CN103557960B - 光纤法珀温度传感系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤法珀温度传感系统及方法，属于温度传感领域，包括光纤法珀温度传感装置、激光光源、光隔离器、光纤耦合器和光谱仪；通过测出反射的干涉信号的变化得出法珀干涉腔长的变化，然后根据法珀干涉腔长的变化进行温度变化值的计算。采用本技术方案，能够得到不受电磁场干扰的温度传感装置，相较传统的探头能够更加灵敏的感应到特定范围的温度变化。本发明提供的光纤法珀温度传感系统具有体积小、重量轻、灵敏度高、耗电少、不受电磁场的干扰、绝缘性能好等优点，本发明提供的基于光纤法珀温度传感系统的温度检测方法能够提高温度变化值检测的精确度。

Description

光纤法珀温度传感系统及方法

技术领域

本发明涉及一种温度传感领域，特别是涉及一种光纤法珀温度传感系统及方法。

背景技术

温度传感器是基于一个基本的物理量“温度”，自然界中的一切过程无不与“温度”密切相关.从伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量.温度传感器是最早开发、应用最广的一类传感器。温度传感器是五花八门的各种传感器中最为常用的一种，现代的温度传感器外形非常得小，这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中，也为我们的生活提供了无数的便利和功能。温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。

温度传感器是通过测量物体的某些参数随着温度的变化而间接测量温度的。一个好的温度传感器要有应具备很多条件，比如温度范围宽、精度高、响应快、可靠性好、价格低等。温度传感器有接触型和非接触型两类，接触型温度传感器响应速度慢，非接触型温度传感器响应速度快，但传感精度不高。同时，现有的温度传感器的灵敏度低且容易受电磁场干扰。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种精确度更高的光纤法珀温度传感系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种光纤法珀温度传感系统，包括光纤法珀温度传感装置、激光光源、光隔离器、光纤耦合器和光谱仪；

所述光纤法珀温度传感装置包括玻璃毛细管，所述玻璃毛细管内壁设置有第一密封环和第二密封环，所述玻璃毛细管内插有入射光纤和反射光纤，所述入射光纤卡在第一密封环内，所述反射光纤卡在第二密封环内，所述入射光纤和反射光纤的管心线位于同一直线上，所述玻璃毛细管、第一密封环、第二密封环、入射光纤和反射光纤形成密闭的法珀干涉腔；

所述激光光源的光信号输出端连接所述光隔离器的光信号输入端，所述光隔离器的光信号输出端连接所述光纤耦合器的光信号输入端，所述入射光纤通过法兰连接所述光纤耦合器，所述光纤耦合器的光信号输出端连接所述光谱仪的光信号输入端。

采用以上技术方案，使用时，在法珀干涉腔内注满水，想干光束通过入射光纤射入到法珀干涉腔中，光纤在法珀干涉腔进行反射后沿入射光纤返回，两束反射光相遇产生干涉，本技术方案在受到外界温度变化的作用下，法珀干涉腔内水的体积发生变化，使得法珀干涉腔中入射光纤和反射光纤的两个端面距离发生变化，导致其干涉输出信号发生变化，再从测出的干涉信号的变化得出法珀干涉腔长的变化，然后根据法珀干涉腔长的变化进行温度变化值的计算。采用本技术方案，能够得到不受电磁场干扰的温度传感装置，相较传统的探头能够更加灵敏的感应到特定范围的温度变化。

较佳的，所述第一密封环和第二密封环均为紫外胶。紫外胶固化速度快、粘接强度高，粘度低具渗透性，便于施胶时排除气泡。

较佳的，所述光纤耦合器为2×2单模ST光纤耦合器。

本发明所要解决的另一技术问题是提供一种测量更加准确的温度传感方法。为了实现上述目的，本发明提供了一种温度检测方法，在光纤法珀温度传感装置的法珀干涉腔内注水，包括以下步骤：

