CN104406714B - 基于y分支相位调制器温度特性的集成式闭环温度测量方法 - Google Patents
基于y分支相位调制器温度特性的集成式闭环温度测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104406714B CN104406714B CN201410693600.0A CN201410693600A CN104406714B CN 104406714 B CN104406714 B CN 104406714B CN 201410693600 A CN201410693600 A CN 201410693600A CN 104406714 B CN104406714 B CN 104406714B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- temperature
- mrow
- msub
- phase
- signal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
本发明提供了一种基于Y分支相位调制器温度特性的集成式闭环温度测量方法，属于光纤萨格奈克干涉仪技术领域。本方法首先关闭光纤萨格奈克干涉仪中的温度闭环调整，通过手动调整温度补偿值使得温漂产生的电压差为零；然后打开光纤萨格奈克干涉仪中的温度闭环调整，测量不同温度下的补偿值A；再通过线性拟合方法获取温度T和补偿值A的线性关系；最后利用得到的线性关系式计算实际温度。本发明基于光纤萨格奈克干涉仪的原有结构，不需要添加额外的温度敏感器件，即可测量光纤萨格奈克干涉仪的温度，且测量范围大，敏感性高，既有较高的可靠性，也降低了光纤萨格奈克干涉仪整体的体积和功耗。
Description
技术领域
本发明涉及光纤萨格奈克干涉仪技术领域，具体涉及一种基于Y分支相位调制器温度特性的集成式闭环温度测量方法。
背景技术
光纤萨格奈克干涉仪是一种高精度的光学测量仪器，利用光线环敏感待测物理量(角速度、电磁场强度)，产生相位差。这种干涉仪可应用于光纤陀螺、光纤电流互感器、电压互感器等多种领域。
图1是典型的干涉式光纤萨格奈克干涉仪的结构示意图，主要包括光源、耦合器、Y分支相位调制器、光纤环、探测器和信号处理装置。光纤萨格奈克干涉仪的用于精密测量时测量精度受环境温度影响较大，一般采用温度补偿的方法降低温度对于测量精度的影响。因此需要在光纤萨格奈克干涉仪中添加必要的温度测量装置，测量光纤环的温度。
目前光线陀螺的温度测量使用独立的温度传感器配合必要的辅助电路实现，常见的传感器包括铂电阻和DS18B20等。铂电阻温度传感器利用金属铂的电阻值随温度变化的特性测量温度，常用的测量电路是电桥电路，如图2所示。其中，R1、R2、R3和R4是定值电阻，Rf是铂电阻。通过测量R3两端电压可以测量温度值。在实际应用时，需要在电路板上添加信号调理电路和AD转换电路。DS18B20是一种数字输出型集成温度传感器，通过分时单线通信与光纤萨格奈克干涉仪的中心处理器通信，接收指令发送温度值。
使用任何一种温度传感器，都需要将温度敏感元件安装在光纤萨格奈克干涉仪的敏感环组件上，实现温度测量，但额外的温度传感器造成光纤萨格奈克干涉仪体积和功耗升高，可靠性降低。
发明内容
本发明针对额外温度传感器造成光纤萨格奈克干涉仪体积和功耗升高、可靠性降低等问题，提出了一种基于Y分支相位调制器温度特性的光纤萨格奈克干涉仪集成式闭环温度测量方法。
本发明的基于Y分支相位调制器温度特性的集成式闭环温度测量方法，包括如下步骤：
步骤1：关闭光纤萨格奈克干涉仪中信号处理装置对温度的闭环调整，通过手动调整温度补偿值使得温漂产生的电压差为零，此时获得温度补偿的初始值A0；
步骤2：打开光纤萨格奈克干涉仪中信号处理装置对温度的闭环调整，测量不同温度下的补偿值A，其中A＝A0+ΔA；ΔA为温度补偿的漂移量，由信号处理装置中的温度漂移解调单元计算得到；
步骤3：温度T和补偿值A的关系表达为：T＝k·A+b，k和b为实数；利用步骤2得到的温度T和补偿值A，通过线性拟合方法获得k和b；
步骤4：应用时，将得到的补偿值A代入已知k和b的公式T＝k·A+b中，获得实际温度T。
所述的光纤萨格奈克干涉仪中信号处理装置对温度的闭环调整，是指信号处理装置中的中心处理器解调探测器信号，获取温度漂移，调整补偿值；其中，中心处理器中设置有调制信号模块，调制信号模块输出调制信号Dm，使得其中是任意相位值，h是常数，τ表示光线通过干涉仪的光纤环的时间，Ф(t)是t时刻的调制相位。如果温度保持不变，则探测器的信号为恒定强度信号，当半波电压发生温度漂移时，探测器信号中观察到出现半波电压温度漂移引起的电压差ΔV，通过解调电压差ΔV，对解调结果积分得到温度补偿的漂移量ΔA。
本发明的优点与积极效果在于：(1)本发明基于光纤萨格奈克干涉仪的原有结构，不添加额外器件即可测量光纤萨格奈克干涉仪的温度；(2)本发明是一种闭环的温度检测方法，测量范围大，敏感性高；(3)本发明不需要添加额外的温度敏感器件，既有较高的可靠性，也降低了光纤萨格奈克干涉仪整体的体积和功耗。
附图说明
图1是典型的光纤萨格奈克干涉仪的结构示意图；
图2是铂电阻温度传感器中采用的电桥电路示意图；
图3是Y分支相位调制器相位调制的原理图；
