CN102901582A - 基于光纤辐射致衰减温度特性的多点测量温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤辐射致衰减温度特性的多点测量温度传感器，包括光源、光分路器、N条参考光路通道、N条测量通道、敏感光纤传感头、双通道光功率计、计算机；还在每个测量通道和光功率计之间嵌入一个光开关，通过控制光开关在各个测量通道间切换，以实现传感器的时分复用，简化使用时，将N条参考光路通道变为一条参考光路通道，本发明将不同测量通道的敏感光纤传感头放在不同温度环境中，实现温度的分布式测量，能够同时监测被测系统的多个测量点的温度变化，并且可以准确地分辨出每一个测量点的温度。

Description

基于光纤辐射致衰减温度特性的多点测量温度传感器

技术领域

本发明涉及一种基于光纤辐射致衰减温度特性的多点测量温度传感器，属于光纤传感器技术领域。

背景技术

温度场的分布测量在现代工业系统和工程应用中占有重要地位。典型的分布式光纤温度传感器，能够在整个连续的光纤长度上以连续函数形式测量出光纤长度变化上各点的温度值。目前光纤布拉格光栅（FBG）温度传感器是现在应用最广泛的分布式温度传感器之一。

光纤布拉格光栅温度传感器是通过精密工艺在光纤中进行雕刻，使光纤内的折射率成周期性分布，形成光纤布拉格光栅（FBG）。当外界因素变化时，光纤光栅的有效折射率和光栅常数会发生变化，从而导致FBG特征波长的变化，因此光纤光栅温度传感器是利用布拉格波长对温度的敏感特性而制成的一种光纤传感器。但光纤布拉格光栅温度传感器采用波长调制，导致解调系统复杂，以及容易引起温度-应力交叉感应的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的光纤温度传感器存在的制造工艺较复杂、信号解调系统辐照、测量的稳定性较差等技术问题，提出一种基于光纤辐射致衰减温度特性的多点测量温度传感器。通过采用基于光纤辐射致衰减温度特性的多点测量温度传感器能够同时监测被测系统的多个测量点的温度变化，并且可以准确地分辨出每一个测量点的温度。并在此基础上可以通过控制光开关在各个测量光路间切换以实现传感器的时分复用。

基于光纤辐射致衰减温度特性的多点测量温度传感器，包括光源、光分路器、N条参考光路通道、N条测量通道、敏感光纤传感头、双通道光功率计、计算机；

光源发出光信号，光信号输入至光分路器，光分路器将光信号进行分光，分成强度相等的2N束，其中N束光依次输入至N条参考光路通道，N束光依次输入至N条测量通道，参考光路通道采用通信光纤，每个测量通道包括通信光纤和敏感光纤传感头，敏感光纤传感头由经过辐射处理的敏感光纤和用于缠绕、固定敏感光纤的金属装置组成，敏感光纤传感头两端用通信光纤熔接。一条参考光路通道和一条测量通道作为一个测试组，一个测试组内，测量通道和参考光路通道的长度相同，经过的空间位置一致，在测量通道内的敏感光纤传感头处，参考通道的通信光纤从旁路通过，一个测试组中两束光分别输入至双通道光功率计的两个通道内，每个双通道光功率计获取一个测试组的测量通道内测量光路和参考光路通道内参考光路的输出光功率，双通道光功率计与计算机连接，双通道光功率计将其采集到的输出光功率输出至计算机，计算机对输出光功率进行采集、存储、处理和显示，将处理的结果以温度的形式显示出来。

基于光纤辐射致衰减温度特性的多点测量温度传感器，包括光源、光分路器、1条参考光路通道、N条测量通道、敏感光纤传感头、双通道光功率计、计算机；

光源发出光信号，光信号输入至光分路器，光分路器将光信号进行分光，分成强度相等的N+1束，其中1束光输入至1条参考光路通道，N束光依次输入至N条测量通道，参考光路通道采用通信光纤，包括通信光纤和敏感光纤传感头，敏感光纤传感头由经过辐射处理的敏感光纤和用于缠绕、固定敏感光纤的金属装置组成，敏感光纤传感头两端用通信光纤熔接。N条测量通道和1条参考光路通道分别输入至双通道光功率计的通道内，双通道光功率计获取测量通道内测量光路和参考光路通道内参考光路的输出光功率，双通道光功率计与计算机连接，双通道光功率计将其采集到的输出光功率输出至计算机，计算机对输出光功率进行采集、存储、处理和显示，将处理的结果以温度的形式显示出来。

