CN103389172B - 基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感方法 - Google Patents

Abstract

基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感方法，属于光纤光栅传感器测量领域。为了解决现有光纤光栅传感器的边带解调技术的解调精度受光源功率起伏影响的问题，本发明所述宽带光源发出的宽带光经长周期光栅后成为具有双边带的透射光，然后被分光器均分成两束光，其中一束光经第一耦合器后被第一光纤光栅温度传感器反射到第一光电探测器，第一光电探测器将光信号转化为电信号，另一束光经第二耦合器后被第二光纤光栅温度传感器反射到第二光电探测器，第二光电探测器将光信号转化为电信号，数据采集器采集第一光电探测器和第二光电探测器测得的数据，数据处理器对采集的数据进行处理。本发明主要用于光学领域。

Description

基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感方法

技术领域

本发明属于光纤光栅传感器测量领域。

背景技术

由于光纤光栅具有灵敏度高、抗电磁干扰、可远程感测、易埋植、易贴敷等优良特性在诸多领域得到了广泛的应用。边带解调是光纤光栅传感器常用的解调技术，然而此解调方法的解调精度受光源功率起伏的影响。

发明内容

本发明是为了解决现有光纤光栅传感器的边带解调技术的解调精度受光源功率起伏影响的问题，本发明提供了一种基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感方法。

基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感器，它包括宽带光源、长周期光纤光栅、分光器、第一耦合器、第二耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一光纤光栅温度传感器、第二光纤光栅温度传感器、数据采集器和数据处理器，所述的宽带光源的宽带光信号输出端与长周期光纤光栅的宽带光信号输入端连接，所述的长周期光纤光栅的双边带光信号输出端与分光器的光信号输入端连接，

所述的分光器的第一光信号输出端与第一耦合器的光信号输入端连接，所述的第一耦合器的光信号输入输出端与第一光纤光栅温度传感器的光信号输入输出端连接，所述第一耦合器的光信号输出端与第一光电探测器的光信号输入端连接，所述的第一光电探测器的电信号输出端与数据采集器的第一数据信号输入端连接，

所述的分光器的第二光信号输出端与第二耦合器的光信号输入端连接，所述的第二耦合器的光信号输入输出端与第二光纤光栅温度传感器的光信号输入输出端连接，所述第二耦合器的光信号输出端与第二光电探测器的光信号输入端连接，所述的第二光电探测器的电信号输出端与数据采集器的第二数据信号输入端连接，

所述的数据采集器的信号输出端与数据处理器的信号输入端连接。

原理分析:

宽带光源发出的宽带光经长周期光栅后成为具有双边带的透射光，然后被分光器分成两束光，其中一束光经第一耦合器后被第一光纤光栅温度传感器反射到第一光电探测器，第一光电探测器将光信号转化为电信号，另一束光经第二耦合器后被第二光纤光栅温度传感器反射到第二光电探测器，第二光电探测器将光信号转化为电信号，数据采集器采集第一光电探测器和第二光电探测器测得的数据，数据处理器对采集的数据进行处理。

第一光纤光栅温度传感器和第二光纤光栅温度传感器的反射光谱分别表示为：

$R_1\left(\mathrm{\λ}\right)=R_{B1}\exp [-\frac{4\ln 2}{b_1^2}{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_{B1})}^2]---\left(3\right)$

和

$R_2\left(\mathrm{\λ}\right)=R_{B2}\exp [-\frac{4\ln 2}{b_2^2}{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_{B2})}^2]---\left(4\right)$

其中，λ_B1和λ_B2分别表示第一光纤光栅温度传感器和第二光纤光栅温度传感器的中心波长，R_B1和R_B2分别表示第一光纤光栅温度传感器和第二光纤光栅温度传感器在中心波长处的反射光强，b₁和b₂分别表示第一光纤光栅温度传感器和第二光纤光栅温度传感器的半峰值宽度，λ表示光信号的波长，

第一光电探测器和第二光电探测器输出端输出电压分别表示为：

$V_1={\∫}_{-\∞}^{\∞}{\mathrm{\β}}_1{T}_1\left(\mathrm{\λ}\right)R_1\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}---\left(5\right)$

和

$V_2={\∫}_{-\∞}^{\∞}{\mathrm{\β}}_2{T}_2\left(\mathrm{\λ}\right)R_2\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}---\left(6\right)$

其中，β₁和β₂为常数，β₁由分光器的分光比、光路损耗和第一光电探测器的光电转换因子决定，β₂由分光器的分光比、光路损耗和第二光电探测器的光电转换因子决定，参见图2，T₁(λ)表示长周期光纤光栅的光谱在上升沿线性区间内的透光率，且

T₁(λ)＝A₁λ+B₁  (1)