图4是基于Y分支相位调制器的光纤萨格奈克干涉仪的结构示意图；
图5中，(a)是第一种调制信号的波形图，(b)是探测器对应输出的波形图；
图6中，(a)是第二种调制信号的波形图，(b)是探测器对应输出的波形图；
图7中，(a)是第三种调制信号的波形图，(b)是探测器对应输出的波形图；
图8是中心处理器的结构示意图；
图9是本发明的集成式闭环温度测量方法的步骤流程图。
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。
Y分支相位调制器是光纤萨格奈克干涉仪的固有结构，具有对温度敏感的特性。本发明利用这种特性实现光纤萨格奈克干涉仪温度测量，不需要任何额外的温度敏感元件或辅助电路，解决了现有技术中额外温度传感器所带来的问题。
Y分支相位调制器是光纤萨格奈克干涉仪的重要部件，主要作用是对光源发出的光进行相位调制。Y分支相位调制器的主要特征参数是半波电压Vπ/2，即调制相位为π/2时所需的外部电压，是一个对温度敏感的物理量。图3是Y分支相位调制器相位调制的原理图，其主要结构铌酸锂晶体是一种常见的电光晶体。
设铌酸锂晶体的长度为L，电场宽度为G，铌酸锂晶体折射率为ne，线性电光系数为r33，当波长为λ0的光线通过铌酸锂晶体时，Y分支相位调制器的半波电压可以表示为：
半波电压的各项参数均受温度T影响，其中线性电光系数r33的温度敏感系数为500ppm，远大于其他参数。因此Y分支相位调制器半波电压的温度敏感性可以表示为
线性电光系数与温度成线性关系，且半波电压变化量较小，因此半波电压与温度也有近似线性的关系，可表示为
其中T0表示室温下的某个温度值，Vπ/2(T)表示温度为T时的半波电压的大小。
图4中虚线框内部分是光纤萨格奈克干涉仪信号处理单元的结构示意图，中心处理器产生的数字调制信号Dm经补偿模块输出调制信号Dc，满足关系Dc＝Dm×A，其中A是补偿值。Dc经过DA转换器生成模拟调制信号Vm，在经过调制驱动电路比例放大后，产生实际调制信号V加载于Y分支相位调制器的金属电极上，实现相位调制。
其中，Φ表示调制的相位，K表示调制驱动电路的放大倍数，VREF表示AD转换器的参考电压。
调制系数可表示为
在光纤萨格奈克干涉仪工作时，信号处理装置的温度闭环调整功能通过调整A值，使调制系数不随温度变化，因此在任意温度T下的补偿值A(T)和Vπ/2(T)成正比关系，如下：
带入(3)可得
考虑到除T和A外其他值变化均较小或为恒定值，将表示为参数k，用参数b表示则上式可表示为：
T＝k·A+b (8)
其中，k和b均为实数。
根据萨格奈克干涉仪的原理，设光线通过干涉仪的光纤环的时间为τ，则在不考虑其他效应(萨格奈克效应，法拉第效应等)的情况下，t时刻探测器探测到的光强度I为
其中，Ф(t)是t时刻的调制相位，可通过公式(4)计算获得，I0是与光源光强度相关的光强，不受其他条件影响。如果设计一种调制信号Dm，保证不随时间变化，即其中是任意的一个相位值，h是常数。
当调制信号满足为常数时，如果温度保持不变，则探测器的信号为恒定强度信号。当半波电压发生温度漂移时，探测器信号不再是恒定强度，而是可以观察到半波电压温度漂移引起的电压差，进而可以检测温度漂移。以下描述三种调制信号均满足为常数，图5、图6、图7分别是三种调制信号的典型情况。
第一种调制波形包括两个状态，一种状态是调制相位以的速率匀速变化，另一种状态是调制相位直接跳变至2hπ。在跳变的位置，如果有温度漂移，则可以观察到探测器信号的变化。如图5的(a)所示，信号每经过一段相等的时间出现周期性跳变，跳变的值是-2π，即h＝-1情况，跳变的周期是如图5的(b)所示，当有温度漂移时，可观察到温度漂移引起的电压差ΔV。
第二种调制波形是一种每过时间τ变化一次的阶梯状信号，每次变化的值是有温度漂移时，如果相邻两次变化的值不相等，则可以观察到探测器信号的变化。例如，在图6中，信号每次增大或减小即h＝0或h＝-1，如果相邻两次均变化探测器信号强度不变，前一次增大后一次减小则可从探测器观察到电压差ΔV。
第三种调制波形是一种以2τ为周期的周期性信号，单个周期内的信号分为4个时间长度相等阶段，每个阶段长度为τ/2。其中第一阶段和第三阶段的相位差为第二阶段和第四阶段的相位差为或第一阶段和第三阶段的相位差为第二阶段和第四阶段的相位差为有温度漂移时，探测器的能够探测到周期性的信号。图7所示的信号是h＝0的情况。
当温度发生改变时，调制信号Dm不变的情况下，由于调制系数随温度漂移，在探测器探测到的光强信号中可以检测到温度漂移产生的电压差ΔV，如图5～图7中的(b)所示。电压差ΔV表征的是当前的补偿值与准确的补偿值之间的偏差。
中心处理器内部结构如图8所示。调制信号Dm由调制信号模块生成。中心处理器一般为FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)。温度漂移解调单元解调温度漂移产生的电压差ΔV，对解调结果积分可得相对于初始温度A0的漂移量ΔA。调制补偿值A由两部分组成，包括初始值A0和漂移量ΔA，即A＝A0+ΔA。漂移量ΔA与初始值A0相加，再与原始调制信号Dm相乘，得到实际的调制数字量Dc。信号处理单元可以使用DSP等微型处理器代替。
本发明提供的基于Y分支相位调制器温度特性的集成式闭环温度测量方法，如图8的所示，包括如下步骤：
