CN106840452B - 一种微波光子温度传感系统的测温方法 - Google Patents

一种微波光子温度传感系统的测温方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种微波温度传感系统的测温方法，包括温度标定，测量每个温度点下混频器的直流输出值，并将温度和对应的直流电压值作为基准数据，将基准数据存放到所述信号处理及显示模块，调制器驱动板自动控制强度型光调制器工作在线性工作点，打开所述信号源，将光纤温度传感探头放置在温度待测点，信号处理及显示模块实时显示当前的测量温度，具有稳定性高的技术特点。

Description

一种微波光子温度传感系统的测温方法
技术领域
本发明涉及温度测控领域，特别涉及到一种微波光子测温系统、使用方法及制作方法。
背景技术
光纤温度传感器是利用部分物资吸收的光谱谁温度变化而变化的原理，分析光纤传输的光谱了解实时温度。光纤温度传感器采用一种和光纤折射率相匹配的高分子温敏材料涂覆在两根熔接在一起的光纤外面，使光能够由一根光纤输入该反射面，从另一根光纤输出，用于这种温敏材料受温度影响，折射率发生变化，因此输出的光功率与温度呈现行数关系。其物理本质是利用光纤中传输的光波的特征参量，如振幅、相位、偏振态、波长和模式等，属于非接触式测温。
目前光纤温度传感器主要有光纤光栅，光纤法珀和光纤荧光等类型的传感器。现有的光纤温度测试装置存在制作要求高，温度解调装置的稳定性较差的技术问题。这两个问题技术问题带来的就是光纤温度测试装置成本高。尤其对高精度温度传感而言，这个问题表现尤其突出。因此，提供一种稳定性高，成本低廉的光纤温度传感器就很有必要。
发明内容
为解决现有技术中的光纤温度测试装置存在得的稳定性差的技术问题。本发明提供一种微波光子温度传感系统，所述微波光子温度传感系统包括混频器201，与混频器201输出端连接的信号处理及显示模块202，与混频器201本振端连接的射频信号产生模块，与混频器201射频输入端连接的电光解调模块以及与所述射频信号产生模块及电光解调模块连接的光电调制模块；
所述混频器201用于处理电压数据；
所述信号处理及显示模块202用于处理混频器201输出的直流电压，显示测试结果；
所述射频信号产生模块用于提供所述混频器的本振信号及所述光电调制模块的射频信号；
所述光电调制模块将射频信号调制为光载波信号；
所述电光解调模块用于将所述光载波信号解调为射频信号。
上述技术方案中，为优化，进一步地，所述光电调制模块包括强度光调制器104，与所述强度光调制器104连接的控制模块及保偏光纤耦合器102，与所述保偏光纤耦合器102连接的窄线宽分布式反馈激光器101；
所述强度光调制器104用于将射频信号产生模块产生的一路射频信号调制为光载波信号；
所述控制模块用于控制所述强度光调制器104；
所述窄线宽分布式反馈激光器101及保偏光纤耦合器102用于提供所述控制模块的控制信号及所述强度光调制器的光输入信号。
进一步地，所述控制模块包括调制器控制器105，与所述调制器控制器105连接的第一光电探测器103，第二光电探测器107及单模光纤耦合器106；
所述第一光电探测模块103用于将所述保偏光纤耦合器102耦合输出的光信号转换为电信号；
所述单模光纤耦合器106用于耦合提供所述调制器控制器105所需的光控制信号；
所述第二光电探测模块107用于将所述单模光纤耦合器106耦合输出的光控制信号转换为电控制信号。
进一步地，所述单模光纤耦合器106耦合比为1:99。
进一步地，所述保偏光纤耦合器102耦合比为1:99。
进一步地，所述光电解调模块包括与所述光电调制模块连接的光纤温度传感探头108，与光纤温度传感探头108连接的第三光电探测模块109；
所述光纤温度传感探头108用于提供随温度变化的变光信号；
所述第三光电探测模块109用于将所述变光信号转化为电信号输入所述混频器201射频输入端。
进一步地，所述光纤温度传感探头108为经过绕环及灌胶的光纤温度传感探头108；
进一步地，所述射频信号产生模块包括信号源204，与信号源204连接的一分二功分器203。
本发明还提供一种微波光子温度传感系统的使用方法，所述微波光子温度传感系统的使用方法包括：
(1)上电，进行温度标定；
