CN108362401A - 一种光纤光栅温度传感器响应时间的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤光栅温度传感器响应时间的测试方法，该测试方法是基于响应时间测试装置，主要包括：首先，将参考光纤光栅无拉伸地固定在光纤夹持器上，保持其中心波长为1525nm；其次，调节参考光纤光栅的中心波长与待测光纤光栅的波长相同；再次，开启宽带光源；然后，放入温箱中，设定所需的温度值50‑100℃，温度稳定30分钟后，将待测光纤光栅放入温箱；数据采集卡将来自光电探测器的信号送入计算机进行分析，将采集卡采集到的信号归一化；最后待测光纤光栅的响应时间用时间常数τ衡量，定义为温度上升为稳态值的63.2％时所用的时间。本发明根据待测光纤光栅和参考光纤光栅反射谱的卷积运算得到，避免了解调仪对响应时间测试带来的影响，检测精度高。

Description

一种光纤光栅温度传感器响应时间的测试方法

技术领域

本发明光纤传感检测领域，具体涉及一种光纤光栅温度传感器响应时间的测试方法。

背景技术

光纤光栅温度传感器具有重量轻，体积小，抗电磁干扰，响应时间短等优点，已经被广泛应用于电力、油田、土木工程等领域。这些领域中的温度变化速度较慢，属于静态或准静态温度测量，对光纤光栅温度传感器的响应时间要求并不高。但在海洋、航空航天等应用领域，要求光纤光栅温度传感器响应速度快，通常用时间常数t来衡量响应速度。因此，在温度动态变化的应用场合，响应时间光纤光栅温度传感器的。

2014年，柳翔等(柳翔，励强华，张岩宇，周世伟.FBG温度传感器响应时间滞后性的研究.光学技术，第40卷，第2期，156-159,2014.)指出光纤光栅温度传感器的响应速度受材料、热交换系数和外包材料的影响，但并没有精确测量光纤光栅温度传感器的的响应时间。2015年，张登攀等(张登攀，王瑨，王永杰.光纤光栅海洋温度传感器的快速响应特性.光电工程，第42卷，第3期，2015.)对金属管封装的光纤光栅温度传感器的响应时间进行测试，采用解调仪实时监测波长变化，该测试装置没有考虑到解调仪的响应时间对测试结果的影响。2016年，YH Pan等提出了一种光纤光栅温度传感器响应时间测试装置，由于装置采用匹配光栅原理，因此要求参考光纤光栅与被测试的光纤光栅的中心波长严格相等。若被测光纤光栅的中心波长改变，须将参考光纤光栅更换为与被测光纤光栅同波长。这就增加了系统成本和测试过程的复杂度，且不适用于响应时间的批量测试过程。基于此，本发明提供一种光纤光栅温度传感器响应时间的测试方法。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明旨在提供一种光纤光栅温度传感器响应时间测试方法，以实现对光纤光栅温度传感器响应时间的准确测量。

为实现该技术目的，本发明的方案是：一种光纤光栅温度传感器响应时间的测试方法，该测试方法是基于响应时间测试装置，所述响应时间测试装置主要由以信号线顺序连接的宽带光源、环形器模块、光电探测器和数据采集卡、计算机构成，所述环形器模块封装于外壳内，所述环形器模块内串联有第一环形器和第二环形器，第一环形器与第二环形器以端口相连，所述第一环形器连接待测光纤光栅，所述第二环形器连接参考光纤光栅；

所述光电探测器是将输入的光信号转化为模拟电压信号；

所述数据采集卡采集由光电探测器得到的模拟电压信号，并输出给计算机；

所述计算机将由数据采集卡采集到的信号进行存储、显示和分析；

所述参考光纤光栅上设置有波长调节机构，所述波长调节机构主要由设置于所述参考光纤光栅两端的光纤夹持器和设置于所述光纤夹持器下部且用于固定所述参考光纤光栅的位移台构成，所述位移台由底板和位于底板上的左右两个光纤专用位移台构成；

