CN108414114A - 一种光纤温度传感探头及光纤温度传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤温度传感探头及光纤温度传感系统，该光纤温度传感系统包括宽谱光源、扫频微波信号源、电光调制器、微波功分器、迈克尔逊干涉仪、光电探测器、混频器、数据采集电路和处理器。该光纤温度传感系统采用光纤环作为温度感应探头，整套系统的温度测量灵敏度可取决于系统所用扫频微波信号源的频率调节精度以及光纤温度探头所用光纤的长度。可实现高达500℃的测量范围，并可对系统测量灵敏度进行实时调节。

Description

一种光纤温度传感探头及光纤温度传感系统

技术领域

本发明涉及温度测量技术领域，特别是涉及一种光纤温度传感探头及光纤温度传感系统。

背景技术

目前光纤温度传感器主要有光纤法珀，光纤光栅和光纤荧光等类型的传感器。而这些传感器对应的解调系统也大都采用光学解调的方法来实现，前两者传感器的解调系统由于采用光学解调方法而容易受到环境因素的影响。光纤荧光温度传感器的解调系统采用电学方法，但该解调方法受限于荧光测温材料的荧光强度。综上，基于现有光纤温度传感器的上述缺陷，本领域技术人员亟需提供一种能够实时准确调节温度检测精度的光纤温度传感设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种光纤温度传感探头及光纤温度传感系统，以实现实时准确调节温度检测精度的目的。

为实现上述目的，本发明提供了一种光纤温度传感探头，包括：

温度感应环，由光纤制成，用于感应温度；

光纤环，处于恒定温度环境中，用于与所述温度感应环形成长度差，实现温度测量。

可选的，所述温度感应环和所述光纤环均由单模光纤制成。

可选的，所述温度感应环和所述光纤环均采用光纤陀螺绕环工艺将单模光纤做环绕制成。

可选的，所述温度感应环和所述光纤环均涂设有金属涂层。

本发明还提供了一种光纤温度传感系统，包括宽谱光源、扫频微波信号源、电光调制器、微波功分器、迈克尔逊干涉仪、光电探测器、混频器、数据采集电路和处理器；

所述宽谱光源产生的线偏振光入射至所述电光调制器的第一入射端；

所述微波功分器的输入端连接所述扫频微波信号源的输出端并将所述扫频微波信号源产生的微波信号分成第一微波信号和第二微波信号，所述第一微波信号传输至所述电光调制器的第二入射端，所述电光调制器将所述第一微波信号调制到所述线偏振光上形成光载微波信号；所述第二微波信号经微波移相器输入至所述混频器的本振输入端；所述光载微波信号入射至迈克尔逊干涉仪的输入端，

所述迈克尔逊干涉仪的入光口与所述电光调制器的输出端连接，所述迈克尔逊干涉仪包括如上所述的光纤温度传感探头，所述迈克尔逊干涉仪的两臂分别为所述温度感应环和所述光纤环；所述光载微波信号入射至所述迈克尔逊干涉仪，并由所述迈克尔逊干涉仪的所述温度感应环和所述光纤环反射输出至所述光电探测器中，所述光电探测器将反射的光载微波信号转化为感温微波信号；所述感温微波信号输入至所述混频器的射频输入端，所述第二微波信号和所述感温微波信号经所述混频器混频后传输至所述数据采集电路，所述数据采集电路得到的包含温度信号的直流信号传输至所述处理器中计算被测温度。

可选的，所述迈克尔逊干涉仪还包括单模光纤耦合器，所述单模光纤耦合器的输出端的两臂分别熔接所述温度感应环和所述光纤环，所述温度感应环的末端和所述光纤环的末端分别镀有高反膜。

