CN105203225A - 一种光纤光栅温度检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了传感器技术领域中的一种光纤光栅温度检测方法及装置。本发明首先将设定光波段的光信号进行复合得到复合光信号；然后将所述复合光信号导入光纤光栅温度传感器得到中心波长光信号；之后利用AOTF声光可调谐滤波器解调所述中心波长光信号，得到解调的中心波长光信号；最后根据所述解调的中心波长光信号得到光纤光栅温度传感器测量到的温度。本发明通过复合光源提供设定波段的光信号，扩大了光信号的频谱范围；通过射频驱动控制器对AOTF声光可调谐滤波器进行调节，能够从光纤光栅温度传感器返回的光信号中提取出对应设定波段的解调的中心波长的光信号，提高了光信号频谱的识别范围，能够满足大规模温度传感监测系统的要求。

Description

一种光纤光栅温度检测方法及装置

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体地，涉及一种光纤光栅温度检测方法及装置。

背景技术

可调谐光纤Fabry-Perot滤波器(FFP)已广泛应用于传感光栅的信号解调，其中，该滤波器可由Lorentz谱线形状的带通响应描述，典型的3dB谱线宽为0.3纳米，工作范围为几十个纳米。

可调谐光纤Fabry-Perot腔由压电陶瓷驱动，且施加周期性的锯齿波电压信号用以改变腔长，以实现对确定区域的波长进行周期性的滤波扫描。它可以对测量范围内各光纤Bragg光栅传感元的波长信息进行依次查询，而且将所测波长信息与偏移前波长信息进行比较，得到各传感元的波长偏移量，利用偏移量与所测量值的变化关系，便可判断对应传感元件所感测物理量变化的大小，达到解调的目的。

但采用FFP可调谐滤波器解调的光纤光栅解调系统可解调的光信号的频谱范围小，不能满足日益需要的大规模温度传感监测系统的要求。

发明内容

本发明提供一种光纤光栅温度检测方法及装置，用以解决现有光纤光栅解调系统存在的解调光信号的频谱范围小等不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种光纤光栅温度检测方法，该方法包括以下步骤：

将设定光波段的光信号进行复合得到复合光信号；

将复合光信号导入光纤光栅温度传感器得到中心波长光信号；

利用AOTF声光可调谐滤波器解调中心波长光信号，得到解调的中心波长的光信号；

根据解调的中心波长光信号得到光纤光栅温度传感器测量到的温度。

优选地，将设定波段的光信号进行复合得到复合光信号具体为：

选定具有C波段和L波段的多个光信号，将多个光信号复合得到复合光信号。

优选地，将复合光信号导入光纤光栅温度传感器得到中心波长光信号具体为：

对复合光信号进行通道切换；

将通道切换后的复合光信号导入光纤光栅温度传感器，得到中心波长光信号。

优选地，利用AOTF声光可调谐滤波器解调所述中心波长光信号，得到解调的中心波长光信号具体为：

利用射频驱动控制器输出相应频率的电压信号作用于AOTF声光可调谐滤波器，AOTF声光可调谐滤波器接收到所述电压信号后发生衍射，解调出对应的光纤光栅温度传感器的中心波长光信号。

