CN107796530B - 一种基于Sagnac环与FP腔并联的光谱探测温度传感器 - Google Patents

一种基于Sagnac环与FP腔并联的光谱探测温度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于Sagnac环与FP腔并联的光谱探测温度传感器，包括：第一耦合器，隔离器，第二耦合器，环形器，FP腔，第三耦合器，Sagnac环，衰减器，第四耦合器；所述第一耦合器、隔离器、第二耦合器、环形器、FP腔、第三耦合器、Sagnac环、衰减器、第四耦合器通过单模光纤连接；所述第一耦合器与所述隔离器相连，所述隔离器与所述第二耦合器入口相连，所述第二耦合器第一出口与所述环形器、FP腔相连，所述第二耦合器第二出口与所述第三耦合器、Sagnac环入口相连、衰减器相连，所述衰减器与所述第四耦合器第二入口相连，所述第四耦合器出口与光谱仪相连。本发明利用游标效应，基于Sagnac环与FP腔并联结构温度传感器比基于单个Sagnac环结构的温度传感器灵敏度提高几十倍。

Description

一种基于Sagnac环与FP腔并联的光谱探测温度传感器
技术领域
本发明涉及一种光谱探测温度传感器，特别涉及一种基于Sagnac环与FP腔并联的光谱探测温度传感器。
背景技术
目前基于光纤光栅的温度传感器灵敏度太低，仅为约10pm/℃，基于长周期光栅的温度传感器灵敏度相对较高，但存在对弯曲和外部材料交叉敏感的问题，基于光纤马赫-曾德干涉仪或光纤迈克尔逊干涉仪的温度传感器对外界振动交叉敏感，尽管相比于以上温度传感器，基于单个Sagnac环干涉的温度传感器具有更强的抗外界干扰的能力，但是通常情况下其灵敏度仅有约1nm/℃。因此，研制一种灵敏度较高的光纤传感器成为本领域迫切解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前光纤传感器灵敏度不高的技术问题，开发了一种基于Sagnac环与FP腔并联的光谱探测温度传感器。
具体的，本发明涉及一种基于Sagnac环与FP腔并联的光谱探测温度传感器，包括：第一耦合器，隔离器，第二耦合器，环形器，FP腔，第三耦合器，Sagnac环，衰减器，第四耦合器；所述第一耦合器、隔离器、第二耦合器、环形器、FP腔、第三耦合器、Sagnac环、衰减器、第四耦合器通过单模光纤连接；
所述第一耦合器与所述隔离器相连，所述隔离器与所述第二耦合器入口相连，所述第二耦合器第一出口与所述环形器第一入口相连，所述环形器第一出口与所述FP腔入口相连，所述FP腔出口与所述环形器第二入口相连，所述环形器第二出口与所述第四耦合器第一入口相连，所述第二耦合器第二出口与所述第三耦合器第一入口相连，所述第三耦合器第一出口与所述Sagnac环入口相连，所述Sagnac环出口与所述第三耦合器第二入口相连，所述第三耦合器第二出口与所述衰减器相连，所述衰减器与所述第四耦合器第二入口相连，所述第四耦合器出口与光谱仪相连。
进一步的，所述Sagnac环内包含一段长度为0.1-2米的双孔光纤，所述双孔光纤两端与所述单模光纤熔接；所述双孔光纤包含纤芯和两个相对于所述纤芯对称分布的空气孔，两个所述空气孔内填充酒精。
进一步的，所述双孔光纤的直径与单模光纤均为110-140微米，所述双孔光纤的两个空气孔的直径均为10-30微米，两孔间隔40-60微米。
进一步的，所述双孔光纤的长度为1米，直径与单模光纤均为125微米，所述双孔光纤的两个空气孔的直径均为20微米，两孔间隔50微米。
进一步的，FP腔为石英管两端熔接所述单模光纤，所述石英管长度为100-500微米，所述石英管外径与所述单模光纤直径均为110-140微米，所述石英管内径为20-80微米。
进一步的，所述石英管长度为300微米，所述石英管外径与所述单模光纤直径均为125微米，所述石英管内径为60微米。
进一步的，所述FP腔干涉谱为：
其中，IFP为FP腔干涉谱光强，I1和I2分别为FP腔反射面1和反射面2的反射光强，d为FP腔的长度，n为FP腔内空气折射率，λ为入射光的波长，FP腔的自由光谱范围FSRFP为
FSRFP＝λ2/2nd (2)
所述Sagnac环的透射谱为：