T₂(λ)表示长周期光纤光栅的光谱在下降沿线性区间内的透光率，且

T₂(λ)＝A₂λ+B₂  (2)

其中，A₁为长周期光纤光栅的光谱上升沿的斜率，A₂为长周期光纤光栅的光谱下降沿的斜率，B₁和B₂均为常数，

将公式(1)和公式(3)代入公式(5)得，

V₁＝K₁λ_B1+D₁  (7)

将公式(2)和公式(4)代入公式(6)得，

V₂＝K₂λ_B2+D₂  (8)

其中，

$K_1=\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{4\ln 2}}{\mathrm{\β}}_1{A}_1{R}_{B1}{b}_1---\left(9\right)$

$D_1=\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{4\ln 2}}{\mathrm{\β}}_1{B}_1{R}_{B1}{b}_1---\left(18\right)$

$K_2=\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{4\ln 2}}{\mathrm{\β}}_2{A}_2{R}_{B2}{b}_2---\left(10\right)$

$D_2=\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{4\ln 2}}{\mathrm{\β}}_2{B}_2{R}_{B2}{b}_2---\left(19\right)$

当第一光纤光栅温度传感器和第二光纤光栅温度传感器的中心波长分别由λ_B1和λ_B2变为λ_B1+△λ₁和λ_B2+△λ₂时，将λ_B1+△λ₁替换公式(7)中的λ_B1得到：

V₁＝K₁△λ₁+(K₁λ_B1+D₁)  (11)

将λ_B2+△λ₂替换公式(8)中的λ_B2得到：

V₂＝K₂△λ₂+(K₂λ_B2+D₂)  (12)

其中，△λ₁表示温度变化量ΔT引起的第一光纤光栅温度传感器中心波长的偏移量，

△λ₂表示温度变化量ΔT引起的第二光纤光栅温度传感器中心波长的偏移量，

第一光纤光栅温度传感器和第二光纤光栅温度传感器处于相同的温度环境下，若测量过程中第一光纤光栅温度传感器和第二光纤光栅温度传感器所受的径向拉力为零，则

△λ₁＝(μ₁+ν₁)λ_B1△T  (13)

△λ₂＝(μ₂+ν₂)λ_B2△T  (14)

其中，μ₁表示第一光纤光栅温度传感器光纤材料的热膨胀系数；ν₁表示第一光纤光栅温度传感器光纤材料的热光系数，μ₂表示第一光纤光栅温度传感器光纤材料的热膨胀系数；ν₂表示第一光纤光栅温度传感器光纤材料的热光系数，

将公式(13)代入公式(11)得：

V₁＝K₁(μ₁+ν₁)λ_B1△T+(K₁λ_B1+D₁)  (15)

将公式(14)代入公式(12)得：

V₂＝K₂(μ₂+ν₂)λ_B2△T+(K₂λ_B2+D₂)  (16)

第一光电探测器和第二光电探测器电信号输出端输出电压V₁和V₂还受到宽带光源输出功率起伏影响，由于第一光电探测器和第二光电探测器电信号输出端输出电压V₁和V₂在相同的条件下测量获得，因此宽带光源输出功率起伏对它们的影响相同，考虑到宽带光源输出功率起伏的影响，第一光电探测器和第二光电探测器电信号输出端输出电压分别表示为：

V₁＝K₁(μ₁+ν₁)λ_B1△T+(K₁λ_B1+D₁)+n(t)  (17)

和

V₂＝K₂(μ₂+ν₂)λ_B2△T+(K₂λ_B2+D₂)+n(t)  (20)

其中，n(t)表示宽带光源输出功率起伏，将公式(17)和公式(20)作差得：

V＝V₁-V₂＝[K₁(μ₁+ν₁)λ_B1-K₂(μ₂+ν₂)λ_B2]△T+(K₁-K₂)λ_B1+(D₁-D₂)  (21)

从公式(21)表明，尽管第一光电探测器和第二光电探测器电信号输出端输出电压V₁和V₂受宽带光源输出功率起伏的影响，但是V₁和V₂之差V只依赖于被测信号，不受宽带光源输出功率起伏的影响。因此，本发明所述的基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感器可以消除宽带光源输出功率起伏的影响。

本发明带来的有益效果是，本发明所述的基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感器消除了光源功率起伏对光纤光栅传感器解调精度的影响。

附图说明

图1为本发明所述的基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感器的原理示意图。

图2为本发明所述的长周期光纤光栅、第一光纤光栅温度传感器和第二光纤光栅温度传感器的光谱图；附图标记12表示长周期光纤光栅的光谱，附图标记13表示第一光纤光栅温度传感器的光谱，附图标记14表示第二光纤光栅温度传感器的光谱。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感器，它包括宽带光源1、长周期光纤光栅2、分光器3、第一耦合器4、第二耦合器5、第一光电探测器6、第二光电探测器7、第一光纤光栅温度传感器8、第二光纤光栅温度传感器9、数据采集器10和数据处理器11，所述的宽带光源1的宽带光信号输出端与长周期光纤光栅2的宽带光信号输入端连接，所述的长周期光纤光栅2的双边带光信号输出端与分光器3的光信号输入端连接，

