CN107014518A - 一种光纤温度传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤温度传感装置，包括光电调制单元、分束单元、第一支路、第二支路以及合束单元，由光电调制单元、分束单元、第一支路以及合束单元构成第一振荡回路，第一振荡回路用于实现第一微波信号的振荡，由光电调制单元、分束单元、第二支路以及合束单元构成第二振荡回路，第二振荡回路用于实现第二微波信号的振荡，通过将第一微波信号与第二微波信号进行叠加处理获得谐振波，当温度信号加载至第二光纤中传感区域时，谐振波的振荡峰会发生漂移，通过获得固定频率下谐振波的强度变化可以实现对温度信号解调。本发明提供的装置灵敏度高，抗干扰能力强，相位噪声小且测量范围广且解调简单，并可以用于光纤通信。

Description

一种光纤温度传感装置

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种光纤温度传感。

技术背景

光纤传感技术的发展始于20世纪70年代，是光电技术发展最活跃的分支之一。由于光纤具有灵敏度高、抗电磁干扰、体积小、易成阵列等诸多特点。因此，光纤传感技术一问世就受到极大重视，几乎在各个领域得到研究与应用，成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展。

相比传统传感器，利用光纤进行传感有许多优点：光纤体积小、重量轻，便于埋进待测结构中；绝缘性好，安全性高，适用于易燃易爆环境；不受电磁干扰，适用于强电场磁场环境；耐腐蚀，可在各种恶劣环境中使用；损耗小、容量大，便于长距离测量及组网；灵敏度高，可用于微弱振动的测量。

目前基于光纤的温度传感器可分为光纤光栅型、sagnac干涉结构型、新型光纤微结构型以及拉曼/布里渊型。但这几种常见的光纤温度传感器存在各自的缺陷，其中，光纤光栅型温度传感器通过检测光纤光栅的中心波长来解调温度的变化，但传统的光谱解调成本较为昂贵，并且光谱解调的分辨率受到一定的限制，无法实现高精度的温度探测，并且光栅易受到其他外界环境的影响而造成测得的光纤光栅中心波长漂移量不够准确。sagnac干涉结构型与新型光纤微结构性光纤温度传感器虽能达到精度、高灵敏性的温度探测，但从两者的光学结构可看出当它们探测温度变化时需要严格排除外界其他干扰，这是由于基于光域的传感结构较为敏感，当光路稍作改变时探测到的信号光就会发生改变。拉曼与布里渊型光纤温度传感器的原理是基于光纤的非线性效应，但拉曼效应与布里渊效应的强度太弱，因此需要在传感系统中增强探测信号的强度，这在一方面就增加了传感系统的成本。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种光纤温度传感装置，旨在解决现有技术由于光纤传感器结构原因导致光纤传感器无法兼顾高灵敏度、抗干扰以及解调方法简单的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种光纤温度传感装置，包括：

光电调制单元，其输入端接收激光信号，用于根据控制端反馈电信号对激光信号进行调制处理，输出调制光信号；

分束单元，其输入端与光电调制单元的输出端连接，用于对调制光信号进行分束处理输出第一调制光信号和第二调制光信号；

第一支路，其输入端与分束单元的第一输出端连接，用于传输第一调制光信号，将经过传输后的第一调制光信号进行光电转化获得第一微波信号，并对第一微波信号进行放大处理输出放大后的第一微波信号；

第二支路，其设有传感单元，其输入端与分束单元的第二输出端连接，用于传输第二调制光信号，将经过传输后的第二调制光信号进行光电转化获得第二微波信号，并对第二微波信号进行放大处理输出放大后的第二微波信号；

合束单元，其第一输入端与第一支路的输出端连接，其第二输入端与第二支路的输出端连接，其输出端与光电调制单元的控制端连接，用于对第一微波信号和第二微波信号进行叠加处理输出谐振波，并将谐振波作为反馈电信号传输至光电调制单元的控制端；