优选地，根据解调的中心波长光信号得到光纤光栅温度传感器测量到的温度具体为：

将解调的中心波长光信号转变为电信号；

对电信号进行解调和计算，得到光纤光栅温度传感器测量到的温度。

本申请还提供了一种光纤光栅温度检测装置，该装置包括：

复合光源，用于提供设定光波段的多个光信号；

耦合器，用于对光信号进行复合；

光环形器，用于实现光信号的双向传输；

光开关，用于对光信号进行通道切换；

光纤光栅温度传感器，用于感知光纤光栅监测温度信号；

AOTF声光可调谐滤波器，用于接收射频驱动控制器输出的相应频率的电压信号发生衍射，解调出对应的光纤光栅温度传感器的中心波长光信号；

射频驱动控制器，用于输出频率可调的电压信号以控制AOTF声光可调谐滤波器；

光电转换器，用于将光信号转换为电信号；

信号处理器，用于对电信号进行处理，得到光纤光栅温度传感器监测到的温度；

复合光源通过光纤和耦合器连接；耦合器通过光纤和光环形器连接；光环形器通过光纤分别与光开关和AOTF声光可调谐滤波器连接；光开关通过光纤和光纤光栅温度传感器连接；光电转换器和信号处理器连接；AOTF声光可调谐滤波器和射频驱动控制器连接；AOTF声光可调谐滤波器和光电转换器连接。

优选地，复合光源包括多个子光源，子光源的光信号的频谱包括C波段和L波段。

优选地，子光源为ASE宽带光源。

优选地，光开关包括一个或多个传输窗口，传输窗口用于对光信号进行通道切换。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述技术方案中，通过复合光源提供设定波段(C波段和L波段)的光信号，扩大了光信号的频谱范围；通过射频驱动控制器对AOTF声光可调谐滤波器进行调制，能够从光纤光栅温度传感器返回的光信号中提取出对应设定波段(C波段和L波段)的解调的中心波长的光信号，提高了光信号频谱的识别范围，能够满足大规模温度传感监测系统的要求。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为实施例1的流程图；

图2为实施例2的结构图；

图3为实施例3中采用的现有技术中AOTF声光可调谐滤波器的原理图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

为了解决现有光纤光栅解调系统存在的解调光信号的频谱范围小等不足，本发明提供了一种光纤光栅温度检测方法及装置。

实施例1

本实施例提供了一种光纤光栅温度检测方法，本实施例的流程图如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1：将设定光波段的光信号进行复合得到复合光信号；

S2：将复合光信号导入光纤光栅温度传感器得到中心波长光信号；

S3：利用AOTF声光可调谐滤波器解调中心波长光信号，得到解调的中心波长光信号；

S4：根据解调的中心波长光信号得到光纤光栅温度传感器测量到的温度。

本实施例方法采用设定波段(C波段、L波段或其他波段)的光信号，扩大了光信号的频谱范围；并从光纤光栅温度传感器返回的光信号中提取出对应设定波段(C波段、L波段或其他波段)的解调的中心波长的光信号，提高了光信号频谱的识别范围，能够满足大规模温度传感监测系统的要求。

以下对上述各步骤进行详细说明：

步骤S1：将设定光波段的光信号进行复合得到复合光信号具体为：

以C波段和L波段为例，选定具有C波段和L波段的多个光信号，将多个光信号通过耦合器复合得到复合光信号。C波段的范围采用1525纳米-1565纳米；L波段的范围采用1570纳米-1610纳米，更大的频谱范围能够提供更大的频谱选择空间，也就能够为大规模温度传感器的监控提供了基础，解决了光纤光栅传感的光源的局限性问题。

步骤S2：将复合光信号导入光纤光栅温度传感器得到中心波长光信号具体为：

S201：为了实现光信号的双向传递，在滤波之前，需要先将复合光信号导入光环形器的第一条光路进行传输，以便和后续步骤中出现的在第二条光路中传输的光纤光栅温度传感器反射回来的中心波长光信号进行无干扰的双向传输。

S202：对复合光信号进行通道切换；

使复合光信号导入光开关，光开关有多个光信号传输窗口，依据来自信号处理器的控制信号来选择开启、关断光开关通路。由于本实施例采用了C波段加L波段的光信号，所以，光开关可以将复合光信号分成更多的光波段的光信号信号以用于对温度的测量，能够适用于大规模温度传感器的监测。

S203：将通道切换后的复合光信号导入光纤光栅温度传感器，得到中心波长光信号。

将复合光信号通过光开关后传输到光纤光栅温度传感器，并返回对应的光纤光栅温度传感器所测量的中心波长光信号，中心波长光信号能反映对应光纤光栅温度传感器测量到的温度信息。