本发明的优点在于：

（1）能够同时监测被测系统的多个测量点的温度变化，并且可以准确地分辨出每一个测量点的温度；

（2）可以通过控制光开关在各个测量光路间切换以实现传感器的时分复用；

（3）本发明是利用辐射导致的光纤中色心对光吸收的温度敏感性进行传感，而色心光吸收本质上不受应力等其他因素影响，具有很强的抗干扰能力；

（4）可以通过增加辐射剂量和光纤长度等方法使光纤中的色心数目增加，进而实现高精度。

附图说明

图1是本发明第一种方案的结构示意图；

图2是本发明敏感光纤传感头的制作过程示意图；

图3是本发明第二种方案的结构示意图；

图4是本发明第三种方案的结构示意图。

图中：

1—光源            2—光分路器            3—测量通道

4—敏感光纤传感头  5—双通道光功率计      6—计算机

7—参考光路通道    8—光开关

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于光纤辐射致衰减温度特性的多点测量温度传感器，第一种方案如图1所示，包括用于提供光信号的光源1、用于分光的光分路器2、N条参考光路通道7、N条测量通道3、敏感光纤传感头4、用于测量光路输出光功率的双通道光功率计5、用于数据采集和处理的计算机6，测量通道3由经过辐射处理过的敏感光纤和通信光纤组成，用于感应温度的变化。

光源1发出光信号，光信号输入至光分路器2，光分路器2将光信号进行分光，分成强度相等的2N束，其中N束光依次输入至N条参考光路通道7，N束光依次输入至N条测量通道3，参考光路通道7采用通信光纤，每个测量通道3包括通信光纤和敏感光纤传感头4，敏感光纤传感头4由经过辐射处理的敏感光纤和用于缠绕、固定敏感光纤的金属装置组成敏感光纤传感头4两端用通信光纤熔接。一条参考光路通道7和一条测量通道3作为一个测试组，一个测试组内，测量通道3和参考光路通道7的长度相同，经过的空间位置一致，在测量通道3内的敏感光纤传感头4处，参考通道7的通信光纤从旁路通过，一个测试组中两束光分别输入至双通道光功率计5的两个通道内，每个双通道光功率计5获取一个测试组的测量通道3内测量光路和参考光路通道7内参考光路的输出光功率，双通道光功率计5与计算机6通过GPIB接口连接，双通道光功率计5将其采集到的输出光功率输出至计算机6，计算机6对输出光功率进行采集、存储、处理和显示，将处理的结果以温度的形式显示出来。

将不同测量通道3的敏感光纤传感头4放在不同的温度环境中，实现温度的分布式测量。

所述的光源1采用超辐射发光二极管（SLD）光源；

所述的N条参考光路通道7采用普通的通信光纤作为光信号的传输媒介；

所述的测量通道3由普通单模通信光纤和用于温度传感的传感头组成。其中敏感光纤传感头4是由经过辐射处理的敏感光纤和用于缠绕、固定敏感光纤的金属装置组成，通信光纤和用于温度传感的传感头的敏感光纤之间采用熔接方式耦合。

本发明采用旁路光纤监测法以消除测量环境所引起的误差，如图1所示，例如在第一个测试组中，第一条参考光路通道7的光纤和第一条测试通道3的信号传输光纤的长度相同，经过的空间位置也一致，以确保受到相同的环境影响，只是在敏感光纤传感头4处，第一条参考通道7的光纤从旁路通过，不受被测量调制。第一条参考光路通道7输出的光束连接双通道光功率计5的一个通道，第一条测试通道3输出的光束连接双通道光功率计5的另一通道。