当第二支路的传感单元加载有温度信号后，第二微波信号的振荡峰变化，进而使得谐振波的振荡峰频率变化，实现谐振波的振荡峰频率变化与温度信号变化相关。

本发明提供的光纤温度传感装置，利用的是光纤在外界温度改变时，其折射率系数会随温度产生线性变化，当光纤折射率发生改变时光纤的有效长度也会发生改变，当第二支路上的第二光纤中传感区域中受到温度信号，使得第二光纤的有效长度变化，使得第二振荡回路中第二微波信号的振荡峰发生漂移，通过第一微波信号与第二微波信号进行叠加处理后获得谐振波的振荡峰会发生漂移，通过获得固定频率下谐振波的强度变化可以实现对温度信号解调。

进一步地，第一微波信号经过放大处理后与放大后的第二微波信号叠加后作为光电调制单元控制端的信号，光电调制单元根据控制端的信号对激光信号进行调制处理，对调制光信号进行分束处理后将第一调制光信号转化为第一微波信号，经过多次环路反馈后，使第一微波信号为振荡信号；

第二微波信号经过放大处理后与放大后的第一微波信号叠加后作为光电调制单元控制端的信号，光电调制单元根据控制端的信号对激光信号进行调制处理，对调制光信号进行分束处理后将第二调制光信号转化为第二微波信号，经过多次环路反馈后，使第二微波信号为振荡信号。

进一步地，第一支路包括：

第一光纤，其输入端作为所述第一支路的输入端，用于传输第一调制光信号；

第一光电转化单元，其输入端与第一光纤的输出端连接，用于将第一调制光信号进行光电转化并输出第一微波信号；

第一微波放大单元，其输入端与第一光电传转化单元的输出端连接，第一微波放大单元的输出端作为第一支路的输出端，用于将第一微波信号进行放大处理并输出放大后的第一微波信号。

进一步地，第二支路包括：

第二光纤，其上设置有传感单元，其输入端作为第二支路的输入端，用于传输第二调制光信号；

第二光电转化单元，其输入端与第二光纤的输出端连接，用于将第二调制光信号进行光电转化并输出第二微波信号；

第二微波放大单元，其输入端与第二光电转化单元的输出端连接，第二微波放大单元的输出端作为第二支路的输出端，用于将第二微波信号进行放大处理并输出放大后的第二微波信号；

且第二光纤长度远大于第一光纤长度，使得第二微波信号的振荡峰带宽远小于第一微波信号的振荡峰带宽，用于提高谐振波线性度。

进一步地，第二光纤的长度大于第一光纤长度的10倍。

进一步地，调节第一微波放大单元的增益和第二微波放大单元的增益实现第一微波信号的振幅与第二微波信号的振幅相同。

进一步地，第一光纤和第二光纤均为单模光纤。

采用上述方案后本发明与背景技术相比，具有如下优点：

1、本发明提供的温度传感装置输出的谐振波的振荡峰在一定范围内，其幅值与频率呈现线性关系，且斜率很高，当温度信号加载在温度传感装置上时，振荡峰的发生漂移，使得谐振波在固定频率下其强度会发生很大的变化，使得该温度传感装置的灵敏度高。

2、温度测量的动态范围由第二支路中第二微波信号的振荡峰间距决定，可通过实际需要增加第二光纤的长度来增大动态测量范围。

3、解调方式简单与传统的光纤温度传感结构相比，该结构所采用的强度解调方式极大的减少了传感结构的成本，增加了传感器的实用价值。

4、可与光纤通信系统相结合对光纤通信网络线路进行实时的温度监控，在不增加附加结构的情况下仍可进行温度的传感。

5、传统的光纤通信系统会由于光纤线路的增加而导致系统的相位噪声过高，本发明中第一光纤长度远小于第二光纤的长度，使得第一微波信号相位噪声低，谐振波为第一微波信号与第二微波信号进行叠加处理的结果，使得本发明提供的装置具有低相位噪声。

