CN102706476A - 基于赛格奈克光纤干涉仪的高精度快速温度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于赛格奈克光纤干涉仪的高精度快速温度测量方法，其温度敏感器件为集成电光相位调制器，系统结构为赛格奈克光纤干涉仪，将集成电光相位调制器置于光纤干涉仪中用于相位调制，通过控制处理电路系统为集成电光相位调制器提供特定的调制波形，测量赛格奈克光纤干涉仪的响应，在干涉仪输出满足不变的情况下记下此时的调制波形幅度，通过预先标定的公式进行计算，即可得到测量温度值。本发明测量速度快，测量绝对精度可达0.01度，分辨率可达0.001度，而且线性度较好，能够应用于需要高精度温度快速测量的场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于赛格奈克光纤干涉仪的高精度快速温度测量方法。
背景技术
目前，测量温度的主要方法是利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性，通过实时测得热敏电阻的阻值大小来计算出温度的值；由于热敏电阻的阻值随温度变化的函数关系为指数关系，在所测量的范围内线性度较差，这种方法测量得到的温度的线性度也较差，同时测量结果的精度较低，反应较慢。
集成电光相位调制器是赛格奈克光纤干涉仪的核心器件，在调制电极上加载一定的电压可以使传播通过的光波产生相应的相位变化。当传播通过的光波产生 相位变化时，加载在调制电极上的电压称为半波电压。经过研究发现，半波电压随环境温度的变化呈现出一次线性关系，并具有很好的线性度。
集成电光相位调制器应用于实际系统中，需要实时测量出其半波电压值，并在此基础上控制所加载的调制信号波形，从而得到所需要的光相位变化，实现系统的测试功能；基于不同结构的赛格奈克光纤干涉仪，测量半波电压所需要的时间周期一般均小于1毫秒。
在集成电光相位调制器的应用中，均是直接利用其相位调制的特性，尚未使用其作为温度传感部件，如果根据实际的温度与半波电压的变化关系，通过在系统中实时测量其半波电压的值，则可以间接计算出实时的温度值。
发明内容
本发明的目的是针对目前温度测量方法的精度不高和线性度不好的问题，提供一种基于赛格奈克光纤干涉仪的高精度快速温度测量方法。
基于赛格奈克光纤干涉仪的高精度快速温度测量方法，采用基于赛格奈克光纤干涉仪的高精度快速温度测量系统，测量方法的步骤如下：
(1)采用集成电光相位调制器作为温度传感头，并将其作为赛格奈克光纤干涉仪的调制器，对干涉仪中传播的光进行相位调制；
(2)在Tmin≤T≤Tmax的范围内，其中T为实时温度，Tmin为可测量的最低温度，Tmax为可测量的最高温度，以Tstep为温度变化步长选定温度点序列为T1,T2,T3…Tn，用温箱控制集成电光相位调制器的温度为T1，测量集成电光相位调制器的半波电压值并记录下来，在其他温度点进行同样的工作，可依次得到半波电压序列为V1,V2,V3…Vn；测量完成之后对半波电压序列V1,V2,V3…Vn和温度点序列T1,T2,T3…Tn采用最小二乘法进行线性拟合，从而确定一次系数a和常数项b，得到温度与半波电压的关系表达式T=a×Vπ+b；
(3) 通过控制处理电路和调制信号输出模块为集成电光相位调制器提供特定波形的调制信号，测量光电探测器的响应，在信号采集模块测量其输出满足不变的情况下记录此时的调制信号幅度，即为实时测得的半波电压Vπ，通过预标定的公式T=a×Vπ+b进行计算，可得到测量温度T；
基于赛格奈克光纤干涉仪的高精度快速温度测量系统包括SLD光源、耦合器、集成电光相位调制器、光纤环、光电探测器、信号采集模块、控制处理电路和调制信号输出模块；SLD光源、耦合器、集成电光相位调制器、光纤环顺次相连，耦合器、光电探测器、信号采集模块、控制处理电路、调制信号输出模块和集成电光相位调制器顺次相连。
所述的集成电光相位调制器为Y型结构的集成光路器件。
本发明实现对于温度的高精度快速测量，功能稳定可靠，能够应用于需要高精度温度快速测量的场合。实时测量半波电压所需要的时间周期因所使用的赛格奈克光纤干涉仪结构的不同而有所差别，一般均小于1毫秒；由系统特性可知，经过多次累加平均求得的温度绝对精度可以达到0.01度，分辨率可达0.001度；同时由于半波电压随温度变化的线性度较好，本发明对温度的测量具有较好的线性度。
附图说明
图1是基于赛格奈克光纤干涉仪的高精度快速温度测量系统的结构框图；
图2是集成电光相位调制器半波电压随温度变化的示意图；
图3是温度与集成电光相位调制器半波电压的关系的示意图；
图中：SLD光源1、耦合器2、集成电光相位调制器3、光纤环4、光电探测器5、信号采集模块6、控制处理电路7、调制信号输出模块8。
具体实施方式
集成电光相位调制器的半波电压随温度的变化而变化，即Vπ=f（T），若采用最小二乘法进行线性拟合可以得到其近似表达式如下：
Vπ= m×T+n （1）
其中，Vπ是半波电压，m为半波电压与温度之间的转换系数，量纲为V/℃；n为常数，量纲为V；具体曲线如图2所示。
以上的表达式接近于实际半波电压与温度的关系，具有较高的吻合度，其变换形式，即温度与半波电压的关系式为
T=a×Vπ+b （2）
其中，a为温度与半波电压之间的转换系数，量纲为℃/V；b为常数，量纲为℃；具体曲线如图3所示。