(2)测量每个温度点下混频器的直流输出值，并将温度和对应的直流电压值作为基准数据；
(3)将基准数据存放到所述信号处理及显示模块202；
(4)调制器驱动板通过程序自动控制强度型光调制器104工作在线性工作点；
(5)打开所述信号源204，将光纤温度传感器108放置在温度待测点，所述信号处理及显示模块202实时显示当前的测量温度。
本发明所述的一种微波光子温度传感系统的制作方法，包括：
(a)根据温度传感的精度和范围计算出温度传感探头所需单模光纤的长度；
(b)根据待测温度点的大小计算铝骨架的大小，使用铝骨架及步骤(a)中长度的单模光纤绕制光纤环；
(c)对步骤(b)中光纤环灌注导热胶水；
(d)待步骤(c)中导热胶水完全固化后，将铝骨架拆解得到制作好的光纤温度传感器108；
(e)将所述光纤温度传感探头108用于微波光子测温系统。
本发明提出的温度传感系统的测温原理：
射频信号在光纤中传输，射频信号的相位会随着光纤折射率和长度的变化而变化，而光纤折射率和长度又与光纤所处环境的温度有关。光纤的折射率和长度随温度的变化为一常量，一般称为折射率温度系数和热膨胀系数，由于折射率温度系数比热膨胀系数高两个数量级，所以光纤折射率温度系数是导致射频信号相位变化的主要原因。普通单模光纤的温度系数一般为30ps/km/℃，假设射频信号的相位
Figure BDA0001215683880000041
随温度T的变化关系为
Figure BDA0001215683880000042
k为常量。假设信号源输出信号的频率为f，该信号经功分器203后得到两个相同的射频信号，其中一路作为本振信号直接进入混频器201的本振输入端，该信号可表示为：
Figure BDA0001215683880000043
Vo为信号幅值，
Figure BDA0001215683880000044
为信号的初相位。该射频信号通过强度型光调制器调制到光域后经过光纤温度探头，由于温度的变化，导致光电探测器109输出的信号可表示为：
Figure BDA0001215683880000045
信号VLO和VRF进过混频器后，输出信号可表示为：
Figure BDA0001215683880000051
由上式可知，根据混频器输出的直流电压值V就可以得到当前待测物的温度T。
本发明提出的基于微波光子技术的光纤温度传感系统采用价格低廉的普通单模光纤，通过对单模光纤进行绕环和灌封导热胶处理，制作成可适用各种测温点大小的温度传感探头，采用成熟的微波混频器进行温度的直接解调，相比现有的光学测量方法综上。
本发明的有益效果，
效果一，该温度传感系统采用微波混频器进行直接信号解调，使用稳定性高；
效果二，单模光纤进行绕环和灌封导热胶处理，具有不重复性和温度到了新，制作成可适用各种测温点大小的温度传感探头，成本低廉；
效果三，该温度传感系统的温度分辨率可通过改变信号源的频率以及光纤温度传感探头中光纤的长度来任意调节，因此测试精度高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1本发明所述微波光子温度传感系统示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1本发明所述微波光子温度传感系统示意图。
实施例1
本实施例提供一种微波光子温度传感系统，包括硬件机构，所述硬件机构采集到的电压数据后，通过算法对电压信号进行分析和处理得到待测温度值。
微波光子温度传感系统结构如下：包括混频器201，与混频器201输出端连接的信号处理及显示模块202，与混频器201本振端连接的射频信号产生模块，与混频器201射频输入端连接的电光解调模块以及与所述射频信号产生模块及电光解调模块连接的光电调制模块。光电调制模块包括强度光调制器104，与所述强度光调制器104连接的控制模块及保偏光纤耦合器102，与所述保偏光纤耦合器102连接的窄线宽分布式反馈激光器101。控制模块包括调制器控制器105，与所述调制器控制器105连接的第一光电探测器103，第二光电探测器107及单模光纤耦合器106。单模光纤耦合器106耦合比为1:99。所述保偏光纤耦合器102耦合比为1:99。光电解调模块包括与所述光电调制模块连接的光纤温度传感探头108，与光纤温度传感探头108连接的第三光电探测模块109。所述光纤温度传感探头108为经过绕环及灌胶的光纤温度传感探头108。射频信号产生模块包括信号源204，与信号源204连接的功分器203。