其中，Isagnac为Sagnac环干涉谱光强,B和L分别为双孔光纤的双折射系数和长度，λ为入射光的波长，Sagnac环的自由光谱范围FSRSagnac为
FSRSagnac＝λ2/BL (4)
干涉谱包络的自由光谱范围FSREnvelope与FP腔自由光谱范围FSRFP和Sagnac环自由光谱范围FSRSagnac的关系为
当Sagnac环在温度的作用下频移时，干涉谱包络随之频移，且频移量是Sagnac环频移量的M倍，M为灵敏度增大因子，表示为
所述M的取值范围为10-50。
进一步的，所述M的取值为20。
本发明的有益效果：本发明提出了基于Sagnac环与FP腔并联结构的温度传感器，当Sagnac环的自由光谱范围与FP腔的自由光谱范围接近时，信号光经Sagnac环和FP腔构成的并联结构后，干涉谱将会产生包络，当温度变化时，干涉谱包络的频移为Sagnac环干涉谱频移的几十倍，此现象称为游标效应。利用游标效应，基于Sagnac环与FP腔并联结构的温度传感器比基于单个Sagnac环结构的温度传感器灵敏度提高几十倍。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例温度传感器的结构原理示意图；
图2为本发明实施例双孔光纤截面图；
图3为本发明实施例FP腔结构原理示意图；
图4(a)为单独FP腔和Sagnac环干涉普；
图4(b)为FP腔和Sagnac环并联干涉普；
图5(a)为单个Sagnac环干涉仪和单个FP腔干涉仪的干涉谱；
图5(b)为FP腔和Sagnac环并联干涉普；
图6(a)为42.2℃和43.0℃时单个Sagnac环和单个FP腔的干涉谱；
图6(b)为42.2℃和43.0℃时FP腔和Sagnac环并联干涉谱；
图7为单个Sagnac环与并联结构干涉谱频移随温度的变化。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
如图1所示，本发明涉及一种基于Sagnac环与FP腔并联的光谱探测温度传感器，包括：第一耦合器，隔离器，第二耦合器，环形器，FP腔，第三耦合器，Sagnac环，衰减器，第四耦合器；所述第一耦合器、隔离器、第二耦合器、环形器、FP腔、第三耦合器、Sagnac环、衰减器、第四耦合器通过单模光纤连接；
所述第一耦合器与所述隔离器相连，所述隔离器与所述第二耦合器入口相连，所述第二耦合器第一出口与所述环形器第一入口相连，所述环形器第一出口与所述FP腔入口相连，所述FP腔出口与所述环形器第二入口相连，所述环形器第二出口与所述第四耦合器第一入口相连，所述第二耦合器第二出口与所述第三耦合器第一入口相连，所述第三耦合器第一出口与所述Sagnac环入口相连，所述Sagnac环出口与所述第三耦合器第二入口相连，所述第三耦合器第二出口与所述衰减器相连，所述衰减器与所述第四耦合器第二入口相连，所述第四耦合器出口与光谱仪相连。
检测光(通常取C波段到L波段的ASE光源)通过第一耦合器进入单模光纤后，又经过隔离器，避免光路反复，然后光信号通过第二耦合器分成两束，一束光通过循环器进入FP腔，光信号经过FP腔的前后面反射后，由于出现位相差而形成干涉条纹(如图4(a)所示)，另一束光通过第三耦合器进入Sagnac环，经Sagnac环内的双孔光纤时分为分别沿快慢轴传输的两束光，由于快慢轴折射率不同，当此两束光再次经第三耦合器相遇时，就会形成Sagnac干涉条纹，(如图4(a)所示)，两部分干涉信号光通过第四耦合器叠加，形成叠加后的包络(如图4(b)所示)，当温度变化时，双孔光纤快慢轴的折射率差发生变化，导致Sagnac干涉谱频移，进而导致干涉谱包络频移，通过光谱仪测量干涉谱包络的频移量即可获得温度变化。
如图2所示，其中，所述Sagnac环内包含一段长度为0.1-2米的双孔光纤，所述双孔光纤两端与所述单模光纤熔接；所述双孔光纤包含纤芯和两个相对于所述纤芯对称分布的空气孔，两个所述空气孔内填充酒精，也可以填充煤油等其他热敏感液体，通过敏感性液体材料对周围温度的变化，引起光纤折射率的变化，进而使得Sagnac环的自由光谱范围发生变化，入射光发生干涉(如图4(b)所示)，最终反映到整体传感器的自由光谱范围的放大变化信号，通过示波器进行检测。