可选的，所述电光调制器连接有调制器控制电路，所述调制器控制电路用于将所述电光调制器的工作点控制在输出正交点。

可选的，所述光纤温度传感系统还包括低噪放大器，所述低噪放大器设于所述光电探测器与所述混频器之间，所述低噪放大器用于处理所述感温微波信号。

可选的，所述光纤温度传感系统还包括低通滤波器，所述低通滤波器设于所述混频器与所述数据采集电路之间，所述低通滤波器用于处理所述第二微波信号和所述感温微波信号混频后的信号。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开的光纤温度传感探头及光纤温度传感系统采用光纤环作为温度感应探头，整套系统的温度测量灵敏度可取决于系统所用扫频微波信号源的频率调节精度以及光纤温度探头所用光纤的长度。可实现高达500℃的测量范围，并可对系统测量灵敏度进行实时调节。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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为本发明的实施例2提供的光纤温度传感系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

本实施例1提供的光纤温度传感探头包括温度感应环和光纤环。温度感应环由光纤制成，用于感应温度；光纤环处于恒定温度环境中，用于与温度感应环形成长度差，实现温度测量。

在实际应用中，所述温度感应环和所述光纤环均采用光纤陀螺绕环工艺将单模光纤做环绕制成。另外，为了增大温度测量范围，可以有金属涂层的光纤制作温度感应环和光纤环。

光纤由于受温度的变化会使在光纤中传输的光载微波信号的相位发生变化，而且这种变化是线性的和可重复的，因此可以利用光纤的温度敏感性来制作温度传感器。测量时，需要保证光纤环所处的温度不要发生变化，其对温度的变化容忍值取决于其长度和温度测量的精度。

实施例2：

如图1所示，本实施例2提供的光纤温度传感系统包括宽谱光源101、扫频微波信号源108、电光调制器102、微波功分器109、迈克尔逊干涉仪、光电探测器106、混频器202、数据采集电路204和处理器205。

所述宽谱光源101产生的线偏振光入射至所述电光调制器102的第一入射端；

所述微波功分器109的输入端连接所述扫频微波信号源108的输出端并将所述扫频微波信号源108产生的微波信号分成第一微波信号和第二微波信号，所述第一微波信号传输至所述电光调制器102的第二入射端，所述电光调制器102将所述第一微波信号调制到所述线偏振光上形成光载微波信号；所述第二微波信号经微波移相器201输入至所述混频器202的本振输入端；所述光载微波信号入射至迈克尔逊干涉仪的输入端，

所述迈克尔逊干涉仪的入光口与所述电光调制器102的输出端连接，所述迈克尔逊干涉仪包括实施例1所述的光纤温度传感探头，所述迈克尔逊干涉仪的两臂分别为所述温度感应环105和所述光纤环104；所述光载微波信号入射至所述迈克尔逊干涉仪，并由所述迈克尔逊干涉仪的所述温度感应环105和所述光纤环104反射输出至所述光电探测器106中，所述光电探测器106将反射的光载微波信号转化为感温微波信号；所述感温微波信号输入至所述混频器202的射频输入端，所述第二微波信号和所述感温微波信号经所述混频器202混频后传输至低通滤波器203中，滤除高频信号的直流信号传输至所述数据采集电路204。所述微波信号源108在进行每次频率调节时，发送触发信号给数据采集电路204以触发数据采集电路进行直流信号采集，同时将扫描时的频率值传输至所述处理器205中。包含温度信息的直流信号传输至所述处理器205中。所述处理器205根据微波信号源输出微波信号的频率值以及在该频率值下的直流输出来得到待测温度值。

在实际应用中，所述迈克尔逊干涉仪还包括单模光纤耦合器103，所述单模光纤耦合器103的输出端的两臂分别熔接所述温度感应环105和所述光纤环104，所述温度感应环105的末端和所述光纤环104的末端分别镀有高反膜。

具体使用该光纤温度传感系统时，所述电光调制器102还连接有调制器控制电路206，所述调制器控制电路206用于将所述电光调制器102的工作点控制在输出正交点。

作为一种可选的实施方式，所述光纤温度传感系统还包括低噪放大器107，所述低噪放大器107设于所述光电探测器106与所述混频器202之间，所述低噪放大器107用于处理所述感温微波信号。所述光纤温度传感系统还包括低通滤波器203，所述低通滤波器203设于所述混频器202与所述数据采集电路204之间，所述低通滤波器203用于处理所述第二微波信号和所述感温微波信号混频后的信号。