如图2所示，是敏感光纤传感头4中敏感光纤的制作过程，首先选取所需的光纤原材料与长度；其次，对选取的光纤原材料进行定量辐照处理，辐照剂量要根据需要的温度感应度而定；第三，把进行辐照处理过的光纤在常温中放置一段时间（一周左右）后，对光纤进行高温退火处理，高温退火的目的是退去在测量温度范围内不稳定的色心，消除其他不稳定色心光吸收对测量的影响。

第二种方案如图3所示，在每个测量通道3和光功率计5之间嵌入一个光开关8，通过控制光开关8可以在各个测量通道3间切换以实现传感器的时分复用。光源1发出的光经过光分路器2分成强度相等的2N束；且每两束光作为一组测试组，其中一束光通过参考光路通道7连接到双1×1光开关8的一端，光开关8另一端连接光功率计5的一个通道，另一束光通过测量通道3中的敏感光纤传感头4连接到双1×1光开关8的一端，光开关8另一端连接光功率计5的另一通道；当光开关8闭合时，多通道光功率计5把采集到的光功率传送给数据采集和处理系统6进行处理，并将处理的结果以温度的形式显示出来。

由于光源1、光功率计5、光开关8等引起的光强变化是这类传感器误差的主要来源，因此在每条测试光路3都有对应的一条参考通道以减小测量误差，提高长期稳定性。但是一般测量通道的环境不会有太大的差异，只需考虑补偿光源，因此可以采用图4所示的简化测量电路，将N条参考光路通道7变为一条参考光路通道7，即光分路器2将光分成强度相等的N+1束，其中N束分别输出至N条测量通道3，其中1束输出至参考光路通道7，参考光路通道7连接双通道光功率计5的一个通道，N条测量通道3分别通过光开关8连接双通道光功率计5的其他通道。

本发明的工作原理：

下面选取第一个测试组进行原理说明。

设光分路器2的单路输出功率为P₀(T)，由于光纤跳线（<10m）的损耗可以忽略不计，因此，第一条参考光路通道7的光功率当温度T（单位：℃）变化时，敏感光纤传感头4的辐射导致的衰减A(T)会发生变化，导致第一条测试通道3的输出功率记为P2(T)会随温度的变化而变化。则敏感光纤传感头4的敏感光纤的衰减A(T)计算公式为：

$A\left(T\right)=10\lg \frac{P_2\left(T\right)}{P_1\left(T\right)}$

但是，为了更好的理解光纤辐射致衰减随温度的变化曲线，本发明以25℃的光纤衰减为基准，将温度T时刻的衰减A(T)进行归一化，归一化的光纤衰减计算公式为：

$A\left(T\right)=-10\lg \frac{P_2\left(T\right)}{P_2\left(25\right)}\frac{P_1\left(25\right)}{P_1\left(T\right)}$

其中，P₁(25)和P₂(25)分别为温度在25℃时，第一条参考光路通道7和第一条测试通道3的光功率。最后根据测试前获得的光纤辐射致衰减与温度T的关系：

$T=f\left(A\left(T\right)\right)=\underset{0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{k}_n\&CenterDot;A^n\left(T\right)$

将光纤衰减转化相应的温度值T。其中n为多项式拟合阶数，k_n为第n阶拟合系数。

本发明提出了一种采用基于光纤辐射致衰减温度特性的多点测量温度传感器能够同时监测被测系统的多个测量点的温度变化，并且可以准确地分辨出每一个测量点的温度。并在此基础上通过控制光开关在各个测量光路间切换以实现传感器的时分复用。该传感器利用辐照后光纤的温度特性进行温度传感，传感头与传导光纤之间可实现最优的匹配和耦合，损耗稳定而且很小提高了传感的稳定性。

Claims (10)