该测试方法具体包括如下步骤：

1)将参考光纤光栅无拉伸地固定在光纤夹持器上，保持其中心波长为1525nm；

2)利用光纤专用位移台调节参考光纤光栅的中心波长与待测光纤光栅的波长相同：其中左右两光纤专用位移台之间静止距离为100mm，分辨率为1μm；

3)开启宽带光源；

4)将位移台连同参考光纤光栅放入温箱中，设定所需的温度值50-100℃，温度稳定30分钟后，将待测光纤光栅放入温箱；

5)宽带光源发出的光经第一环形器进入到待测光纤光栅，待测光纤光栅的反射光谱经由第一环形器的Ⅲ端口经第二环形器的Ⅱ端口进入参考光纤光栅，参考光纤光栅的反射光谱经第二环形器的Ⅲ端口进入光电探测器；

6)光电探测器接收来自参考光纤光栅的反射光信号，转换为电信号，送入数据采集卡；

7)光电探测器接收的信号为待测光纤光栅反射谱与参考光纤光栅反射谱的卷积，当待测光纤光栅与参考光纤光栅中心波长相同时，卷积信号达到最大值；

8)数据采集卡将来自光电探测器的信号送入计算机进行分析，将采集卡采集到的信号归一化；

9)待测光纤光栅的响应时间用时间常数τ衡量，定义为温度上升为稳态值的63.2％时所用的时间，即数据采集卡采集的信号从初始值上升为63.2％时所用的时间。

本发明有如下优点：

(1)本发明采用匹配光栅原理，响应时间并不是利用解调仪直接监测，而是根据待测光纤光栅和参考光纤光栅反射谱的卷积运算得到，避免了解调仪对响应时间测试带来的影响，检测精度高。

(2)本发明中采用的参考光纤光栅波长可调，无需为每一个光纤光栅温度传感器匹配相同波长的参考光纤光栅，降低了响应时间测试的复杂度和成本。

(3)本发明采用精密的位移台对参考光纤光栅波长进行调节，调节精度高，确保参考光纤光栅和待测光纤光栅的波长准确匹配，提高响应时间的测试精度。

附图说明

图1是本发明中的光纤光栅温度传感器响应时间测试装置结构示意图；

图2是本发明中的光纤光栅温度传感器响应时间测试曲线图。

图中：1-宽带光源，2-外壳，3-第一环形器，4-第二环形器，5-法兰盘，6-待测光纤光栅，7-参考光纤光栅，8-光纤夹持器，9-底板，10-光纤专用位移台，11-光电探测器，12-数据采集卡，13-计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例：光纤光栅温度传感器响应时间测试装置主要由以信号线顺序连接的宽带光源1、环形器模块、光电探测器11和数据采集卡12、计算机13构成，所述环形器模块封装于外壳2内,所述环形器模块内串联有第一环形器3和第二环形器4，第一环形器3与第二环形器4以端口相连，所述第一环形器3连接待测光纤光栅6，所述第二环形器4连接参考光纤光栅7；

所述光电探测器11是将输入的光信号转化为模拟电压信号；

所述数据采集卡12采集由光电探测器11得到的模拟电压信号，并输出给计算机13；

所述计算机13将由数据采集卡12采集到的信号进行存储、显示和分析；所述参考光纤光栅7上设置有波长调节机构，所述波长调节机构主要由设置于所述参考光纤光栅7两端的光纤夹持器8和设置于所述光纤夹持器8下部且用于固定所述参考光纤光栅7的位移台构成，所述位移台由底板9和位于底板9上的左右两个光纤专用位移台10构成。

采用上述响应时间测试装置对光纤光栅温度传感器响应时间的测试方法，包括以下步骤：

步骤一：将参考光纤光栅7无拉伸地固定在光纤夹持器上，保持其中心波长为1525nm；

步骤二：利用光纤专用位移台10调节参考光纤光栅7的中心波长与待测光纤光栅6的波长相同：其中左右两光纤专用位移台10之间静止距离为100mm，分辨率为1μm；

步骤三：开启宽带光源；

步骤四：将位移台连同参考光纤光栅7放入温箱中，设定所需的温度值75℃，温度稳定30分钟后，将待测光纤光栅6放入温箱；

步骤五：宽带光源1发出的光经第一环形器3进入到待测光纤光栅6，待测光纤光栅6的反射光谱经由第一环形器3的Ⅲ端口经第二环形器4的Ⅱ端口进入参考光纤光栅7，参考光纤光栅7的反射光谱经第二环形器4的Ⅲ端口进入光电探测器11；