本光纤温度传感系统的工作原理如下：

宽谱光源101输出的线偏振光入射到电光调制器102后进入单模光纤耦合器103中，该单模光纤耦合器的输出端的两臂分别熔接一个光纤环104和一个光纤温度探头105，光纤环104和光纤温度探头105的末端分别镀制高反膜。单模光纤耦合器103，光纤环104和光纤温度探头105共同组成一个迈克尔逊干涉仪。该单模光纤耦合器103两臂的反射光经单模光纤耦合器103输出后进入光电探测器106中，电光调制器102通过其控制电路206来实现工作点的控制，本系统中电光调制器102需要工作在输出正交点处。由于光源为宽谱光源，相干长度很短，因此当耦合器两臂光程差较大时两路反射光不会发生干涉。扫频微波信号源108输出的微波信号经微波功分器109功分成第一微波信号和第二微波信号，第一微波信号进入电光调制器102的射频输入端，电光调制器102将第一微波信号调制到入射至电光调制器102中的线偏振光的光域上而产生光载微波信号，该光载微波信号入射至迈克尔逊干涉仪，并由迈克尔逊干涉仪的温度感应环和光纤环反射输出至光电探测器106中，光电探测器106将反射的光载微波信号转化为感温微波信号；该感温微波信号经低噪放大器107放大后进入混频器202的射频输入端，微波功分器109输出的第二微波信号经微波移相器201后进入混频器202的本振输入端，微波移相器201可调节本振输入端输入的第二微波信号的相位。混频器202输出的中频信号经低通滤波器203后进入数据采集电路204中，所述微波信号源108在进行每次频率调节时，发送触发信号给数据采集电路204以触发数据采集电路进行直流信号采集，同时将扫描时的频率值传输至所述处理器205中。包含温度信息的直流信号传输至所述处理器205中。所述处理器205根据微波信号源输出微波信号的频率值以及在该频率值下的直流输出来得到待测温度值。

本传感系统的温度测量原理是：

扫频微波信号源输出的微波信号可表示为：

V_out(t)＝Vcos2πf_mt (1)

其中V为微波信号的幅度，f_m为微波信号的频率。该微波信号通过电光调制器加载到光上，该微波信号对电光调制器内传输的光的相位产生的变化为：

其中V_π为电光调制器的半波电压，V_DC为电光调制器的直流偏置电压。宽谱光源的激光器输出的光经电光调制器调制后，输出光强可表示为：

上式中ξ为光路的损耗，I₀为宽谱光源输出的光强，该输出光信号经过单模光纤耦合器后分为两路光在迈克尔逊干涉仪的两臂上传输，两路光的光强分别表示为：

式中Δφ₁和Δφ₂为光载微波信号经过迈克尔逊干涉仪两臂后产生的相位变化量，分别表示为：

Δφ₁＝4πf_mnl₁/c (6)

Δφ₂＝4πf_mnl₂/c (7)

上式中c为光速，n为光纤折射率，l₁和l₂分别为迈克尔逊干涉仪两臂的光纤长度，即温度感应环和所述光纤环的长度。由于光源为宽谱光源，所以两路光信号在待测干涉仪的输出端将不发生干涉，但两路光信号上的微波信号在待测干涉仪的输出端将发生干涉。光电探测器将该光载微波干涉信号转化为微波信号，光电探测器输出的光电流信号经负载后转化成的电压信号(即感温微波信号)，该电压信号携带温度信息并进入混频器的射频输入端，该电压信号表示为：

V_RF＝Acos(2πf_m+Δφ₁-Δφ₂) (8)

上式中A为由光强变成输出电压的转换系数。扫频微波信号源功分的第二微波信号作为本振信号进入一微波移相器，调节该微波移相器使得该本振信号为：

V_LO＝Bcos(2πf_m) (9)

