CN105021310B - 高精度光纤光栅温度传感系统 - Google Patents

Abstract

一种高精度光纤光栅温度传感系统，包括：光源、光纤耦合器阵列、光纤光栅、光纤谐振腔、标准气体吸收室、光电探测器阵列和计算控制单元，其中：计算控制单元、光源、光纤耦合器阵列依次串联连接，光纤耦合器阵列的四个输出端与光电探测器阵列的四个输入端之间构成四条并联支路，光电探测器阵列的输出端分别与计算控制单元相连。与一般的光纤光栅温度传感器相比，本系统具有更高的温度分辨率指标，并具有更好的温度精确度和长期稳定性。

Description

高精度光纤光栅温度传感系统

技术领域

本发明涉及的是光纤传感技术领域，具体是一种精度达到0.0004K的光纤光栅温度传感系统。

背景技术

光纤光栅传感技术是光纤传感技术的重要分支之一。由于其具有高测量精度、易实现多点测量、抗电磁干扰、尺寸小、成本低等优势，现已广泛用于各类实用场景。

地球物理学相关研究是光纤光栅传感系统的重要应用场景之一，如地质构造研究中，地壳微变过程的数据获取、地震火山等地质灾害检测及预警、全球气候变化、“厄尔尼诺”效应等研究中的海洋科学测温等。该类应用场景所涉及待测物理场的显著特点在于其变化量极其微小、变化周期长且长期变化范围广。因此，要求传感器具有高灵敏度、高绝对精度及大动态范围。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103196473A，公开日2013.07.10，公开了一种多通道高精度光纤光栅解调装置及其解调方法。该类装置及其调节方法以可调谐激光器产生扫频光对光栅进行探测，获取与光栅反射/透射谱等效的“透射功率——时间”曲线，该类光纤光栅解调系统需获取待测光纤光栅的完整谱特性曲线，然而，可调谐FP滤波器的扫频并非理想的线性过程，各次扫频同一时刻对应的光频率也存在随机抖动，导致光谱测量的精度有限，无法实现足够高的温度测量精度。同时，而且受可调谐FP滤波器性能限制，其谱宽在10pm‐200pm，较宽的光谱宽度使得其中心波长测量的不确定性随之增加，进一步限制了这类系统的温度分辨率。如果采用更窄的FP滤波器，虽然窄的谱宽能够降低中心波长测量的不确定性，但是窄带FP滤波器会导致扫频激光光功率的降低，使得在测量光纤布拉格光栅的光谱时精度下降，系统的测量精度也无法提高。

中国专利文献号CN102252704A和CN101021443A分别公开了两种高精度多通道光纤光栅温度传感系统。这两种系统分别利用不同电流、温度下光纤光栅谱特性改变，导致其对特定频率激光的反射或透射光功率发生变化，经光电探测器将其转为电信号，基于信号强度直接获取待测场信息。专利文献CN102252704A中采用的比较器加自动增益控制的数据获取方式及专利文献CN101021443A中基于长周期光纤光栅的波长解调方式，同样面临光源在扫频过程中的非线性所带来的精度问题。其中，专利文献CN102252704A中采用了查表及拟合进行扫频非线性校正的方法，虽然能一定程度上缓解扫频非线性的问题，但是由于查表与拟合所依赖的数据都是基于测量之前预获取的信息，无法补偿测量时刻的实际非线性的差异情况，从而不能够完全消除扫频非线性对温度测量精度的影响。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种高精度光纤光栅温度传感系统，彻底解决了光源在调谐过程中的非线性问题，并且引入气体吸收室作为绝对频率参考，具有测量精度高、长期稳定性好的特点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种高精度光纤光栅温度传感系统，包括：光源、光纤耦合器阵列、光纤光栅、光纤谐振腔、标准气体吸收室、光电探测器阵列和计算控制单元，其中：