步骤一、激光光源输出激光，该激光通过光纤耦合器耦合进入入射光纤中，然后进入法珀干涉腔内；

步骤二、光纤法珀温度传感装置的法珀干涉腔内的反射光信号沿所述入射光纤返回至光纤耦合器，通过光纤耦合器输出反射光信号至光谱仪；

步骤三、光谱仪根据接收到的反射光信号计算得出法珀干涉腔腔长的变化值；

步骤四、设定温度变化值为ΔT，玻璃毛细管内半径为r，水的体积膨胀系数为α，水的初始体积为V0，泊松比为μ，法珀干涉腔腔长的变化值为ΔL，光谱仪根据法珀干涉腔腔长的变化值，计算得出温度变化值ΔT。

本发明的有益效果是：本发明提供的光纤法珀温度传感系统具有体积小、重量轻、灵敏度高、耗电少、不受电磁场的干扰、绝缘性能好等优点，本发明提供的基于光纤法珀温度传感系统的温度检测方法能够提高温度变化值检测的精确度。

附图说明

图1是本发明光纤法珀温度传感装置的剖视图。

图2是本发明光纤法珀温度传感系统的电路原理示意图。

图3是本发明温度检测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种光纤法珀温度传感装置，包括玻璃毛细管1，所述玻璃毛细管1内壁设置有第一密封环2和第二密封环3，所述玻璃毛细管1内插有入射光纤4和反射光纤5，所述入射光纤4卡在第一密封环2内，所述反射光纤5卡在第二密封环3内，所述入射光纤4和反射光纤5的管心线位于同一直线上，所述玻璃毛细管1、第一密封环2、第二密封环3、入射光纤4和反射光纤5形成密闭的法珀干涉腔。所述第一密封环2和第二密封环3均为紫外胶。

如图2所示，一种光纤法珀温度传感系统，包括光纤法珀温度传感装置6、激光光源7、光隔离器8、光纤耦合器9和光谱仪10；

所述光纤法珀温度传感装置6包括玻璃毛细管1，所述玻璃毛细管1内壁设置有第一密封环2和第二密封环3，所述玻璃毛细管1内插有入射光纤4和反射光纤5，所述入射光纤4卡在第一密封环2内，所述反射光纤5卡在第二密封环3内，所述入射光纤4和反射光纤5的管心线位于同一直线上，所述玻璃毛细管1、第一密封环2、第二密封环3、入射光纤4和反射光纤5形成密闭的法珀干涉腔。所述激光光源7的光信号输出端连接所述光隔离器8的光信号输入端，所述光隔离器8的光信号输出端连接所述光纤耦合器9的光信号输入端，所述入射光纤4通过法兰连接所述光纤耦合器9，所述光纤耦合器9的光信号输出端连接所述光谱仪10的光信号输入端。本实施例中，所述第一密封环2和第二密封环3均为紫外胶，所述光纤耦合器9为2×2单模ST光纤耦合器。

如图3所示，一种基于光纤法珀温度传感系统的温度检测方法，在光纤法珀温度传感装置6的法珀干涉腔内注水，包括以下步骤：

步骤一、激光光源7输出激光，该激光通过光纤耦合器耦合进入入射光纤4中，然后进入法珀干涉腔内；

步骤二、光纤法珀温度传感装置6的法珀干涉腔内的反射光信号沿所述入射光纤4返回至光纤耦合器9，通过光纤耦合器9输出反射光信号至光谱仪10；

步骤三、光谱仪10根据接收到的反射光信号计算得出法珀干涉腔腔长的变化值；

步骤四、设定温度变化值为ΔT，玻璃毛细管1内半径为r，水的体积膨胀系数为α，水的初始体积为V0，泊松比为μ，法珀干涉腔腔长的变化值为ΔL，光谱仪10根据法珀干涉腔腔长的变化值，计算得出温度变化值ΔT。

本实施例中，根据接收到的反射光信号计算得出法珀干涉腔腔长的变化值采用相位法来解调，相位法解调分为条纹计数法、傅里叶变换解调法和相关法解调。本实施例采用条纹计数法来解调得出法珀干涉腔腔长的变化值。