所述的分光器3的第一光信号输出端与第一耦合器4的光信号输入端连接，所述的第一耦合器4的光信号输入输出端与第一光纤光栅温度传感器8的光信号输入输出端连接，所述第一耦合器4的光信号输出端与第一光电探测器6的光信号输入端连接，所述的第一光电探测器6的电信号输出端与数据采集器10的第一数据信号输入端连接，

所述的分光器3的第二光信号输出端与第二耦合器5的光信号输入端连接，所述的第二耦合器5的光信号输入输出端与第二光纤光栅温度传感器9的光信号输入输出端连接，所述第二耦合器5的光信号输出端与第二光电探测器7的光信号输入端连接，所述的第二光电探测器7的电信号输出端与数据采集器10的第二数据信号输入端连接，

所述的数据采集器10的信号输出端与数据处理器11的信号输入端连接。

具体实施方式二：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感器的区别在于，所述的分光器3的第一光信号输出端输出的光信号与分光器3的第二光信号输出端输出的光信号相同。

具体实施方式三：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二所述的基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感器的区别在于，所述的第一光电探测器6与第二光电探测器7的型号相同。

具体实施方式四：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三所述的基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感器的区别在于，所述的第一耦合器4与第二耦合器5的型号相同。

具体实施方式五：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感器的区别在于，所述的第一光纤光栅温度传感器8的光信号输入输出端输出的光信号的中心波长小于第二光纤光栅温度传感器9的光信号输入输出端输出的光信号的中心波长。

具体实施方式六：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感器的区别在于，所述的长周期光纤光栅2的的频谱宽度大于1nm小于5nm。

Claims (6)

1.基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感方法，其特征在于，它包括宽带光源(1)、长周期光纤光栅(2)、分光器(3)、第一耦合器(4)、第二耦合器(5)、第一光电探测器(6)、第二光电探测器(7)、第一光纤光栅温度传感器(8)、第二光纤光栅温度传感器(9)、数据采集器(10)和数据处理器(11)，所述的宽带光源(1)的宽带光信号输出端与长周期光纤光栅(2)的宽带光信号输入端连接，所述的长周期光纤光栅(2)的双边带光信号输出端与分光器(3)的光信号输入端连接，

所述的分光器(3)的第一光信号输出端与第一耦合器(4)的光信号输入端连接，所述的第一耦合器(4)的光信号输入输出端与第一光纤光栅温度传感器(8)的光信号输入输出端连接，所述第一耦合器(4)的光信号输出端与第一光电探测器(6)的光信号输入端连接，所述的第一光电探测器(6)的电信号输出端与数据采集器(10)的第一数据信号输入端连接，

所述的分光器(3)的第二光信号输出端与第二耦合器(5)的光信号输入端连接，所述的第二耦合器(5)的光信号输入输出端与第二光纤光栅温度传感器(9)的光信号输入输出端连接，所述第二耦合器(5)的光信号输出端与第二光电探测器(7)的光信号输入端连接，所述的第二光电探测器(7)的电信号输出端与数据采集器(10)的第二数据信号输入端连接，

所述的数据采集器(10)的信号输出端与数据处理器(11)的信号输入端连接,

宽带光源(1)发出的宽带光经长周期光纤光栅(2)后成为具有双边带的透射光，然后被分光器(3)分成两束光；其中一束光经第一耦合器(4)后被第一光纤光栅温度传感器(8)反射到第一光电探测器(6)，第一光电探测器(6)将光信号转化为电信号，另一束光经第二耦合器(5)后被第二光纤光栅温度传感器(9)反射到第二光电探测器(7)，第二光电探测器(7)将光信号转化为电信号，数据采集器(10)采集第一光电探测器(6)和第二光电探测器(7)测得的数据，数据处理器(11)对采集的数据进行处理，

第一光纤光栅温度传感器(8)和第二光纤光栅温度传感器(9)的反射光谱分别表示为：

和

其中，λ_B1和λ_B2分别表示第一光纤光栅温度传感器(8)和第二光纤光栅温度传感器(9)的中心波长，R_B1和R_B2分别表示第一光纤光栅温度传感器(8)和第二光纤光栅温度传感器(9)在中心波长处的反射光强，b₁和b₂分别表示第一光纤光栅温度传感器(8)和第二光纤光栅温度传感器(9)的半峰值宽度，λ表示光信号的波长，