计算控制单元、光源和光纤耦合器阵列依次串联连接，光纤耦合器阵列的四个输出端与光电探测器阵列的四个输入端之间构成四条并联支路，分别为：

①光纤耦合器阵列的第一输出端与光电探测器阵列的第一输入端直接连接；

②光纤光栅的两端分别与光纤耦合器阵列的第二输出端与光电探测器阵列的第二输入端相连；

③光纤谐振腔的两端分别与光纤耦合器阵列的第三输出端与光电探测器阵列的第三输入端相连；

④标准气体吸收室的两端分别与光纤耦合器阵列的第四输出端与光电探测器阵列的第四输入端相连；

光电探测器阵列的输出端分别与计算控制单元输入端相连。

所述的光源采用窄线宽可调谐激光器，其工作波长位于1550nm，输出功率大于1mW，线宽小于1MHz。

所述的光纤耦合器阵列，包括：第一光纤耦合器、第二光纤耦合器和第三光纤耦合器，其中：

光纤耦合器阵列四个端口输出光的功率比值固定，波长相同。

所述的光纤光栅工作波长位于1550nm。

所述的光纤谐振腔置于恒温环境中，光纤谐振腔自由光谱范围只有10MHz，品质因素大于10。

所述的标准气体吸收室所含标准物质为HC¹³N，压强小于0.1标准大气压。

所述的光电探测器阵列包括多个光电探测器，各光电探测器输出带宽大于100kHz。

所述的计算控制单元，包括：电信号发生器、数据采集卡和计算机，其中：

计算机一输出端与电信号发生器输入端相连，另一输出端与数据采集卡一输入端相连，同时数据采集卡一输出端与计算机一输入端相连。

所述的数据采集卡其采样通道数与光电探测器数目一致。

技术效果

与现有技术相比，本发明的技术效果包括：

1)利用光纤谐振腔的等间距频率选择透射特性和较小的自由光谱范围，在恒温环境下，对扫频探测系统进行重采样，重采样后每个采样点都具有完全相同的波长/频率步进，消除了扫频时非线性因素引入的频率误差；还可以结合分布式反馈激光器及具有极窄透射峰的相移光纤布拉格光栅，提高系统的温度传感分辨率；

2)利用标准气体吸收室的环境不敏感特性提供稳定的绝对频率参考，配合具有严格固定频率间隔的光纤谐振腔，实现高精度的频率信息解调，最终实现具有高精度的高分辨率温度传感。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为系统采集的光纤光栅、标准气体吸收室、光纤谐振腔、光源直接输出“透射功率—时间”图谱；

图3为系统折算光源直接输出功率后得到的光纤光栅、标准气体吸收室、光纤谐振腔“透射率—时间”图谱；

图4为系统重采样得出的光纤光栅、标准气体吸收室“透射率—频率”图谱；

图5为实施例1的测试结果图；

图中：光源1、第一光纤耦合器2、第二光纤耦合器3、第三光纤耦合器4、光纤光栅5、光纤谐振腔6、标准气体吸收室7、光电探测器阵列8、电信号合成器9、数据采集卡10、计算机11。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：光源1、光纤耦合器阵列、光纤光栅5、光纤谐振腔6、标准气体吸收室7、光电探测器阵列8、计算控制单元，其中：