其中，所述双孔光纤的直径与单模光纤均为110-140微米，所述双孔光纤的两个空气孔的直径均为10-30微米，两孔间隔40-60微米，所述尺寸为根据上述公式推导出来的能够精准测量温度变化的较佳尺寸，也通过实验模拟具有优良的可检测性，能够获得最优的温度检测精度。
其中，所述双孔光纤的长度为1米，直径与单模光纤均为125微米，所述双孔光纤的两个空气孔的直径均为20微米，两孔间隔50微米，所述尺寸为根据上述公式推导出来的能够精准测量温度变化的较佳尺寸，也通过实验模拟具有优良的可检测性，能够获得最优的温度检测精度。
其中，如图3所示，FP腔为石英管两端熔接所述单模光纤，所述石英管长度为100-500微米，所述石英管外径与所述单模光纤直径均为110-140微米，所述石英管内径为20-80微米，所述尺寸为根据上述公式推导出来的能够精准测量温度变化的较佳尺寸，也通过实验模拟具有优良的可检测性，能够获得最优的温度检测精度。
入射信号光部分在反射面1反射，部分在反射面1透射，在反射面2反射，在反射面1和反射面2反射的信号光存在相位差，叠加后产生干涉信号(如图4(a)所示)。
其中，所述石英管长度为300微米，所述石英管外径与所述单模光纤直径均为125微米，所述石英管内径为60微米，所述尺寸为根据上述公式推导出来的能够精准测量温度变化的较佳尺寸，也通过实验模拟具有优良的可检测性，能够获得最优的温度检测精度。
其中，当检测光入射到FP腔时，所述FP腔干涉谱为：
其中，IFP为FP腔干涉谱光强，I1和I2分别为FP腔反射面1和反射面2的反射光强，d为FP腔的长度，n为FP腔内空气折射率，λ为入射光的波长，FP腔的自由光谱范围FSRFP为(如图4(a)所示)
FSRFP＝λ2/2nd (2)
当检测光入射到Sagnac环时,所述Sagnac环的透射谱为：
其中，Isagnac为Sagnac环干涉谱光强,B和L分别为双孔光纤的双折射系数和长度，λ为入射光的波长，Sagnac环的自由光谱范围FSRSagnac为(如图4(a)所示)
FSRSagnac＝λ2/BL (4)
干涉谱包络的自由光谱范围FSREnvelope与FP腔自由光谱范围FSRFP和Sagnac环自由光谱范围FSRSagnac的关系为(如图4(b)所示)
当Sagnac环在温度的作用下频移时，干涉谱包络随之频移，且频移量是Sagnac环频移量的M倍，M为灵敏度增大因子，表示为
原则上，M的取值越大，说明放大信号越大，温度探测灵敏度越高，从上述式(6)可以看出，当FSRFP与FSREnvelope接近时，M的值为无穷大，但此时并联光谱范围FSREnvelope也为无穷大，此时示波器并不能测出该自由光谱范围，也就无法测出温度的变化，因此，经过实验证明，所述M的取值范围为10-50较佳。优选所述M的取值为20。
当温度变化ΔT时，Sagnac环就会产生频移，频移量ΔλSagnac为
其中，ΔB为温度变化ΔT时双孔光纤的双折射系数的变化量。
FP腔对温度极不敏感，作为“游标卡尺”的固定尺，Sagnac环对温度敏感，作为“游标卡尺”的滑动尺。当Sagnac环在温度的作用下频移时，干涉谱包络随之频移，且频移量是Sagnac环频移量的M倍。
因此，干涉谱包络随温度的频移ΔλEnvelope可表示为
即ΔλEnvelope＝ΔλSagnac·M(9)
通过检测干涉谱包络随温度变化的频移量即可获得并联FP腔和Sagnac环温度传感器的灵敏度，其灵敏度是单个Sagnac环灵敏度度的M倍，通常M值在10-50。因此，该并联温度传感器相对于单个Sagnac环温度传感器灵敏度的提高了1-2个数量级。
上述基于Sagnac环与FP腔并联结构的温度传感器所需的光源，波长范围优选覆盖约80-100nm，例如包括C波段和L波段的ASE光源，也可以为宽带光源。
实验数据如图5-7所示，图5(a)为单个Sagnac环干涉仪和单个FP腔干涉仪的干涉谱；实验测得，其周期分别为3.21nm和3.38nm，结合公式(5)计算可知M放大因子为19.9，图5(b)为串联干涉谱，实验测得，其周期为48nm。
图6(a)为42.2℃和43.0℃时单个Sagnac环的干涉谱，当温度由42.2℃升高至43.0℃时，单个Sagnac环的干涉谱蓝移0.8nm，图6(b)为42.2℃和43.0℃时单个Sagnac环和单个FP腔级联后的干涉谱，当温度由42.2℃升高至43.0℃时，其干涉谱蓝移23nm。