6、通过光电转化单元将光域的传感参量转换到电域中，这样不仅仅极大地降低的系统的成本，同时对解调速度以及系统分辨率也有提升。

附图说明

图1为本发明提供的光纤温度传感装置的结构示意图；

其中，1、激光产生单元；2、光电调制单元；3、分束单元；4、第一光纤；5、第二光纤；6、传感单元；7、第一光电探测单元；8、第二光电探测单元；9、第一微波放大单元；10、第二微波放大单元；11、合束单元；12、频谱仪；

图2为本发明提供的光纤温度传感装置中第一支路输出的第一微波信号的波形图；

图3为本发明提供的光纤温度传感装置中第二支路输出的第二微波信号的波形图；

图4为本发明提供的光纤温度传感装置中合束单元输出的谐振波的波形图。

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，以下结合附图及实施例，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为本发明提供的光纤温度传感装置的结构示意图，光纤温度传感装置包括光电调制单元2以及分束单元3，光电调制单元2的输入端用于与激光产生单元1的输出端连接，光电调制单元2用于根据其控制端反馈控制信号将由激光产生单元1输出的激光信号进行调制处理输出调制光信号。分束单元3的输入端与光电调制单元2的输出端连接，分束单元3用于将调制光信号进行分束处理输出第一调制光信号和第二调制光信号。

光纤温度传感装置还包括第一支路和第二支路。第一支路包括第一光纤4、第一光电探测单元7以及第一微波放大单元10。第一光纤4的输入端与分束单元3的第一输出端连接，第一光纤4用于传输第一调制光信号。第一光电探测单元7的输入端与第一光纤4的输出端连接，第一光电探测单元7用于将经过第一光纤4传输后的第一调制光信号进行光信号向电信号转化处理输出第一微波信号。第一微波放大单元10的输入端与第一光电探测单元7的输出端连接，第一微波放大单元10的用于将第一微波信号进行放大处理输出放大后的第一微波信号。

第二支路包括第二光纤5、第二光电探测单元8以及第二微波放大单元9。第二光纤5的输入端与分束单元3的第二输出端连接，第二光纤5用于传输第二调制光信号，且第二光纤5上设置由传感单元6。第二光电探测单元8的输入端与第二光纤5的输出端连接，第二光电探测单元8用于将经过第二光纤5传输后的第二调制光信号进行光信号向电信号转化处理输出第二微波信号。第二微波放大单元9的输入端与第二光电探测单元8的输出端连接，第二微波放大单元9用于将第二微波信号进行放大处理输出放大后的第二微波信号。

光纤温度传感装置还包括合束单元，合束单元11的第一输入端与第一微波放大单元10的输出端连接，合束单元11的第二输入端与第二微波放大单元9的输出端连接，合束单元11用于对放大后的第一微波信号和放大后的第二微波信号进行叠加处理输出谐振波，并将谐振波分为两路谐振波输出，合束单元的第一输出端与光电调制单元的控制端连接，将谐振波信号反馈至光电调制单元的控制端，由合束单元的第二输出端输出谐振波。

光电调制单元、分束单元、第一支路以及合束单元构成第一振荡回路。激光信号经由光电调制单元进行调制处理后输出调制光信号，调制光信号经分束单元进行分束处理后输出第一调制光信号，第一调制光信号经由第一支路传输并转化为第一微波信号、再经过放大后输出放大后的第一微波信号，放大后的第一微波信号与放大后的第二微波信号叠加后输出谐振波反馈至光电调制单元的控制端，实现正反馈，使得第一微波信号为振荡信号，且第一微波信号的振荡峰跟第一光纤的有效长度相关。