步骤S3：利用AOTF声光可调谐滤波器解调中心波长光信号，得到解调的中心波长的光信号具体为：

将上述步骤得到的中心波长光信号经光开关和光环形器的第二光路后导入AOTF声光可调谐滤波器(Acousto-optictunablefilter)。信号处理器可以对射频驱动控制器进行控制，使得射频驱动控制器输出相应频率的电压信号作用于AOTF声光可调谐滤波器。AOTF声光可调谐滤波器接收到电压信号后产生对应的声波信号，该声波信号使得导入AOTF声光可调谐滤波器内的光信号发生衍射，能够从中挑选出对应声波频率的光信号(即，通过指定声波信号使得中心波长光信号进行布拉格衍射，得到解调的中心波长的光信号。其中，指定声波信号的频率和解调的中心波长一一对应)。

AOTF声光可调谐滤波器能实现宽光谱范围的解调(由上述C波段加L波段的光信号可知，带宽为80纳米。如有需要，可对带宽进行进一步扩展)，因此将AOTF的这一特性应用于光纤光栅温度解调中，解决了目前光纤光栅解调范围窄的问题；选择任何一个波长范围进行连续扫描，可以根据被测光纤光栅传感的有效波段进行选取扫描，缩短了扫描时间，提高了解调速度，解决了目前光纤光栅温度传感系统高速解调问题。AOTF声光可调谐滤波器为全固态分光器件，无移动部件，抗震性能好，采用全密封设计，对环境影响(如温度、湿度、粉尘等)不敏感，仪器工作稳定，解决了目前光纤光栅温度传感系统的解调器件温度漂移问题。

步骤S4：根据解调的中心波长的光信号得到光纤光栅温度传感器测量到的温度具体为：

S401：将解调的中心波长的光信号转变为电信号；

将得到的解调的中心波长的光信号导入光电转换器，得到对应的电信号；然后对电信号进行放大，以便于对电信号的处理。

S402：对电信号进行解调和计算，得到光纤光栅温度传感器测量到的温度。

信号处理器对光电转换器发来的电信号进行处理(包括信号变换、滤波、放大及采集)，通过光纤光栅---温度检测匹配法得到光纤光栅温度传感器测量到的温度。

实施例2

本实施例和实施例1属于同一发明构思，本实施例提供了一种光纤光栅温度检测装置，本实施例的结构图如图2所示，该装置包括：

复合光源，用于提供设定光波段的多个光信号；复合光源可以包括多个子光源，子光源可选用ASE(AmplifiedSpontaneousEmission，放大自发辐射光源)宽带光源。子光源光信号的频谱可以包括C波段和L波段；

耦合器，用于对光信号进行复合；

光环形器，用于实现光信号的双向传输；

光开关，用于对复合光信号进行通道切换(光开关包括一个或多个传输窗口，传输窗口用于对光信号进行通道切换)；

光纤光栅温度传感器，用于感知光纤光栅监测的温度信号；

AOTF声光可调谐滤波器，用于依据射频驱动控制器输出的相应频率的电压信号，产生对应的声波信号，该声波信号使得导入AOTF声光可调谐滤波器内的光信号发生衍射，能够解调出对应声波频率的光信号；

射频驱动控制器，用于输出频率可调的电压信号以控制AOTF声光可调谐滤波器；

光电转换器，用于将光信号转换为电信号；

信号处理器，用于对电信号进行处理，得到光纤光栅温度传感器监测到的温度。

复合光源通过光纤(实际中使用的器件为光纤法兰盘等)和耦合器连接；耦合器通过光纤和光环形器连接；光环形器通过光纤分别与光开关和AOTF声光可调谐滤波器连接；光开关通过光纤和光纤光栅温度传感器连接；光电转换器和信号处理器连接；AOTF声光可调谐滤波器和射频驱动控制器连接；AOTF声光可调谐滤波器和光电转换器连接。