步骤1：获得温度补偿的初始值A0，具体是：关闭光纤萨格奈克干涉仪中信号处理装置对温度的闭环调整，通过手动调整温度补偿值，使得温漂产生的电压差为零，此时得到的温度补偿值就是所要获取的初始值A0。
本步骤中，关闭中心处理器对温度的闭环调整，可认为温度补偿的漂移量ΔA恒定为0。当某温度T下如果补偿值A符合公式(6)，则电压差ΔV为零。
步骤2：开启光纤萨格奈克干涉仪中信号处理装置对温度补偿值自动调整，将光纤萨格奈克干涉仪置于若干个不同恒定温度的环境中，记录每个温度对应的补偿值A；
本步骤中设定若干个不同的温度值，然后计算各温度下对应的补偿值通过中心处理器中温度漂移解调单元，得到对应温度下的漂移量ΔA，进一步得到对应温度下的温度补偿值。
步骤3：利用步骤2得到的温度T和补偿值A，通过线性拟合方法计算公式(8)中k和b的值；
步骤4：在中心处理器内添加温度和补偿值的计算模块。在应用时，将得到的补偿值代入已知k和b的公式(8)中，获得实际温度T。
Claims (3)
1.一种基于Y分支相位调制器温度特性的集成式闭环温度测量方法，其特征在于，
Y分支相位调制测量的温度T与此温度下的补偿值A(T)的关系如下：
<mrow>
<mi>T</mi>
<mo>=</mo>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>&pi;V</mi>
<mrow>
<mi>R</mi>
<mi>E</mi>
<mi>F</mi>
</mrow>
</msub>
<mi>K</mi>
</mrow>
<mrow>
<msup>
<mn>2</mn>
<mrow>
<mi>n</mi>
<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msup>
<mi>&Phi;</mi>
<mo>/</mo>
<msub>
<mi>D</mi>
<mi>m</mi>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>r</mi>
<mn>33</mn>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>d</mi>
<mi>T</mi>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>V</mi>
<mrow>
<mi>&pi;</mi>
<mo>/</mo>
<mn>2</mn>
</mrow>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<msub>
<mi>dr</mi>
<mn>33</mn>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mo>&times;</mo>
<mi>A</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>T</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<mo>&lsqb;</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>r</mi>
<mn>33</mn>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mfrac>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mi>T</mi>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>dr</mi>
<mn>33</mn>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
其中，r33为线性电光系数，T0表示室温下的某个温度值，Vπ/2(T0)表示温度为T0时的半波电压的大小，Dm为数字调制信号，Φ表示调制的相位，K表示调制驱动电路的放大倍数，VREF表示AD转换器的参考电压；
上式中除T和A外其他值变化均较小或为恒定值，将表示为参数k，用参数b表示则上式可表示为：
T＝k·A+b
其中，k和b均为实数；
所述方法包括如下步骤：
步骤1：关闭光纤萨格奈克干涉仪中信号处理装置对温度的闭环调整，通过手动调整温度补偿值使得温漂产生的电压差为零，此时获得温度补偿的初始值A0；
步骤2：打开光纤萨格奈克干涉仪中信号处理装置对温度的闭环调整，测量不同温度T下的补偿值A，其中A＝A0+ΔA；ΔA为温度补偿的漂移量，由信号处理装置中的温度漂移解调单元计算得到；
步骤3：温度T和补偿值A的关系表达为：T＝k·A+b，k和b为实数；利用步骤2得到的温度T和补偿值A，通过线性拟合方法获得k和b；
步骤4：应用时，将得到的补偿值A代入已知k和b的公式T＝k·A+b中，获得实际温度T；
所述的光纤萨格奈克干涉仪中信号处理装置对温度的闭环调整，是指信号处理装置中的中心处理器解调探测器信号，获取温度漂移，调整补偿值；
其中，中心处理器中设置有调制信号模块，调制信号模块输出调制信号Dm，使得