微波光子传感系统的测温原理：射频信号在光纤中传输，射频信号的相位会随着光纤折射率和长度的变化而变化，而光纤折射率和长度又与光纤所处环境的温度有关。光纤的折射率和长度随温度的变化为一常量，一般称为折射率温度系数和热膨胀系数，由于折射率温度系数比热膨胀系数高两个数量级，所以光纤折射率温度系数是导致射频信号相位变化的主要原因。普通单模光纤的温度系数一般为30ps/km/℃，假设射频信号的相位
Figure BDA0001215683880000061
随温度T的变化关系为
Figure BDA0001215683880000062
k为常量。假设信号源输出信号的频率为f，该信号经功分器203后得到两个相同的射频信号，其中一路作为本振信号直接进入混频器201的本振输入端，该信号可表示为：
Figure BDA0001215683880000071
Vo为信号幅值，
Figure BDA0001215683880000072
为信号的初相位。该射频信号通过强度型光调制器调制到光域后经过光纤温度探头，由于温度的变化，导致光电探测器109输出的信号可表示为：
Figure BDA0001215683880000073
信号VLO和VRF进过混频器后，输出信号可表示为：
Figure BDA0001215683880000074
由上式可知，根据混频器输出的直流电压值V就可以得到当前待测物的温度T。
本实施例的微波光子测温系统工作原理如下：窄线宽DFB激光器101输出的偏振光经过耦合比为1:99的保偏光纤耦合器。该耦合器大功率输出的端口的输出光经过强度型光调制器104后进入一耦合比为1:99的单模光纤耦合器106中。该耦合器大功率输出端口的输出光经过光纤温度传感探头108后入射到光电探测器109上。保偏光纤耦合器102和单模光纤耦合器106小信号输出端口输出的光信号分别进入光电探测器103和107中，这两个光电探测器将光信号转变成电信号并通过调制器驱动器105来使得强度型光调制器的工作点始终处于线性调制范围内。信号源204输出的射频信号经功分器203后分为两路射频信号，一路射频信号加载到强度型光调制器104上，将该射频信号调制到光波上而输出一光载射频信号。该光载射频信号经过光纤温度传感器108后入射到光电探测器109上。光电探测器109将光信号转换成射频信号并进入混频器201的射频输入端，功分器203的另一路射频信号进入混频器201的本振输入端，混频器201的输出为一直流电压信号，该直流电压信号进入信号处理及显示模块进行数据处理并将待测温度点的温度通过显控系统显示。
本微波光子温度传感系统中温度传感探头的制作过程如下：
根据温度传感的精度和范围计算出温度传感探头所需普通单模光纤的长度；
根据待测温度点的大小设计合适的铝骨架以绕制大小合适的光纤环，光纤环的大小与本发明提出的温度传感系统的时间响应度有关；
将单模光纤绕制在铝骨架上，绕制完毕后对光纤环灌注导热胶水，提高温度传感探头的温度响应时间；
灌注导热胶水后，待胶水完全固化后将铝骨架拆解便得到了制作好的光纤温度传感探头。
微波光子测温系统的使用过程：
1、该温度传感系统使用前进行一次温度标定，测量每个温度点下混频器的直流输出值，并将温度和对应的直流电压值作为一个基准数据固化到信号处理及显示模块202中。
2、上电后，调制器驱动板通过程序自动控制强度型光调制器工作在线性工作点。调制器工作点确定后，将信号源打开，并将温度探头放置在待测点，测温系统的显示模块将实时显示当前的测量温度。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种微波光子温度传感系统的测温方法，所述微波光子温度传感系统包括混频器(201)，与混频器(201)输出端连接的信号处理及显示模块(202)，与混频器(201)本振端连接的射频信号产生模块，与混频器(201)射频输入端连接的光电解调模块以及与所述射频信号产生模块及光电解调模块连接的电光调制模块；所述混频器(201)用于处理电压数据；所述信号处理及显示模块(202)用于处理混频器(201)输出的直流电压，显示测试结果；所述射频信号产生模块用于提供所述混频器的本振信号及所述电光调制模块的射频信号；所述电光调制模块将射频信号调制为光载波信号；所述光电解调模块用于将所述光载波信号解调为射频信号，