1.基于光纤辐射致衰减温度特性的多点测量温度传感器，其特征在于，包括光源、光分路器、N条参考光路通道、N条测量通道、敏感光纤传感头、双通道光功率计、计算机；

光源发出光信号，光信号输入至光分路器，光分路器将光信号进行分光，分成强度相等的2N束，其中N束光依次输入至N条参考光路通道，N束光依次输入至N条测量通道，参考光路通道采用通信光纤，每个测量通道包括通信光纤和敏感光纤传感头，敏感光纤传感头由经过辐射处理的敏感光纤和用于缠绕、固定敏感光纤的金属装置组成，敏感光纤传感头两端用通信光纤熔接；一条参考光路通道和一条测量通道作为一个测试组，一个测试组内，测量通道和参考光路通道的长度相同，经过的空间位置一致，在测量通道内的敏感光纤传感头处，参考通道的通信光纤从旁路通过，一个测试组中两束光分别输入至双通道光功率计的两个通道内，每个双通道光功率计获取一个测试组的测量通道内测量光路和参考光路通道内参考光路的输出光功率，双通道光功率计与计算机连接，双通道光功率计将其采集到的输出光功率输出至计算机，计算机对输出光功率进行采集、存储、处理和显示，将处理的结果以温度的形式显示出来。

2.根据权利要求1所述的基于光纤辐射致衰减温度特性的多点测量温度传感器，其特征在于，在每个测量通道和光功率计之间嵌入一个光开关，通过控制光开关在各个测量通道间切换，以实现传感器的时分复用。

3.根据权利要求1或者2所述的基于光纤辐射致衰减温度特性的多点测量温度传感器，其特征在于，将不同测量通道的敏感光纤传感头放在不同温度环境中，实现温度的分布式测量。

4.根据权利要求1或者2所述的基于光纤辐射致衰减温度特性的多点测量温度传感器，其特征在于，所述的测量通道中，通信光纤和敏感光纤传感头内的敏感光纤采用熔接方式耦合。

5.根据权利要求1或者2所述的基于光纤辐射致衰减温度特性的多点测量温度传感器，其特征在于，所述的敏感光纤的制作方法为，选取所需的光纤作为原材料，对选取的光纤原材料进行定量辐照处理，对辐照后的光纤进行预定时间的高温退火处理，制得所需敏感光纤。

6.基于光纤辐射致衰减温度特性的多点测量温度传感器，其特征在于，包括光源、光分路器、1条参考光路通道、N条测量通道、敏感光纤传感头、双通道光功率计、计算机；

光源发出光信号，光信号输入至光分路器，光分路器将光信号进行分光，分成强度相等的N+1束，其中1束光输入至1条参考光路通道，N束光依次输入至N条测量通道，参考光路通道采用通信光纤，包括通信光纤和敏感光纤传感头，敏感光纤传感头由经过辐射处理的敏感光纤和用于缠绕、固定敏感光纤的金属装置组成，敏感光纤传感头两端用通信光纤熔接；N条测量通道和1条参考光路通道分别输入至双通道光功率计的通道内，双通道光功率计获取测量通道内测量光路和参考光路通道内参考光路的输出光功率，双通道光功率计与计算机连接，双通道光功率计将其采集到的输出光功率输出至计算机，计算机对输出光功率进行采集、存储、处理和显示，将处理的结果以温度的形式显示出来。

7.根据权利要求6所述的基于光纤辐射致衰减温度特性的多点测量温度传感器，其特征在于，在每个测量通道和光功率计之间嵌入一个光开关，通过控制光开关在各个测量通道间切换，以实现传感器的时分复用。

8.根据权利要求6或者7所述的基于光纤辐射致衰减温度特性的多点测量温度传感器，其特征在于，将不同测量通道的敏感光纤传感头放在不同温度环境中，实现温度的分布式测量。

9.根据权利要求6或者7所述的基于光纤辐射致衰减温度特性的多点测量温度传感器，其特征在于，所述的测量通道中，通信光纤和敏感光纤传感头内的敏感光纤采用熔接方式耦合。

10.根据权利要求6或者7所述的基于光纤辐射致衰减温度特性的多点测量温度传感器，其特征在于，所述的敏感光纤的制作方法为，选取所需的光纤作为原材料，对选取的光纤原材料进行定量辐照处理，对辐照后的光纤进行预定时间的高温退火处理，制得所需敏感光纤。

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