光电调制单元、分束单元、第二支路以及合束单元构成第二振荡回路。激光信号经由光电调制单元调制后输出调制光信号，调制光信号经分束单元分束后输出第二调制光信号，第二调制光信号经由第二支路传输并转化为第二微波信号、再经过放大后输出放大后的第二微波信号，放大后的第二微波信号与放大后的第二微波信号叠加后输出谐振波反馈至光电调制单元的控制端，实现第二微波信号在第二振荡回路中振荡。

当第二光纤上的传感单元加载上温度信号后，第二光纤的折射率系数会随温度产生线性变化，进而光纤的有效长度也会发生改变，由于第二微波信号的振荡峰与第二光纤的有效长度有关，使得第二支路上第二微波信号的振荡峰会发生漂移，谐振波为第一微波信号和第二微波信号进行叠加处理后获得，因此，谐振波中振荡峰频率也变化，实现谐振波的振荡峰频率变化与温度信号变化相关，通过观察指定频率下谐振波的振幅可以实现将振荡峰的漂移量与温度的变换关系得到温度与振荡峰强度的关系，因此，易于从由合束单元输出的谐振波中还原出温度信号，极大的减少了传感装置的成本，增加了传感装置的实用价值。

本发明提供的光纤温度传感装置，谐振波的振荡峰在一定范围内，其幅值与频率呈现线性关系，且斜率很高，当温度信号加载在温度传感装置上时，振荡峰的发生漂移，使得谐振波在固定频率下其强度会发生很大的变化，使得该温度传感装置的灵敏度高。

当第二光纤长度远大于第一光纤长度时，第一微波信号的振荡峰带宽远大于第二微波信号的振荡峰带宽，谐振波中振荡峰线性区域较大。温度测量的动态范围与第二光纤的长度有关，通过调整第二光纤的长度实现调整温度测量的动态范围。

本发明提供的光纤温度传感装置的实施例，ASE宽谱光源输出激光输入光电调制器后通过3dB光纤耦合器分别接100m单模光纤与1km单模光纤，其中1km单模光纤中包含长度为5m的传感单模光纤光纤用作温度传感。100m单模光纤末端接入第一光电探测器，1km的单模光纤末端接入第二光电探测器，再将第一电探测器所探测的微波信号接入第一微波放大器，将第二电探测器所探测的微波信号接入第二微波放大器，最终通过微波合束器将两个微波信号进行叠加处理获得谐振波，并将谐振波分为两路信号输出，一路谐振波作为反馈接入光电调制器，另一路谐振波作为探测信号输出，由频谱仪12对谐振波进行采集。

打开ASE宽谱光源，在仅接入100m光纤的情况下测量第一微波信号的振荡谱线，在仅接入1km光纤的情况下测量第二微波信号的振荡谱线，通过调节第一微波放大器的增益系数和第二微波放大器的增益系数，将100m单模光纤的振荡谱线的强度调整至1km单模光纤振荡谱线强度相当。再将100m单模光纤与1km单模光纤同时接入构成两个振荡回路即可得到光纤温度传感装置的输出的谐振波的振荡谱线，谐振波的振荡谱线中振幅最大。

图2为通过检测第一微波放大器输出端的输出信号获得第一微波信号波形图，图3为通过检测第二微波放大器输出端的输出信号获得第二微波信号波形图。图4为本发明提供的光纤温度传感装置中合束单元输出的谐振波的波形图。从图2至图4中可以看出，由于第一微波信号的振荡峰之间的间距大于第二微波信号的振荡峰之间的间距，第一微波信号作为滤波器，将一部分第二微波信号中波形保留，将传感光纤放入温度变化环境中，观察温度传感器产生的振荡峰的强度变化，通过峰值的强度变化即可看出温度的变化。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种光纤温度传感装置，其特征在于，包括：