条纹计数法利用光纤传感器的输出干涉条纹和相位的关系来获取传感器的腔长。干涉条纹的周期仅与传感器腔长有关而不受输入光强的影响，因此条纹计数法的抗干扰能力大大提高。

设定法珀干涉腔腔长为L，当法珀干涉腔腔长L和反射光波长λ满足关系2L·2π/λ=(2m—1)π时，光强Ir取得极大值，m为干涉级次；当2L·2π/λ=2mπ时，光强Ir取得极小值。当法珀干涉腔腔长L发生变化时，波峰和波谷的位置和间距也将发生变化。

法珀干涉腔腔长的信息包含在传感器输出光的光谱当中，因此通过光的光谱就可以求出法珀干涉腔腔长L，这就是光纤法珀温度传感系统的法珀干涉腔腔长解调原理。光纤耦合器的ST接头和入射光纤的ST接头用法兰连接。由光源发出宽带的光信号到法珀干涉腔后，经多次反射得到的干涉的反射光信号再传送到光谱仪，获取光谱后，提取其中两个光强极小处的波长λm和λm+q作为处理信息，m和m+q分别为他们对应的干涉级次，波长λm、λm+q和法珀干涉腔腔长L满足如下关系：

$L={\mathrm{\λ}}_m\frac{m}{2},L=\frac{{\mathrm{\λ}}_{m+q}(m+q)}{2};$

联立上面两式，通过计算得出法珀干涉腔腔长的变化值ΔL。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种光纤法珀温度传感系统，其特征在于：包括光纤法珀温度传感装置（6）、激光光源（7）、光隔离器（8）、光纤耦合器（9）和光谱仪（10）；所述光纤法珀温度传感装置（6）包括玻璃毛细管（1），所述玻璃毛细管（1）内壁设置有第一密封环（2）和第二密封环（3），所述玻璃毛细管（1）内插有入射光纤（4）和反射光纤（5），所述入射光纤（4）卡在第一密封环（2）内，所述反射光纤（5）卡在第二密封环（3）内，所述入射光纤（4）和反射光纤（5）的管心线位于同一直线上，所述玻璃毛细管（1）、第一密封环（2）、第二密封环（3）、入射光纤（4）和反射光纤（5）形成密闭的法珀干涉腔；

所述激光光源（7）的光信号输出端连接所述光隔离器（8）的光信号输入端，所述光隔离器（8）的光信号输出端连接所述光纤耦合器（9）的光信号输入端，所述入射光纤（4）通过法兰连接所述光纤耦合器（9），所述光纤耦合器（9）的光信号输出端连接所述光谱仪（10）的光信号输入端；

所述光纤耦合器（9）为2×2单模ST光纤耦合器。

2.如权利要求1所述的光纤法珀温度传感系统，其特征是：所述第一密封环（2）和第二密封环（3）均为紫外胶。

3.一种基于权利要求1所述的光纤法珀温度传感系统的温度检测方法，在光纤法珀温度传感装置（6）的法珀干涉腔内注水，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、激光光源（7）输出激光，该激光通过光纤耦合器耦合进入入射光纤（4）中，然后进入法珀干涉腔内；

步骤二、光纤法珀温度传感装置（6）的法珀干涉腔内的反射光信号沿所述入射光纤（4）返回至光纤耦合器（9），通过光纤耦合器（9）输出反射光信号至光谱仪（10）；

步骤三、光谱仪（10）根据接收到的反射光信号计算得出法珀干涉腔腔长的变化值；

步骤四、设定温度变化值为ΔT，玻璃毛细管（1）内半径为r，水的体积膨胀系数为α，水的初始体积为V₀，泊松比为μ，λ_m、λ_m+q光谱中两个光强极小处的波长，m和m+q分别为他们对应的干涉级次，法珀干涉腔腔长的变化值为光谱仪（10）根据法珀干涉腔腔长的变化值，计算 $\mathrm{\Δ}T=\mathrm{\Δ}L\·\frac{q\[{\mathrm{\πr}}^2+4{\mathrm{\πr}}^2\frac{(1-\frac{\mathrm{\μ}}{2})}{(1-2\mathrm{\μ})}\]}{{\mathrm{\αV}}_0}$ 得出温度变化值ΔT。