根据上述连接关系，对应的实现光纤光栅温度检测的流程为：

选定具有C波段和L波段的多个光信号组成复合光源，将多个光信号通过耦合器复合得到复合光信号。C波段的范围采用1525纳米-1565纳米；L波段的范围采用1570纳米-1610纳米，更大的频谱范围能够提供更大的频谱选择空间，也就能够为大规模温度传感器的监测提供了基础。

为了实现光信号的双向传递，在滤波之前，需要先将复合光信号导入光环形器的第一条光路进行传输，以便和后续步骤中出现的在第二条光路中传输的光纤光栅温度传感器反射回来的中心波长光信号进行无干扰的双向传输。复合光信号被导入光开关，光开关有多个光信号传输窗口，依据来自信号处理器的控制信号来选择开启、关断光开关通路。由于本实施例采用了C波段加L波段的光信号，所以，光开关可以将复合光信号分成更多的波段的光信号以用于对温度的测量，能够适用于大规模温度传感器的监测。

复合光信号通过光开关后传输到光纤光栅温度传感器，并返回对应的光纤光栅温度传感器所测量的中心波长光信号，中心波长光信号能反映对应光纤光栅温度传感器测量到的温度信息。

将上述步骤得到的中心波长光信号经光开关和光环形器的第二光路后导入AOTF声光可调谐滤波器。信号处理器可以对射频驱动控制器进行控制，使得射频驱动控制器输出相应频率的电压信号作用于AOTF声光可调谐滤波器。AOTF声光可调谐滤波器接收到该电压信号后产生对应的声波信号，该声波信号使得导入AOTF声光可调谐滤波器内的光信号发生衍射，能够解调出对应声波频率的光信号。

将得到的解调的中心波长的光信号导入光电转换器，得到对应的电信号；然后对电信号进行放大，以便于对电信号的处理。信号处理器对光电转换器发来的电信号进行解调(包括信号变换、滤波、放大及采集)，通过光纤光栅---温度检测匹配法得到光纤光栅温度传感器测量到的温度。

本实施例通过复合光源提供C波段和L波段的光信号，扩大了光信号的频谱范围；通过射频驱动控制器对AOTF声光可调谐滤波器进行调制，能够从光纤光栅温度传感器返回的中心波长的光信号中提取出对应波长的光信号，提高了光纤光栅中心波长信号频谱的应用范围，能够满足大规模温度传感监测系统的要求。

实施例3

以下通过一个具体的场景对本申请进行说明。

本实施例将采用AOTF声光可调谐滤波器技术，利用AOTF声光可调谐滤波器的高速、宽动态范围的特点，设计了一种基于AOTF解调技术的光纤光栅温度检测装置。该装置的出现将极大的满足温度传感监测系统的大规模、高速解调的要求。

光纤光栅温度传感技术原理：

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成空间的相位光栅。当光纤光栅的温度发生变化时，光纤光栅的中心波长将会漂移。温度升高时，波长向大波长方向漂移；温度降低时，光纤光栅中心波长向小波长方向漂移，依据光纤光栅的温度传感特性能实现温度的解调。

AOTF技术原理：

AOTF声光可调谐滤波器是一种电光调制器件。其原理图如图3所示，其工作原理主要是利用了声波在各向异性介质中传播时对入射到传播介质中的光的布拉格衍射作用。AOTF声光可调谐滤波器由单轴双折射晶体(通常采用的材料为二氧化碲TeO2)，粘合在单轴晶体一侧的压电换能器，以及作用于压电换能器的高频信号源组成。当输入一定频率的射频信号时，AOTF会对入射多色光进行衍射，从中选出波长为λ的单色光。单色光的波长λ与射频频率f有一一对应的关系，只要通过电信号的调谐即可快速、随机改变输出光的波长。