光电调制单元(2)，其输入端接收激光信号，用于根据控制端反馈电信号对激光信号进行调制处理，输出调制光信号；

分束单元(3)，其输入端与所述光电调制单元(2)的输出端连接，用于对所述调制光信号进行分束处理输出第一调制光信号和第二调制光信号；

第一支路，其输入端与所述分束单元(3)的第一输出端连接，用于传输第一调制光信号，将经过传输后的第一调制光信号进行光电转化获得第一微波信号，并对第一微波信号进行放大处理输出放大后的第一微波信号；

第二支路，其设有传感单元，其输入端与所述分束单元(3)的第二输出端连接，用于传输第二调制光信号，将经过传输后的第二调制光信号进行光电转化获得第二微波信号，并对第二微波信号进行放大处理输出放大后的第二微波信号；

合束单元(11)，其第一输入端与所述第一支路的输出端连接，其第二输入端与所述第二支路的输出端连接，其输出端与所述光电调制单元(2)的控制端连接，用于对放大后的第一微波信号和放大后的第二微波信号进行叠加处理输出谐振波，并将谐振波作为反馈电信号传输至所述光电调制单元(2)的控制端；

当所述第二支路的传感单元加载有温度信号后，所述第二微波信号的振荡峰变化，进而使得所述谐振波的振荡峰频率变化，实现所述谐振波的振荡峰频率变化与温度信号变化相关。

2.如权利要求1所述的光纤温度传感装置，其特征在于，工作时，所述第一微波信号经过放大处理后与所述放大后的第二微波信号叠加后作为所述光电调制单元控制端的信号，所述光电调制单元根据控制端的信号对激光信号进行调制处理，对所述调制光信号进行分束处理后将所述第一调制光信号转化为所述第一微波信号，经过多次环路反馈后，使所述第一微波信号为振荡信号；

所述第二微波信号经过放大处理后与所述放大后的第一微波信号叠加后作为所述光电调制单元控制端的信号，所述光电调制单元根据控制端的信号对激光信号进行调制处理，对所述调制光信号进行分束处理后将所述第二调制光信号转化为所述第二微波信号，经过多次环路反馈后，使所述第二微波信号为振荡信号。

3.如权利要求1所述的光纤温度传感装置，其特征在于，所述第一支路包括：

第一光纤(4)，其输入端作为所述第一支路的输入端，用于传输第一调制光信号；

第一光电转化单元(7)，其输入端与第一光纤的输出端连接，用于将第一调制光信号进行光电转化并输出所述第一微波信号；

第一微波放大单元(10)，其输入端与第一光电传转化单元(7)的输出端连接，所述第一微波放大单元(10)的输出端作为所述第一支路的输出端，用于将第一微波信号进行放大处理并输出放大后的第一微波信号。

4.如权利要求3所述的光纤温度传感装置，其特征在于，所述第二支路包括：

第二光纤(5)，其上设置有传感单元(6)，其输入端作为所述第二支路的输入端，用于传输第二调制光信号；

第二光电转化单元(8)，其输入端与所述第二光纤(5)的输出端连接，用于将所述第二调制光信号进行光电转化并输出第二微波信号；

第二微波放大单元(9)，其输入端与所述第二光电转化单元(8)的输出端连接，所述第二微波放大单元(9)的输出端作为所述第二支路的输出端，用于将第二微波信号进行放大处理，输出放大后的第二微波信号；

且所述第二光纤长度远大于所述第一光纤长度，使得第二微波信号的振荡峰带宽远小于第一微波信号的振荡峰带宽，用于提高谐振波线性度。

5.如权利要求4所述的光纤温度传感装置，其特征在于，所述第二光纤的长度大于所述第一光纤长度的10倍。

6.如权利要求1-5任一项所述的光纤温度传感装置，其特征在于，调节所述第一微波放大单元(10)的增益和所述第二微波放大单元(9)的增益实现第一微波信号的振幅与第二微波信号的振幅相同。

7.如权利要求1-6任一项所述光纤温度传感装置，其特征在于，所述第一光纤和所述第二光纤均为单模光纤。