所述电光调制模块包括强度型光调制器(104)，与所述强度型光调制器(104)连接的控制模块及保偏光纤耦合器(102)，与所述保偏光纤耦合器(102)连接的窄线宽分布式反馈激光器(101)；所述光电解调模块包括与所述电光调制模块连接的光纤温度传感探头(108)，与所述光纤温度传感探头(108)连接的第三光电探测器(109)；所述射频信号产生模块包括信号源(204)，与所述信号源(204)连接的功分器(203)，所述控制模块包括调制器控制器(105)，与所述调制器控制器(105)连接的第一光电探测器(103)，第二光电探测器(107)及单模光纤耦合器(106)；
所述窄线宽分布式反馈激光器(101)输出的偏振光经过耦合比为1:99的所述保偏光纤耦合器；所述保偏光纤耦合器大功率输出的端口的输出光经过所述强度型光调制器(104)后进入一耦合比为1:99的所述单模光纤耦合器(106)中；所述单模光纤耦合器大功率输出端口的输出光经过光纤温度传感探头(108)后入射到所述第三光电探测器(109)上；所述保偏光纤耦合器(102)和所述单模光纤耦合器(106)小信号输出端口输出的光信号分别进入所述第一光电探测器(103)和所述第二光电探测器(107)中，这两个光电探测器将光信号转变成电信号并通过所述调制器控制器(105)来使得所述强度型光调制器(104)的工作点始终处于线性调制范围内；所述信号源(204)输出的射频信号经所述功分器(203)后分为两路射频信号，一路射频信号加载到所述强度型光调制器(104)上，将该射频信号调制到光波上而输出一光载射频信号；该光载射频信号经过所述光纤温度传感探头(108)后入射到所述第三光电探测器(109)上；所述第三光电探测器(109)将光信号转换成射频信号并进入所述混频器(201)的射频输入端，所述功分器(203)的另一路射频信号进入所述混频器(201)的本振输入端，所述混频器(201)的输出为一直流电压信号，该直流电压信号进入所述信号处理及显示模块(202)进行数据处理并将待测温度点的温度通过显示模块显示；
所述测温方法采用的测温原理为：
射频信号在光纤中传输，射频信号的相位会随着光纤折射率和长度的变化而变化，而光纤折射率和长度又与光纤所处环境的温度有关；光纤的折射率随温度的变化、长度随温度的变化为常量，称为折射率温度系数和热膨胀系数，由于折射率温度系数比热膨胀系数高两个数量级，所以光纤折射率温度系数是导致射频信号相位变化的主要原因；假设射频信号的相位随温度T的变化关系为KT，K为常量；假设信号源输出信号的频率为f，该信号经功分器(203)后得到两个相同的射频信号，其中一路作为本振信号直接进入混频器(201)的本振输入端，该信号可表示为：
Figure FDA0002291287070000021
Vo为信号幅值，
Figure FDA0002291287070000022
为信号的初相位；该射频信号通过强度型光调制器调制到光域后,经过光纤温度传感探头，由于温度的变化，导致第三光电探测器(109)输出的信号可表示为：
Figure FDA0002291287070000023
信号VLO和VRF进入混频器后，输出信号可表示为：
Figure FDA0002291287070000024
由上式可知，根据混频器输出的直流电压值V就可以得到当前待测物的温度T；
其特征在于：所述微波光子温度传感系统的测温方法包括：
(1)上电，进行温度标定；
(2)测量每个温度点下混频器的输出的直流电压值，并将温度和对应的直流电压值作为基准数据；
(3)将基准数据存放到所述信号处理及显示模块(202)；
(4)调制器控制器自动控制强度型光调制器(104)工作在线性工作点；
(5)打开所述信号源(204)，将光纤温度传感探头(108)放置在温度待测点，所述信号处理及显示模块(202)实时显示当前的测量温度。
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