基于AOTF解调技术的光纤光栅温度检测装置由复合光源、耦合器、环形器、光开关、光纤光栅温度传感器、AOTF声光可调谐滤波器、射频驱动控制器、光电转换器和信号处理器等组成，其结构图如图2所示：

图2中，复合光源包括两个子光源，分别为C波段的光源和L波段的光源。子光源为ASE(AmplifiedSpontaneousEmission，放大自发辐射光源)宽带光源。将两个子光源的光通过2×1耦合器进行复合，然后导入光环形器；环行器的1—2通道(同上述实施例中的第一光路)传输复合光信号，经过光开关，最后到达光纤光栅温度传感器；光纤光栅温度传感器反射回的中心波长光信号经过光开关返回，并通过光环形器的2—3通道(同上述实施例中的第二光路)传输到AOTF声光可调谐滤波器；通过调节射频驱动控制器可以选择性的输出不同波长的光信号。然后将选出的不同波长的光信号导入光电转换器上进行光电转换；通过信号处理器对光电转换信号进行电流到电压的变换、滤波、放大及采集，将采集数据上传到上位机，实现光纤光栅温度传感器的中心波长的解调，并依据光纤光栅---温度检测匹配法，进而实现传感监测区域的温度测量。

各组成如下：

1)复合光源

将两块不同波段范围的宽带光源(C波段和L波段)用2×1耦合器的双端口耦合连接，耦合器的单端口输出的光信号将为复合光源。

2)耦合器

光纤耦合器是光纤与光纤之间进行可拆卸(活动)连接的器件，它是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使其介入光链路从而对系统造成的影响减到最小。对于波导式光纤耦合器，一般是一种具有Y型分支的元件，由一根光纤输入的光信号可用它加以等分。

3)光环形器

三端口光环行器是实现光路非可逆传输的器件，光环行器是对反向传输光进行引导，将其与正向传输光从空间上分离开来，并从与另一端口输出，这一种特性对于光信号的双向传输和通讯具有重要的意义。

4)AOTF声光可调谐滤波器

AOTF声光可调谐滤波器是一种电光调制器件，当输入一定频率的射频信号时，AOTF声光可调谐滤波器会对入射多色光进行衍射，从中选出波长为λ的单色光。单色光的波长λ与射频频率f有一一对应的关系，只要通过电信号的调谐即可快速、随机改变输出光的波长。具有仪器小型化、精确度高、分辨率高(1纳米)、扫描速度快(16000波长点/秒)、波长稳定性好(长时间好于0.01纳米)、信噪比高、全密封全固化设计稳定性好、电子信号全谱扫描、建模速度快移植性好等优点。

5)光电转换器

光电转换器的功能是将光信号转换为电信号，本实施例中光电转换器采用光电二极管来实现光电转换，光电转换器转换后的电流信号通过对数运算放大电路，对信号进行放大。

6)信号处理器

信号处理器包括数据采集，信号的存储与传输，以及上位机系统对光纤光栅数据的温度的算法处理。

7)射频驱动控制器

射频驱动控制器主要为AOTF声光可调谐滤波器设计。其主要通过调节外输入信号的电压，来改变驱动的输出频率，进而影响AOTF声光可调谐滤波器的波长输出。

8)光开关

光开关是一种具有一个或多个可选择的传输窗口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行物理切换或逻辑操作的器件。

9)光纤光栅温度传感器

光纤光栅温度传感器能够感知外界的温度信息，并将温度信息转变为光纤光栅温度传感器中心波长的变化。

目前光纤光栅传感解调装置主要是运用可调谐光纤Fabry-Perot滤波器(FFP)技术来实现光信号的解调，其中，FFP(可调谐光纤滤波器)腔由压电陶瓷驱动，且通过周期性的锯齿波电压信号用以改变腔长，以实现对确定区域的波长进行周期性的滤波扫描。该滤波器典型的扫描频率为5Hz，3dB谱线宽为0.3纳米，工作范围为几十个纳米。这种低速、带宽范围小的解调技术，不能满足高速大规模光纤光栅传感系统的要求。

本申请较基于FFP(可调谐光纤滤波器)的光纤光栅解调技术具有如下优点：

1.本申请基于AOTF声光可调谐滤波器宽光谱范围的解调技术设计了光纤光栅温度检测装置，大大提高了传感、解调范围，解决了光纤光栅传感无法大规模应用的问题。

2.AOTF声光可调谐滤波器可以选择任何一个波长范围进行连续或单点扫描，可以根据被测光纤光栅传感的有效波段进行选取扫描，缩短了扫描时间，解决了光纤光栅传感高速解调的难点问题。

3.AOTF声光可调谐滤波器为全固态分光器件，无移动部件，抗震性能好，采用全密封设计，对环境影响(如温度、湿度、粉尘等)不敏感，仪器工作稳定，解决了目前采用FFP(可调谐光纤滤波器)技术的光纤光栅传感系统温度漂移问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光纤光栅温度检测方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

将设定光波段的光信号进行复合得到复合光信号；

将所述复合光信号导入光纤光栅温度传感器得到中心波长光信号；

利用AOTF声光可调谐滤波器解调所述中心波长光信号，得到解调的中心波长光信号；

根据所述解调的中心波长光信号得到光纤光栅温度传感器测量到的温度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述将设定光波段的光信号进行复合得到复合光信号具体为：

选定具有C波段和L波段的多个光信号，将所述多个光信号复合得到复合光信号。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述将所述复合光信号导入光纤光栅温度传感器得到中心波长光信号具体为：

对所述复合光信号进行通道切换；

将通道切换后的所述复合光信号导入所述光纤光栅温度传感器，得到中心波长光信号。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述利用AOTF声光可调谐滤波器解调所述中心波长光信号，得到解调的中心波长光信号具体为：

利用射频驱动控制器输出相应频率的电压信号作用于所述AOTF声光可调谐滤波器，所述AOTF声光可调谐滤波器接收到所述电压信号后发生衍射，解调出对应的光纤光栅温度传感器的中心波长光信号。

5.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述根据所述解调的中心波长光信号得到光纤光栅温度传感器测量到的温度具体为：

将所述解调的中心波长光信号转变为电信号；

对所述电信号进行解调和计算，得到光纤光栅温度传感器测量到的温度。

6.一种光纤光栅温度检测装置，其特征是，该装置包括：

复合光源，用于提供设定光波段的多个光信号；

耦合器，用于对所述光信号进行复合；

光环形器，用于实现光信号的双向传输；

光开关，用于对复合光信号进行通道切换；

光纤光栅温度传感器，用于感知光纤光栅监测温度信号；

AOTF声光可调谐滤波器，用于接收射频驱动控制器输出的相应频率的电压信号，发生衍射，解调出对应的光纤光栅温度传感器的中心波长光信号；

射频驱动控制器，用于输出频率可调的电压信号以控制所述AOTF声光可调谐滤波器；

光电转换器，用于将光信号转换为电信号；

信号处理器，用于对所述电信号进行处理，得到光纤光栅温度传感器监测到的温度；

所述复合光源通过光纤和所述耦合器连接；所述耦合器通过光纤和所述光环形器连接；所述光环形器通过光纤分别与所述光开关和所述AOTF声光可调谐滤波器连接；所述光开关通过光纤和所述光纤光栅温度传感器连接；所述光电转换器和所述信号处理器连接；所述AOTF声光可调谐滤波器和所述射频驱动控制器连接；所述AOTF声光可调谐滤波器和所述光电转换器连接。

7.如权利要求6所述的装置，其特征是，所述复合光源包括多个子光源，所述子光源的光信号的频谱包括C波段和L波段。

8.如权利要求7所述的装置，其特征是，所述子光源为ASE宽带光源。

9.如权利要求6所述的装置，其特征是，所述光开关包括一个或多个传输窗口，所述传输窗口用于对光信号进行通道切换。