步骤六：光电探测器11接收来自参考光纤光栅7的反射光信号，转换为电信号，送入数据采集卡12；

步骤七：光电探测器11接收的信号为待测光纤光栅6反射谱与参考光纤光栅7反射谱的卷积，当待测光纤光栅6与参考光纤光栅7中心波长相同时，卷积信号达到最大值；

步骤八：数据采集卡12将来自光电探测器11的信号送入计算机进行分析：

数据采集卡的采样频率为10KHz，待测光纤光栅传感器响应时间计算方法为：将采集卡采集到的信号归一化，如图2所示，假设该信号最后一个幅度为零的点对应的采样点数为N₀，幅度为0.632时的对应的采样点数为N_τ，则响应时间(N_τ-N₀)×(1/10000)；

图2为用该方法采集到待测陶瓷封装的光纤光栅传感器响应时间图；

图2中N₀＝82，N_τ＝3139，计算出响应时间为305.7ms；

步骤九：待测光纤光栅6的响应时间用时间常数τ衡量，定义为温度上升为稳态值的63.2％时所用的时间，即数据采集卡12采集的信号从初始值上升为63.2％时所用的时间。

应当理解的是，这里所讨论的实施方案及实例只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种光纤光栅温度传感器响应时间的测试方法，其特征在于，该测试方法是基于响应时间测试装置，所述响应时间测试装置主要由以信号线顺序连接的宽带光源、环形器模块、光电探测器和数据采集卡、计算机构成，所述环形器模块封装于外壳内，所述环形器模块内串联有第一环形器和第二环形器，第一环形器与第二环形器以端口相连，所述第一环形器连接待测光纤光栅，所述第二环形器连接参考光纤光栅；

所述光电探测器是将输入的光信号转化为模拟电压信号；

所述数据采集卡采集由光电探测器得到的模拟电压信号，并输出给计算机；

所述计算机将由数据采集卡采集到的信号进行存储、显示和分析；

所述参考光纤光栅上设置有波长调节机构，所述波长调节机构主要由设置于所述参考光纤光栅两端的光纤夹持器和设置于所述光纤夹持器下部且用于固定所述参考光纤光栅的位移台构成，所述位移台由底板和位于底板上的左右两个光纤专用位移台构成；

该测试方法具体包括如下步骤：

1)将参考光纤光栅无拉伸地固定在光纤夹持器上，保持其中心波长为1525nm；

2)利用光纤专用位移台调节参考光纤光栅的中心波长与待测光纤光栅的波长相同：其中左右两光纤专用位移台之间静止距离为100mm，分辨率为1μm；

3)开启宽带光源；

4)将位移台连同参考光纤光栅放入温箱中，设定所需的温度值50-100℃，温度稳定30分钟后，将待测光纤光栅放入温箱；

5)宽带光源发出的光经第一环形器进入到待测光纤光栅，待测光纤光栅的反射光谱经由第一环形器的Ⅲ端口经第二环形器的Ⅱ端口进入参考光纤光栅，参考光纤光栅的反射光谱经第二环形器的Ⅲ端口进入光电探测器；

6)光电探测器接收来自参考光纤光栅的反射光信号，转换为电信号，送入数据采集卡；

7)光电探测器接收的信号为待测光纤光栅反射谱与参考光纤光栅反射谱的卷积，当待测光纤光栅与参考光纤光栅中心波长相同时，卷积信号达到最大值；

8)数据采集卡将来自光电探测器的信号送入计算机进行分析，将采集卡采集到的信号归一化；

9)待测光纤光栅的响应时间用时间常数τ衡量，定义为温度上升为稳态值的63.2％时所用的时间，即数据采集卡采集的信号从初始值上升为63.2％时所用的时间。