第一光电探测器(6)和第二光电探测器(7)输出端输出电压分别表示为：

和

其中，β₁和β₂为常数，β₁由分光器(3)的分光比、光路损耗和第一光电探测器(6)的光电转换因子决定，β₂由分光器(3)的分光比、光路损耗和第二光电探测器(7)的光电转换因子决定，T₁(λ)表示长周期光纤光栅的光谱在上升沿线性区间内的透光率，且

T₁(λ)＝A₁λ+B₁                 (1) 

T₂(λ)表示长周期光纤光栅的光谱在下降沿线性区间内的透光率，且

T₂(λ)＝A₂λ+B₂                 (2) 

其中，A₁为长周期光纤光栅的光谱上升沿的斜率，A₂为长周期光纤光栅的光谱下降沿的斜率，B₁和B₂均为常数，

将公式(1)和公式(3)代入公式(5)得，

V₁＝K₁λ_B1+D₁                 (7) 

将公式(2)和公式(4)代入公式(6)得，

V₂＝K₂λ_B2+D₂                 (8) 

其中，

当第一光纤光栅温度传感器(8)和第二光纤光栅温度传感器(9)的中心波长分别由λ_B1和λ_B2变为λ_B1+△λ₁和λ_B2+△λ₂时，将λ_B1+△λ₁替换公式(7)中的λ_B1得到：

V₁＝K₁△λ₁+(K₁λ_B1+D₁)                 (11) 

将λ_B2+△λ₂替换公式(8)中的λ_B2得到：

V₂＝K₂△λ₂+(K₂λ_B2+D₂)                 (12) 

其中，△λ₁表示温度变化量ΔT引起的第一光纤光栅温度传感器(8)中心波长的偏移量，△λ₂表示温度变化量ΔT引起的第二光纤光栅温度传感器(9)中心波长的偏移量，

第一光纤光栅温度传感器(8)和第二光纤光栅温度传感器(9)处于相同的温度环境下，若测量过程中第一光纤光栅温度传感器(8)和第二光纤光栅温度传感器(9)所受的径向拉力为零，则

△λ₁＝(μ₁+ν₁)λ_B1△T                 (13) 

△λ₂＝(μ₂+ν₂)λ_B2△T                 (14) 

其中，μ₁表示第一光纤光栅温度传感器(8)光纤材料的热膨胀系数；ν₁表示第一光纤光栅温度传感器(8)光纤材料的热光系数，μ₂表示第二光纤光栅温度传感器(9)光纤材料的热膨胀系数；ν₂表示第二光纤光栅温度传感器(9)光纤材料的热光系数，

将公式(13)代入公式(11)得：

V₁＝K₁(μ₁+ν₁)λ_B1△T+(K₁λ_B1+D₁)                 (15) 

将公式(14)代入公式(12)得：

V₂＝K₂(μ₂+ν₂)λ_B2△T+(K₂λ_B2+D₂)                 (16) 

第一光电探测器(6)和第二光电探测器(7)电信号输出端输出电压V₁和V₂还受到宽带光源(1)输出功率起伏的影响，由于第一光电探测器(6)和第二光电探测器(7)电信号输出端输出电压V₁和V₂在相同的条件下测量获得，因此宽带光源(1)输出功率起伏对它们的影响相同，考虑到宽带光源(1)输出功率起伏的影响，第一光电探测器(6)和第二 光电探测器(7)电信号输出端输出电压分别表示为：

V₁＝K₁(μ₁+ν₁)λ_B1△T+(K₁λ_B1+D₁)+n(t)                 (17) 

和

V₂＝K₂(μ₂+ν₂)λ_B2△T+(K₂λ_B2+D₂)+n(t)                 (20) 

其中，n(t)表示宽带光源(1)输出功率起伏，将公式(19)和公式(20)作差得：

V＝V₁-V₂＝[K₁(μ₁+ν₁)λ_B1-K₂(μ₂+ν₂)λ_B2]△T+(K₁-K₂)λ_B1+(D₁-D₂)  (21)完成基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感器实现的测量。

2.根据权利要求1所述的基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感方法，其特征在于，所述的分光器(3)的第一光信号输出端输出的光信号与分光器(3)的第二光信号输出端输出的光信号相同。

3.根据权利要求1或2所述的基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感方法，其特征在于，所述的第一光电探测器(6)与第二光电探测器(7)的型号相同。

4.根据权利要求3所述的基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感方法，其特征在于，所述的第一耦合器(4)与第二耦合器(5)的型号相同。

5.根据权利要求1所述的基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感方法，其特征在于，所述的第一光纤光栅温度传感器(8)的光信号输入输出端输出的光信号的中心波长小于第二光纤光栅温度传感器(9)的光信号输入输出端输出的光信号的中心波长。

6.根据权利要求1所述的基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感方法，其特征在于，所述的长周期光纤光栅(2)的频谱宽度大于1nm小于5nm。