其中是任意相位值，h是常数，τ表示光线通过干涉仪的光纤环的时间，Ф(t)是t时刻的调制相位；
所述的调制信号是每过时间τ变化一次的阶梯状信号，每次变化的值是
如果温度保持不变，则探测器的信号为恒定强度信号，当半波电压发生温度漂移时，探测器信号中观察到出现半波电压温度漂移引起的电压差ΔV，通过解调电压差ΔV，对解调结果积分得到温度补偿的漂移量ΔA。
2.根据权利要求1所述的基于Y分支相位调制器温度特性的集成式闭环温度测量方法，其特征在于，所述的调制信号包括两个状态，一种状态是调制相位以的速率匀速变化，另一种状态是调制相位直接跳变至2hπ。
3.根据权利要求1所述的基于Y分支相位调制器温度特性的集成式闭环温度测量方法，其特征在于，所述的调制信号是以2τ为周期的周期性信号，单个周期内的信号分为4个时间长度为τ/2的阶段，第一阶段和第三阶段的相位差为第二阶段和第四阶段的相位差为或者第一阶段和第三阶段的相位差为第二阶段和第四阶段的相位差为
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410693600.0A CN104406714B (zh) | 2014-11-26 | 2014-11-26 | 基于y分支相位调制器温度特性的集成式闭环温度测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410693600.0A CN104406714B (zh) | 2014-11-26 | 2014-11-26 | 基于y分支相位调制器温度特性的集成式闭环温度测量方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104406714A CN104406714A (zh) | 2015-03-11 |
| CN104406714B true CN104406714B (zh) | 2017-09-22 |
Family
ID=52644361
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410693600.0A Active CN104406714B (zh) | 2014-11-26 | 2014-11-26 | 基于y分支相位调制器温度特性的集成式闭环温度测量方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104406714B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106871931B (zh) * | 2017-03-30 | 2020-04-28 | 中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所 | 一种闭环光纤陀螺温度补偿方法 |
| CN112816758B (zh) * | 2019-11-15 | 2024-04-12 | 许继集团有限公司 | 一种全光纤电流互感器及其半波电压修正方法 |
| CN113208437A (zh) * | 2020-01-21 | 2021-08-06 | 上海朴道水汇净水设备有限公司 | 饮水机热胆水温检测方法及系统、存储介质及终端 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102253503A (zh) * | 2011-04-12 | 2011-11-23 | 浙江大学 | 集成电光相位调制器半波电压的温度补偿方法 |
| CN102706476A (zh) * | 2012-06-12 | 2012-10-03 | 浙江大学 | 基于赛格奈克光纤干涉仪的高精度快速温度测量方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7038783B2 (en) * | 2003-05-23 | 2006-05-02 | Honeywell International Inc. | Eigen frequency detector for Sagnac interferometers |
-
2014
- 2014-11-26 CN CN201410693600.0A patent/CN104406714B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102253503A (zh) * | 2011-04-12 | 2011-11-23 | 浙江大学 | 集成电光相位调制器半波电压的温度补偿方法 |
| CN102706476A (zh) * | 2012-06-12 | 2012-10-03 | 浙江大学 | 基于赛格奈克光纤干涉仪的高精度快速温度测量方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 闭环光纤陀螺的温度补偿;于洪浮等;《上海航天》;20040225(第01期);第62-64页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104406714A (zh) | 2015-03-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Leal-Junior et al. | Simultaneous measurement of pressure and temperature with a single FBG embedded in a polymer diaphragm | |