图7是单个Sagnac环与级联结构干涉谱频移随温度的变化，可知串联结构灵敏度为单个Sagnac环的20.7倍，此实验结果与理论结果(19.9)基本吻合。
综上，本发明提出了基于Sagnac环与FP腔并联结构的温度传感器，当Sagnac环的自由光谱范围与FP腔的自由光谱范围接近时，信号光经Sagnac环和FP腔构成的并联结构后，干涉谱将会产生包络，当温度变化时，干涉谱包络的频移为Sagnac环干涉谱频移的几十倍，此现象称为游标效应。利用游标效应，基于Sagnac环与FP腔并联结构的温度传感器比基于单个Sagnac环结构的温度传感器灵敏度提高几十倍，从而有利于提高光纤传感器的测量精度。
相对于单个Sagnac环温度传感器，基于该并联结构的温度传感器温度测量灵敏度提高了1-2个数量级；该结构对外界振动具有极高的抗干扰能力。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于Sagnac环与FP腔并联的光谱探测温度传感器，其特征在于，包括：
第一耦合器，隔离器，第二耦合器，环形器，FP腔，第三耦合器，Sagnac环，衰减器，第四耦合器；所述第一耦合器、隔离器、第二耦合器、环形器、FP腔、第三耦合器、Sagnac环、衰减器、第四耦合器通过单模光纤连接；
所述第一耦合器与所述隔离器相连，所述隔离器与所述第二耦合器入口相连，所述第二耦合器第一出口与所述环形器第一入口相连，所述环形器第一出口与所述FP腔入口相连，所述FP腔出口与所述环形器第二入口相连，所述环形器第二出口与所述第四耦合器第一入口相连，所述第二耦合器第二出口与所述第三耦合器第一入口相连，所述第三耦合器第一出口与所述Sagnac环入口相连，所述Sagnac环出口与所述第三耦合器第二入口相连，所述第三耦合器第二出口与所述衰减器相连，所述衰减器与所述第四耦合器第二入口相连，所述第四耦合器出口与光谱仪相连。
2.根据权利要求1所述的光谱探测温度传感器，其特征在于，
所述Sagnac环内包含一段长度为0.1-2米的双孔光纤，所述双孔光纤两端与所述单模光纤熔接；所述双孔光纤包含纤芯和两个相对于所述纤芯对称分布的空气孔，两个所述空气孔内填充酒精。
3.根据权利要求2所述的光谱探测温度传感器，其特征在于，
所述双孔光纤与单模光纤的直径均为110-140微米，所述双孔光纤的两个空气孔的直径均为10-30微米，两孔间隔40-60微米。
4.根据权利要求3所述的光谱探测温度传感器，其特征在于，
所述双孔光纤的长度为1米，其与单模光纤的直径均为125微米，所述双孔光纤的两个空气孔的直径均为20微米，两孔间隔50微米。
5.根据权利要求1所述的光谱探测温度传感器，其特征在于，
FP腔为石英管两端熔接所述单模光纤，所述石英管长度为100-500微米，所述石英管外径与所述单模光纤直径均为110-140微米，所述石英管内径为20-80微米。
6.根据权利要求5所述的光谱探测温度传感器，其特征在于，
所述石英管长度为300微米，所述石英管外径与所述单模光纤直径均为125微米，所述石英管内径为60微米。
7.根据权利要求1所述的光谱探测温度传感器，其特征在于，
所述FP腔干涉谱为：
其中，IFP为FP腔干涉谱光强，I1和I2分别为FP腔反射面1和反射面2的反射光强，d为FP腔的长度，n为FP腔内空气折射率，λ为入射光的波长，FP腔的自由光谱范围FSRFP为
FSRFP＝λ2/2nd (2)
所述Sagnac环的透射谱为：
其中，Isagnac为Sagnac环干涉谱光强,B和L分别为双孔光纤的双折射系数和长度，λ为入射光的波长，Sagnac环的自由光谱范围FSRSagnac为
FSRSagnac＝λ2/BL (4)
干涉谱包络的自由光谱范围FSREnvelope与FP腔自由光谱范围FSRFP和Sagnac环自由光谱范围FSRSagnac的关系为
当Sagnac环在温度的作用下频移时，干涉谱包络随之频移，且频移量是Sagnac环频移量的M倍，M为灵敏度增大因子，表示为
所述M的取值范围为10-50。
8.根据权利要求7所述的光谱探测温度传感器，其特征在于，所述M的取值为20。
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