于是内部校准，不需要外部的波长参考光路。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (2)
1.一种用于易燃易爆物品温度检测的光纤光栅温度传感系统，其特征在于：包括光纤布拉格光栅温度传感器（1），光纤环形器（2），ASE宽带光源（3），光开关（4），光开关驱动装置（5），准直透镜（6），全息体相位光栅（7），聚光透镜（8），光电探测器（9），控制电路（10），DSP电路（11），存储器（12）和上位机（13），其中光纤布拉格光栅温度传感器（1）粘贴于易燃易爆物品表面，ASE宽带光源（3）的3dB带宽为40nm；ASE宽带光源（3）与光纤环形器（2）的A端口相连接；光纤环形器（2）B端口经光开关（4）与光纤布拉格光栅温度传感器（1）相连，光开关（4）由光开关驱动装置（5）控制，光纤环形器（2）的C端口与准直透镜（6）相连接；ASE宽带光源（3）输出的光通过光纤环形器，从光纤环形器的A端口进B端口出，经光开关到达光纤布拉格光栅温度传感器（1），符合光纤布拉格光栅温度传感器（1）光栅中心波长的光被光纤布拉格光栅温度传感器（1）反射后，又从B端口返回光纤环形器（2），从光纤环形器（2）C端口输出，进入准直透镜（6），光信号经准直透镜（6）准直后进入全息体相位光栅（7），由于多波长的光会产生衍射色散，进入全息体相位光栅（7）的不同波长的光被全息体相位光栅（7）分开并形成衍射带，这些衍射带最后通过聚光透镜（8）聚焦照射在光电探测器（9）的不同位置上，这时不同波长的光信号被光电探测器（9）探测并被转换成电信号，电信号依次经过控制电路（10），DSP电路（11），存储器（12），上位机（13），并由上位机（13）输出；
其中光纤布拉格光栅温度传感器（1）通过胶带粘贴在易燃易爆物品表面，通过光纤布拉格光栅温度传感器（1）测量易燃易爆物品所处的温度改变量；
所述ASE宽带光源（3），中心波长为1550nm，3dB带宽为40nm；
采用透射式全息体相位光栅进行解调，光纤布拉格光栅温度传感器（1）是一个温度传感器，它粘贴于易燃易爆物品的关键位置，传感光纤光栅的波长变化区间能够覆盖易燃易爆物品发生危险时使因温度升高而导致的光纤布拉格光栅温度传感器（1）的中心波长变化范围，在全息体相位光栅结构中，由于没有任何活动部件，确保了稳定性和长期工作的可靠性；光电探测器（9）采用半导体InGaAs PIN光电二极管，该半导体InGaAs PIN光电二极管能够同时测量，无需扫描，从而确保了采样的高速性和信号的同时性；由于是内部校准，不需要外部的波长参考光路。
2.根据权利要求1所述的一种用于易燃易爆物品温度检测光纤光栅温度传感系统，其特征在于：所述光纤环形器（2）回波损耗大于等于50dB。
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