| CN101441129B (zh) | 基于温度实验的光纤环性能测评系统 | |
| CN100554902C (zh) | 适用于反射型保偏光纤温度传感器的温度简易标定方法 | |
| CN108955727B (zh) | 一种光纤线圈性能评价方法 | |
| CN104990547B (zh) | 一种稳定光纤陀螺保持标度因数的方法和装置 | |
| CN105066898A (zh) | 一种表贴式光纤光栅应变传感器的标定方法 | |
| CN106679842B (zh) | 一种采用基准电压补偿技术的测温方法和测温电路 | |
| Li et al. | Double closed-loop control of integrated optical resonance gyroscope with mean-square exponential stability | |
| CN104406714B (zh) | 基于y分支相位调制器温度特性的集成式闭环温度测量方法 | |
| CN109100051A (zh) | 温度传感器的动态响应的温度修正方法及装置 | |
| Li et al. | Signal detection for optical AC and DC voltage sensors based on Pockels effect | |
| CN109635519B (zh) | 一种基于电磁场和温度场耦合的微波光子器件建模方法 | |
| Hui et al. | Tracking algorithm for the gain of the phase modulator in closed-loop optical voltage sensors | |
| EP3786582B1 (en) | Systems and methods for correcting errors in gyroscopes | |
| Wang et al. | Study on FOG scale factor error calibration in start-up stage based on GWO-GRU | |
| CN111879304A (zh) | 一种利用相位调制器半波电压测温的方法 | |
| Li et al. | Research on light source average wavelength and crystal oscillator frequency for reducing temperature error of the FOG scale factor | |
| Ding et al. | Low-cost fiber-optic temperature measurement system for high-voltage electrical power equipment | |
| Oliveira et al. | A feedback i/sup 2/-controlled constant temperature solar radiation meter | |
| CN101144720A (zh) | 光纤陀螺渡越时间在线精密测量方法 | |
| Bi et al. | Temperature modeling of modulation phase error in the integrated optical chip for closed-loop interferometric fiber optic gyroscope | |
| Kumar et al. | Design and development of an electro-optic type-flow transmitter using Mach–Zehnder interferometer | |
| Gutierrez-Martinez et al. | Remotely biasing the electro-optic response of an electric field sensing-detection system using LiNbO 3 asymmetric Mach–Zehnder optical retarders | |
| Zhao et al. | Theoretical and experimental research on the effect of coupler splitting ratio for fiber loop ring‐down spectroscopy technology | |
| CN113608157A (zh) | 全光纤电流互感器的pscad仿真系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |