CN105486425B - 一种温度绝对值测量方法及测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光纤温度传感技术领域，具体为一种温度绝对值测量方法及测量装置。现有的光纤干涉型温度传感器，无法测量温度的绝对值，测温范围窄。针对上述问题，本发明公开一种温度绝对值测量方法，利用高双折射光纤的双折射和长度与外界温度的关系，建立关系式其中T表示外界温度，a、b表示待定系数，表示某参考波长λ0经过高双折射光纤快轴和慢轴时所产生的相位差且B表示高双折射光纤的双折射，L表示高双折射光纤的长度，λN表示任一极值波长，N表示任一极值波长λN所对应的干涉级数，制作装置时或者首次测量前，获取不同温度下的干涉光谱，对a、b进行标定，实际测量时，获取任意波长范围内的干涉光谱，利用公式即可计算出待测温度的绝对值。

Description

一种温度绝对值测量方法及测量装置
技术领域
本发明涉及光纤温度传感技术领域，具体为一种大量程的温度绝对值测量方法及测量装置。
背景技术
光纤温度传感是传感领域一个重要的发展方向，有着非常广泛的应用，在高电磁场、高腐蚀、易燃、易爆等区域有着独特的优势。从温度传感原理来看，光纤温度传感器有光纤光栅型、光纤强度型和光纤干涉型等，其中基于高双折射光纤正交偏振模模间干涉原理的光纤干涉型温度传感器温度灵敏度可达到1nm/℃左右，远高于光纤光栅型温度传感器，展现出非常广阔的应用前景。
中国专利公开号1553158的发明专利“基于SAGNAC干涉仪的光纤温度传感方法及其传感器”和中国专利公开号101639387的发明专利“基于极值对应的波长检测的光纤温度传感器及其温度传感方法”都属于光纤干涉型温度传感器的典型案例。
中国专利公开号1553158的发明专利公开了一种基于SAGNAC干涉仪的光纤温度传感方法，其特征在于：将保偏光纤传感头加入采用Y波导调制器和宽谱光源的全保偏SAGNAC干涉仪的闭合光路中，通过保偏光纤与保偏光纤延迟环和Y波导调制器连接，在连接点，相连的保偏光纤的偏振主轴互相交成一设定角，当温度场作用在保偏光纤传感头时，在其中会产生的偏振非互易相移，这个相移与作用在保偏光纤传感头上的温度成线性比例关系，采用与光纤陀螺相同的相位检测电路测量这种由温度引起的相移，从而实现温度的测量。
上述专利所采用的是传统的SAGNAC干涉仪相位检测技术，实际测量温度前，先测量出相位差变化与温度之间的线性表达式，标定相位差和温度之间的系数，再检测实际相位差的变化量，从而计算出温度的变化量。该方法具有以下缺点：(1)采用传统SAGNAC干涉仪相位解调方法解调，该方法虽然可检测出相位差的变化量，但不能检测出相位差的绝对值大小，因此只能建立相位差变化量和温度变化量之间的关系，因此只能实现温度的变化量测量。(2)需要较长保偏光纤环(实施例中提到为100-500m)，成本较高，绕制时光纤环围成的等效闭合面积为零，制作难度大。
中国专利公开号101639387的发明专利公开了一种基于极值对应的波长检测的光纤温度传感器的温度传感方法，该光纤温度传感器由光源、光纤耦合器、保偏光纤传感头、光谱测量装置和计算处理单元构成，光纤耦合器的第一根光纤与光源的尾纤熔接，光纤耦合器的第二根光纤和第三根光纤熔接在保偏光纤传感头的两端，光纤耦合器的第四根光纤与光谱测量装置连接，光谱测量装置通过导线与计算处理单元连接；其特征在于：通过检测混合光纤Sagnac干涉仪的透射端的透射光谱实现温度的测量，在确定长度的保偏光纤传感头的条件下，透射端的透射光谱具有单极值性，当保偏光纤传感头所处环境的温度变化时，混合光纤Sagnac干涉仪的透射光谱的极值对应的波长会发生变化，且这个波长与作用在传感头上的温度成线性比例关系通过检测极值对应波长的变化，实现温度的测量；所述的混合光纤Sagnac干涉仪由光源、光纤耦合器和保偏光纤传感头构成；所述的中，T表示保偏光纤传感头所处环境的温度，L表示保偏光纤传感头的长度，m表示混合光纤Sagnac干涉仪的透射光谱的极值所对应的级数，λm表示m级下对应的极值波长，a,b表示待定的系数。
上述专利采用的测量方法为：依据极值波长λm的表达式及温度作用下的变化特征写出温度与极值波长之间的关系式中a、b为待定系数。通过实验获得温度与极值波长之间的关系，标定两者之间的系数，然后通过测量极值波长的变化量，即可实现温度变化的测量。该方法具有以下缺点：(1)采用极值波长检测方法，初始温度下，极值波长的选择是随机的，不同的极值波长干涉级数不同，因此表达式的系数也会变化，每次测量时需先在已知标定温度下选择极值波长，然后通过极值波长的变化测量温度的变化，无法直接测量未知温度值的绝对大小。(2)不能随意更换极值波长(不同极值波长对应的系数不同)，因此该方法的测量量程受到光源谱宽的限制，当选定的极值波长超过光源谱宽时，就无法继续监测，限制了温度的测量量程。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种大量程的温度绝对值测量方法。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：一种温度绝对值测量方法，其步骤如下：
A.选择一段高双折射光纤，建立该高双折射光纤的双折射和长度与外界温度的关系式其中T表示外界温度，a、b表示待定系数，表示某参考波长λ0经过高双折射光纤快轴和慢轴时所产生的相位差且B表示高双折射光纤的双折射，L表示高双折射光纤的长度；
B.搭建以该高双折射光纤的快轴和慢轴构成干涉光路相位差的干涉仪，并以该高双折射光纤作为温度传感探头，将温度传感探头植入一个已标定的温度变化盒内，获取干涉仪在不同温度下输出的干涉光谱，在每个温度T相对应的干涉光谱中采集相邻两个极大值或者两个极小值的波长，计算出该两个极值波长所对应的干涉级数，根据计算出的干涉级数，即可获得所有极值波长所对应的干涉级数，所述所有极值波长包括所有极大值波长和所有极小值波长，从而获得多组相对应的T、λN、N值，其中λN表示在温度T下的任一极值波长，N表示该极值波长所对应的干涉级数；
C.基于干涉光谱中某参考波长λ0所对应的相位差将获得的多组T、λN、N值代入关系式并通过计算机软件对数据进行拟合，从而标定关系式中的系数a和b；
D.测量待测温度，将温度传感探头植入待测温度环境中，获取干涉仪输出的干涉光谱，采集相邻两个极值的波长，计算出任一极值波长λN所对应的干涉级数N，将获得的λN、N值代入已标定的关系式计算出T值，T值即为待测温度值。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
1.利用干涉级数直接计算出参考波长所对应的相位差绝对值，根据相位差和温度之间的唯一关系式计算出温度值，可测量出待测温度的绝对值大小；
2.只需在制作测量装置时或者首次实际测量前标定一次即可，实际测量时无需再从已知温度中标定；
3.参考波长所对应的相位差依据任意极值波长及其对应的干涉级数进行计算，相位差的获得不受限制，因此温度测量范围不会受到光源谱宽等因素的限制，测量量程大；
4.测量方法中，参考波长所对应的相位差的计算结果误差仅来源于极值波长读数的误差，测量精度高。
为了实现上述测量方法，本发明提供一种大量程的温度绝对值测量装置，其技术方案为：一种温度绝对值测量装置，包括光源、以高双折射光纤的快轴和慢轴构成干涉光路相位差的干涉仪和光谱仪，所述高双折射光纤作为温度传感探头，所述干涉仪的输入端与光源相连，输出端与光谱仪相连。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：利用高双折射光纤快轴和慢轴构成干涉光路相位差，干涉结构简单，易于实现。
作为优选，所述干涉仪为Sagnac环结构，所述Sagnac环结构包括高双折射光纤、耦合器、第一单模光纤和第二单模光纤，所述耦合器的端口A与光源相连，端口B与光谱仪相连，所述高双折射光纤的两端分别通过第一单模光纤和第二单模光纤与耦合器的端口C和端口D相连；干涉结构构造简单，所需元器件少，制作容易，成本低。
作为优选，所述干涉仪为偏振干涉结构，所述偏振干涉结构包括高双折射光纤、起偏器、第一保偏光纤、第二保偏光纤和检偏器，所述起偏器的输入端与光源相连，所述检偏器的输出端与光谱仪相连，所述高双折射光纤的两端分别通过第一保偏光纤和第二保偏光纤与起偏器的输出端和检偏器的输入端相连，所述高双折射光纤与第一保偏光纤和第二保偏光纤的连接方式均为以光轴相交45°熔接；干涉结构光路性能稳定、偏振干涉特性不受外界影响、干涉特性好。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例2的结构示意图；
图3是模拟透射光谱图；
图4是实施例1中标定时获取的不同温度下的透射光谱图；
图5是实施例1中标定时获得的线性拟合图；
附图标记：1、光源，2、干涉仪，3、光谱仪，4、高双折射光纤，5、耦合器，6、第一单模光纤，7、第二单模光纤，8、起偏器，9、第一保偏光纤，10、第二保偏光纤，11、检偏器。
具体实施方式
结合图1，详细说明本发明的一个具体实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。
如图1所示，一种温度绝对值测量装置，包括光源1、以高双折射光纤4的快轴和慢轴构成干涉光路相位差的干涉仪2和光谱仪3，高双折射光纤4作为温度传感探头，干涉仪2的输入端与光源1相连，输出端与光谱仪3相连。
其中干涉仪2采用Sagnac环结构，Sagnac环结构包括高双折射光纤4、耦合器5、第一单模光纤6和第二单模光纤7，耦合器5的端口A与光源1相连，端口B与光谱仪3相连，高双折射光纤4的两端分别通过第一单模光纤6和第二单模光纤7与耦合器5的端口C和端口D相连。
工作时，光源1经光纤接入耦合器5的端口A，耦合器5将光分为顺时针方向和逆时针方向的两束光，分别经过高双折射光纤4后在耦合器5中相遇并干涉，干涉光谱信号经耦合器的端口B输出并传输到光谱仪3。
结合图2，详细说明本发明的一个具体实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。
如图2所示，一种大量程的温度绝对值测量装置，包括光源1、以高双折射光纤4的快轴和慢轴构成干涉光路相位差的干涉仪2和光谱仪3，高双折射光纤4作为温度传感探头，干涉仪2的输入端与光源1相连，输出端与光谱仪3相连。
其中干涉仪2采用偏振干涉结构，偏振干涉结构包括高双折射光纤4、起偏器8、第一保偏光纤9、第二保偏光纤10和检偏器11，起偏器8的输入端与光源1相连，检偏器11的输出端与光谱仪3相连，高双折射光纤4的两端分别通过第一保偏光纤9和第二保偏光纤10与起偏器8的输出端和检偏器11的输入端相连，高双折射光纤4与第一保偏光纤9和第二保偏光纤10的连接方式均为以光轴相交45°熔接。
工作时，光源1经光纤接入起偏器8，经起偏器8的光形成线偏振光并传输至第一保偏光纤9中，线偏振光经熔接点后进入高双折射光纤4，并再次经过熔接点进入第二保偏光纤10，分别经过高双折射光纤4中快轴和慢轴的两束光在检偏器11中相遇并干涉，干涉光谱信号从检偏器11输出端输出到光谱仪。
上述两种实施方式中，输出到光谱仪的光谱信号可直接进行读取，也可以传输到计算机，由计算机处理分析。
上述两种实施方式中，测量原理如下：
根据干涉光谱表达式，某参考波长λ0所对应的相位差为：
式(1)中，λ0表示某参考波长，B表示高双折射光纤的双折射，L表示高双折射光纤的长度，λN表示任一极值波长，N表示任一极值波长λN所对应的干涉级数。
当外界温度变化时，由于热膨胀效应、热光效应等，会引起高双折射光纤的双折射和长度发生改变，光纤的双折射和长度与外界温度之间的关系式可写为：
BL＝B0L0(1+αT) (2)
式(2)中，B0表示高双折射光纤在0℃时的双折射，L0表示高双折射光纤在0℃时的长度，α表示一个与热膨胀效应和热光效应等相关的系数，通常可认为是常数，T表示温度值。
可推出某参考波长λ0所对应的相位差与外界温度的关系式为：
式(3)中表示0℃时某参考波长λ0所对应的相位差，
由式(3)可计算出T的表达式为
令则式(4)可改写为：
因此，可得到某参考波长λ0所对应的相位差与外界温度的关系式为(其中a和b为待定系数)，利用此关系表达式即可实现对温度的绝对值测量。
由于关系表达式中的a、b为待定系数，因此应对a、b进行标定，具体方法为：将测量装置的温度传感探头(即高双折射光纤)植入一个已标定的温度变化盒内，利用光谱仪获取干涉仪在不同温度下输出的干涉光谱，在每个温度T相对应的干涉光谱中采集相邻两个极值的波长，计算出任一极值波长λN所对应的干涉级数N，从而获得多组相对应的T、λN、N值，再将获得的多组T、λN、N值代入关系式并通过计算机软件对数据进行拟合，从而标定关系式中的系数a和b。此标定过程只需操作一次，可选在制作测量装置时或者首次实际测量前，标定后，实际测量时，无论测量到的是哪个范围的光谱，都无需再次进行标定。
实际测量时，将已标定好的测量装置的温度传感探头(即高双折射光纤)植入待测温度环境中，获取干涉仪输出的任意波长范围(至少包含两个极值波长)内的干涉光谱，采集相邻两个极值的波长，计算出任一极值波长λN所对应的干涉级数N，将获得的λN、N值代入已标定的关系式计算出T值，T值即为待测温度值。
上述测量原理中，任一极值波长λN及其所对应的干涉级数N的计算方法为：
根据归一化光谱表达式为：
式(6)中B表示高双折射光纤的双折射，L表示高双折射光纤的长度，λ表示入射到干涉仪中的波长。
根据式(6)得到的模拟透射光谱图如图3所示。
根据式(6)和图3，极值波长(极大值或极小值)所对应的相位为π的整数倍。
对于相邻两个极大值波长λk与λk-1，其所对应相位应为π的偶数倍，满足下式：
式(7)中，λk、λk-1表示相邻的两个极大值波长，k为整数，k、k-1分别表示极大值波长λk、λk-1所对应的干涉级数。
相应地，对于与任一极大值波长λk相邻的两个极小值波长其所对应相位应为π的奇数倍，满足下式：
式(8)中，表示相邻的两个极小值波长，表示极小值波长所对应的干涉级数。
根据式(7)可计算出，k与λk、λk-1之间的关系式为：
根据式(8)可计算出k与之间的关系式为：
对式(9)和式(10)四舍五入取整，可分别改写为式(11)和式(12)：
式(11)和式(12)中[]表示四舍五入取整。
当任一极大值波长λk对应的干涉级数k为已知时，可得出相邻极大值波长λk-1对应的干涉级数为k-1，相邻极大值波长λk-2对应的干涉级数为k-2，相邻极小值波长对应的干涉级数为相邻极小值波长对应的干涉级数为以此类推，可写出干涉光谱中任意一个极值波长λN及其对应的干涉级数N。
下面以实施例1的装置结构进行具体实验，实验中所选用的光源为SLD，输出功率为5mW，光谱为1500nm-1600nm；所选用的耦合器是3dB耦合器；所选用的高双折射光纤为熊猫型光纤，长度约为150mm；所选用的光谱仪为YOKOGAWA公司的型号为AQ6370C的光谱仪，其扫描分辨率为0.02nm；标定时，所选用的已知温度变化盒为科晶GSL-1100管式石英炉，其可实现室温至1100℃的温度变化，控温精度为±1℃。
如图4所示，为标定时通过光谱仪测量到的不同温度下的透射光谱图。
根据图4中30℃时的干涉光谱，可测量出相邻两个极小值P、Q的波长分别为1528.12nm、1544.90nm，根据干涉级数N的计算公式可计算出极值P所对应的干涉级数为92.5，再根据公式可计算出30℃时的参考波长λ0(um)所对应的干涉相位差为通过类似方法可获得其他温度时的波长λ0(um)所对应的干涉相位差。
将获得的多组温度值和该温度值时波长λ0(um)所对应的干涉相位差的数据通过Origin软件画图并进行拟合，得到波长λ0(um)所对应的相位差与温度的关系图，如图5所示。
根据图5，可得到拟合曲线从而实现对关系表达式中的a和b进行标定。
测量待测温度时，通过干涉光谱计算出相位差代入关系式求出的T值即为待测温度值。
此实验中光谱仪测量精度为0.02nm，可计算出相位差的精度为得到温度测量的精度优于0.04℃，测量精度非常高。
综上所述，本发明具有以下优点：
1.利用干涉级数直接计算出参考波长所对应的相位差绝对值，根据相位差和温度之间的唯一关系式计算出温度值，可测量出待测温度的绝对值大小；
2.只需在制作测量装置时或者首次实际测量前标定一次即可，实际测量时无需再从已知温度中标定；
3.参考波长所对应的相位差依据任意极值波长及其对应的干涉级数进行计算，相位差的获得不受限制，因此温度测量范围不会受到光源谱宽等因素的限制，测量量程大；
4.测量方法中，参考波长所对应的相位差的计算结果误差仅来源于极值波长读数的误差，测量精度高。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换(如通过测量反射光谱替代本发明实施例中的测量透射光谱，通过获取反射光谱中极值所对应的波长并计算出所对应的干涉级数)，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种温度绝对值测量方法，其步骤如下：
A.选择一段高双折射光纤，建立该高双折射光纤的双折射和长度与外界温度的关系式其中T表示外界温度，a、b表示待定系数，表示某参考波长λ0经过高双折射光纤快轴和慢轴时所产生的相位差且B表示高双折射光纤的双折射，L表示高双折射光纤的长度；
B.搭建以该高双折射光纤的快轴和慢轴构成干涉光路相位差的干涉仪，并以该高双折射光纤作为温度传感探头，将温度传感探头植入一个已标定的温度变化盒内，获取干涉仪在不同温度下输出的干涉光谱，在每个温度T相对应的干涉光谱中采集相邻两个极大值或者两个极小值的波长，计算出该两个极值波长所对应的干涉级数，根据计算出的干涉级数，即可获得所有极值波长所对应的干涉级数，所述所有极值波长包括所有极大值波长和所有极小值波长，从而获得多组相对应的T、λN、N值，其中λN表示在温度T下的任一极值波长，N表示该极值波长所对应的干涉级数；
C.基于干涉光谱中某参考波长λ0所对应的相位差将获得的多组T、λN、N值代入关系式并通过计算机软件对数据进行拟合，从而标定关系式中的系数a和b；
D.测量待测温度，将温度传感探头植入待测温度环境中，获取干涉仪输出的干涉光谱，采集相邻两个极值的波长，计算出任一极值波长λN所对应的干涉级数N，将获得的λN、N值代入已标定的关系式计算出T值，T值即为待测温度值。
2.一种基于如权利要求1所述的温度绝对值测量方法的温度绝对值测量装置，其特征在于：包括光源(1)、以高双折射光纤(4)的快轴和慢轴构成干涉光路相位差的干涉仪(2)和光谱仪(3)，所述高双折射光纤(4)作为温度传感探头，所述干涉仪(2)的输入端与光源(1)相连，输出端与光谱仪(3)相连。
3.如权利要求2所述的温度绝对值测量装置，其特征在于：所述干涉仪为Sagnac环结构，所述Sagnac环结构包括高双折射光纤(4)、耦合器(5)、第一单模光纤(6)和第二单模光纤(7)，所述耦合器(5)的端口A与光源(1)相连，端口B与光谱仪(3)相连，所述高双折射光纤(4)的两端分别通过第一单模光纤(6)和第二单模光纤(7)与耦合器(5)的端口C和端口D相连。
4.如权利要求2所述的温度绝对值测量装置，其特征在于：所述干涉仪(2)为偏振干涉结构，所述偏振干涉结构包括高双折射光纤(4)、起偏器(8)、第一保偏光纤(9)、第二保偏光纤(10)和检偏器(11)，所述起偏器(8)的输入端与光源(1)相连，所述检偏器(11)的输出端与光谱仪(3)相连，所述高双折射光纤(4)的两端分别通过第一保偏光纤(9)和第二保偏光纤(10)与起偏器(8)的输出端和检偏器(11)的输入端相连，所述高双折射光纤(4)与第一保偏光纤(9)和第二保偏光纤(10)的连接方式均为以光轴相交45°熔接。
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