计算控制单元、光源1和光纤耦合器阵列依次串联连接，光纤耦合器阵列的四个输出端与光电探测器阵列8的四个输入端之间构成四条并联支路，分别为：

①光纤耦合器阵列的第一输出端与光电探测器阵列8的第一输入端直接连接；

②光纤光栅5的两端分别与光纤耦合器阵列的第二输出端与光电探测器阵列8的第二输入端相连；

③光纤谐振腔6的两端分别与光纤耦合器阵列的第三输出端与光电探测器阵列8的第三输入端相连；

④标准气体吸收室7的两端分别与光纤耦合器阵列的第四输出端与光电探测器阵列8的第四输入端相连；

光电探测器阵列8的输出端分别与计算控制单元相连。

所述的光源1采用窄线宽可调谐激光器，优选为分布反馈式半导体激光器，其工作波长位于1550nm，输出功率大于1mW，线宽小于1MHz。

所述的光纤耦合器阵列，包括：第一光纤耦合器2、第二光纤耦合器3和第三光纤耦合器4，其中：

光纤耦合器阵列四个端口输出光的功率比值固定，波长相同；

所述的光纤光栅5优选为相移光纤布拉格光栅，工作波长位于1550nm。

所述的光纤谐振腔6优选为法布里‐珀罗干涉仪，其自由光谱范围为10MHz，品质因素大于10，置于恒温环境中，以保证自由光谱范围恒定不变。

所述的标准气体吸收室7所含标准物质为HC¹³N，压强小于0.1标准大气压。

所述的第二光纤耦合器3优选为保偏光纤耦合器。

所述的第三光纤耦合器4优选为单模光纤耦合器。

所述的光电探测器阵列8包括多个光电探测器，各光电探测器输出带宽大于100kHz。

所述的计算控制单元，包括：电信号发生器9、数据采集卡10和计算机11，其中：

计算机11一输出端与电信号发生器9输入端相连，另一输出端与数据采集卡10一输入端相连，同时数据采集卡10一输出端与计算机11一输入端相连。

所述的数据采集卡10其采样通道数与光电探测器数目一致。

所述的高精度光纤光栅温度传感系统包括以下解调步骤：

1)先在已知的稳定环境下对光纤光栅5进行温度定标，再将其置于待测环境中；

2)然后计算控制单元控制电信号发生器9产生一个电压扫描信号，该电压扫描信号促使光源1产生探测光，数据采集卡10与上述电信号发生器9同步工作并持续对光纤光栅5、光纤谐振腔6、标准气体吸收室7和光源1直接输出信号进行采样，采样时间与电信号发生器9产生一次扫描电压的周期相同；由此分别获得光纤光栅透射功率、光纤谐振腔透射功率、标准气体吸收室透射功率以及光源直接输出功率的时域曲线；

3)接着计算机11以光源1直接输出功率的曲线对其它曲线进行折算，得到等效的透射率时域曲线；之后，计算出光纤谐振腔曲线中所有峰值对应的时刻序列，以此对光源1在扫频过程中的非线性进行补偿，并对光纤光栅及标准气体吸收室曲线进行重采样，得到频率间隔严格相等的两透射谱曲线；

4)最后计算机对上述两透射谱曲线进行峰值搜索，分别得到光纤光栅与标准气体吸收室的透射峰中心频率，由两者频率差值及该光栅的频率——温度响应系数，并参考定标数据，得到该次探测的温度数据信息；

5)系统重复执行步骤2)～4)，实现对待测环境温度的高精度测量。

如图5所示，在一次实验中，系统重复执行200次测量，得到待测温度，并且得到本系统对待测温度的分辨率达到0.0004K(开尔文)。

Claims (9)

1.一种高精度光纤光栅温度传感系统，其特征在于，包括：光源、光纤耦合器阵列、光纤光栅、光纤谐振腔、标准气体吸收室、光电探测器阵列和计算控制单元，其中：计算控制单元、光源和光纤耦合器阵列依次串联连接，光纤耦合器阵列的四个输出端与光电探测器阵列的四个输入端之间构成四条并联支路，分别为：

①光纤耦合器阵列的第一输出端与光电探测器阵列的第一输入端直接连接；

②光纤光栅的两端分别与光纤耦合器阵列的第二输出端与光电探测器阵列的第二输入端相连；

③光纤谐振腔的两端分别与光纤耦合器阵列的第三输出端与光电探测器阵列的第三输入端相连；

④标准气体吸收室的两端分别与光纤耦合器阵列的第四输出端与光电探测器阵列的第四输入端相连；

光电探测器阵列的输出端分别与计算控制单元相连。

2.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅温度传感系统，其特征是，所述的光纤耦合器阵列，包括：第一光纤耦合器、第二光纤耦合器和第三光纤耦合器，其中：光纤耦合器阵列四个端口输出光的功率比值固定，波长相同。

3.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅温度传感系统，其特征是，所述的光纤谐振腔置于恒定环境中，光纤谐振腔的自由光谱范围小于20MHz，品质因素大于10。

4.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅温度传感系统，其特征是，所述的标准气体吸收室所含标准物质为HC¹³N，压强小于0.1标准大气压。

5.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅温度传感系统，其特征是，所述的光电探测器阵列包括多个光电探测器，各光电探测器输出带宽大于100kHz。

6.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅温度传感系统，其特征是，所述的光纤光栅为相移光纤布拉格光栅。

7.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅温度传感系统，其特征是，所述的计算控制单元，包括：电信号发生器、数据采集卡和计算机，其中：

计算机一输出端与电信号发生器输入端相连，另一输出端与数据采集卡一输入端相连，同时数据采集卡一输出端与计算机一输入端相连。

8.根据权利要求2所述的高精度光纤光栅温度传感系统，其特征是，所述的第二光纤耦合器为保偏光纤耦合器；所述的第三光纤耦合器为单模光纤耦合器。

9.根据权利要求7所述的高精度光纤光栅温度传感系统，其特征是，所述的数据采集卡的采样通道数与光电探测器数目一致。