本发明使用上述表达式，通过测量系统测得实时半波电压的值计算出实时的温度值。
基于赛格奈克光纤干涉仪的高精度快速温度测量方法，采用基于赛格奈克光纤干涉仪的高精度快速温度测量系统，测量方法的步骤如下：
(1)采用集成电光相位调制器3作为温度传感头，并将其作为赛格奈克光纤干涉仪的调制器，对干涉仪中传播的光进行相位调制；
(2)在Tmin≤T≤Tmax的范围内，其中T为实时温度，Tmin为可测量的最低温度，Tmax为可测量的最高温度，以Tstep为温度变化步长选定温度点序列为T1,T2,T3…Tn，用温箱控制集成电光相位调制器3的温度为T1，测量集成电光相位调制器3的半波电压值并记录下来，在其他温度点进行同样的工作，可依次得到半波电压序列为V1,V2,V3…Vn；测量完成之后对半波电压序列V1,V2,V3…Vn和温度点序列T1,T2,T3…Tn采用最小二乘法进行线性拟合，从而确定一次系数a和常数项b，得到温度与半波电压的关系表达式T=a×Vπ+b；
(3) 通过控制处理电路7和调制信号输出模块8为集成电光相位调制器3提供特定波形的调制信号，测量光电探测器5的响应，在信号采集模块6测量其输出满足不变的情况下记录此时的调制信号幅度，即为实时测得的半波电压Vπ，通过预标定的公式T=a×Vπ+b进行计算，可得到测量温度T；
下面结合附图和实例对本发明进一步说明：
如图1所示，基于赛格奈克光纤干涉仪的高精度快速温度测量系统包括SLD光源1、耦合器2、集成电光相位调制器3、光纤环4、光电探测器5、信号采集模块6、控制处理电路7和调制信号输出模块8；SLD光源1、耦合器2、集成电光相位调制器3、光纤环4顺次相连，耦合器2、光电探测器5、信号采集模块6、控制处理电路7和调制信号输出模块8、集成电光相位调制器3顺次相连。
所述的集成电光相位调制器3为Y型结构的集成光路器件。
系统的基本工作原理如下：SLD光源1产生光波，沿光路传播经过耦合器2，到达集成电光相位调制器3，被Y型结构平均分为两束光波，分别沿着光纤环4进行顺时针和逆时针传播，然后在集成电光相位调制器3处发生干涉，继续传播经过耦合器2，到达光电探测器5的输入端；光电探测器5的输出响应被信号采集模块6测量，经过控制处理电路7的运算和控制，通过调制信号输出模块8输出特定的调制信号，加载到集成电光相位调制器3上，对传播通过的光波产生特定的相位调制。
首先，选用一个集成电光相位调制器，测试其半波电压与温度的变化关系特性，假定其应用环境的温度范围是-50℃≤t≤100℃，以Tstep=1℃为步长选定温度点序列为-50℃，-49℃，-48℃…100℃，用温箱对集成电光相位调制器进行温度控制使其温度为-50℃，测量出对应的半波电压值并记录下来，在其他温度点进行同样的工作，可依次得到半波电压序列为3.455V，3.452V，3.449V…3.021V；测量完成之后对3.455V，3.452V，3.449V…3.021V和-50℃，-49℃，-48℃…100℃两个序列采用最小二乘法进行线性拟合，从而确定系数a=-344.83和b=1141.38，得到半波电压与温度的关系表达式T =-344.83×Vπ+1141.38。
应用本发明进行温度测量时，通过系统实时测量的半波电压值即可计算出实时的温度值。
Claims (2)
1.一种基于赛格奈克光纤干涉仪的高精度快速温度测量方法，采用基于赛格奈克光纤干涉仪的高精度快速温度测量系统，其特征在于它的步骤如下：
(1) 采用集成电光相位调制器（3）作为温度传感头，并将其作为赛格奈克光纤干涉仪的调制器，对干涉仪中传播的光进行相位调制；
(2)在Tmin≤T≤Tmax的范围内，其中T为实时温度，Tmin为可测量的最低温度，Tmax为可测量的最高温度，以Tstep为温度变化步长选定温度点序列为T1,T2,T3…Tn，用温箱控制集成电光相位调制器（3）的温度为T1，测量集成电光相位调制器（3）的半波电压值并记录下来，在其他温度点进行同样的工作，可依次得到半波电压序列为V1,V2,V3…Vn；测量完成之后对半波电压序列V1,V2,V3…Vn和温度点序列T1,T2,T3…Tn采用最小二乘法进行线性拟合，从而确定一次系数a和常数项b，得到温度与半波电压的关系表达式T=a×Vπ+b；
(3) 通过控制处理电路（7）和调制信号输出模块（8）为集成电光相位调制器（3）提供特定波形的调制信号，测量光电探测器（5）的响应，在信号采集模块（6）测量其输出满足不变的情况下记录此时的调制信号幅度，即为实时测得的半波电压Vπ，通过预标定的公式T=a×Vπ+b进行计算，可得到测量温度T；
基于赛格奈克光纤干涉仪的高精度快速温度测量系统包括SLD光源（1）、耦合器（2）、集成电光相位调制器（3）、光纤环（4）、光电探测器（5）、信号采集模块（6）、控制处理电路（7）和调制信号输出模块（8）；SLD光源（1）、耦合器（2）、集成电光相位调制器（3）、光纤环（4）顺次相连，耦合（2）、光电探测器（5）、信号采集模块（6）、控制处理电路（7）、调制信号输出模块（8）和集成电光相位调制器（3）顺次相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于赛格奈克光纤干涉仪的高精度快速温度测量方法，其特征在于：所述的集成电光相位调制器（3）为Y型结构的集成光路器件。
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