上式中B为本振信号的幅度。携带温度信息的射频信号与本振信号通过混频器进行混频，混频器的输出可表示为：

由上式可以看到在测量时，改变信号源的频率，混频器的输出会出现随频率变化的周期性的电压信号，该周期性信号相邻两最低点(或最高点)之间的频率间隔为一个周期，假设两相邻最低点(或最高点频率)分别为f₁和f₂，并且光纤环104所处的温度不变，则根据式(10)就可以得到温度传感探头的长度变化量为：

上式中长度差的变化与温度的关系可表示为：

Δl＝KLT(12)

上式中K为光纤的温度系数，L为光纤温度探头的光纤长度。从式(11)和式(12)可以看到，待测温度信号与混频器输入信号的幅度无关，只跟微波信号源的频率调节精度以及传感光纤的长度有关，微波信号源频率调节精度可达1Hz，这就消除了传统的微波混频受输入信号幅度波动对测量结果的影响。因此可以根据温度测量精度来选择合适长度的光纤温度探头和不同扫描频率范围的信号源，从而实现温度测量精度的任意调节。

实际应用中，普通单模光纤的温度系数为8mm/km/℃，即1km的光纤在温度变化1度时长度将变化8mm。如果要实现1℃的测量精度，则要求扫频信号源的频率扫描范围为12.5GHz。本系统的测量范围主要取决于光纤温度探头所用光纤的工作温度，一般低温可达-100℃，采用金属涂层的光纤作为温度传感探头，高温可达400℃以上。而要实现500℃的测量范围，得到的中频信号相邻两波峰(或波谷)之间的频率间隔为250MHz，这只要求信号源的频率扫描范围大于250MHz即可。

本光纤温度传感系统的工作流程如下：

1、根据式(11)，根据测量灵敏度和测量范围，对各器件选择合适的参数。在进行温度测量前，需要对该温度传感系统使用前进行一次温度标定，测量每个温度点下输出的直流信号任意两相邻波谷所对应的频率并计算频率差，并将温度和对应的输出直流信号频率差的变化量作为一个基准数据表固化到处理器中。

2、上电后，电光调制器的调制器控制电路通过程序自动控制强度型光调制器工作在线性工作点。电光调制器工作点确定后，记录数据采集电路得到的直流信号的任意两相邻波谷所对应的频率并计算相邻波谷之间的频率差；

3、将光纤温度传感探头放置在待测点，此时数据采集电路得到的直流信号的波谷所在的频率将发生变化，根据当前测量得到的直流信号的相邻波谷对应的频率差和经过标定得到的基准数据表就可以得到当前待测点的温度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种光纤温度传感探头，其特征在于，包括：

温度感应环，由光纤制成，用于感应温度；

光纤环，处于恒定温度环境中，用于与所述温度感应环形成长度差，实现温度测量。

2.根据权利要求1所述光纤温度传感探头，其特征在于，所述温度感应环和所述光纤环均由单模光纤制成。

3.根据权利要求2所述光纤温度传感探头，其特征在于，所述温度感应环和所述光纤环均采用光纤陀螺绕环工艺将单模光纤做环绕制成。

4.根据权利要求1所述光纤温度传感探头，其特征在于，所述温度感应环和所述光纤环均涂设有金属涂层。

5.一种光纤温度传感系统，其特征在于，包括宽谱光源、扫频微波信号源、电光调制器、微波功分器、迈克尔逊干涉仪、光电探测器、混频器、数据采集电路和处理器；

所述宽谱光源产生的线偏振光入射至所述电光调制器的第一入射端；

所述微波功分器的输入端连接所述扫频微波信号源的输出端并将所述扫频微波信号源产生的微波信号分成第一微波信号和第二微波信号，所述第一微波信号传输至所述电光调制器的第二入射端，所述电光调制器将所述第一微波信号调制到所述线偏振光上形成光载微波信号；所述第二微波信号经微波移相器输入至所述混频器的本振输入端；所述光载微波信号入射至迈克尔逊干涉仪的输入端，

所述迈克尔逊干涉仪的入光口与所述电光调制器的输出端连接，所述迈克尔逊干涉仪包括如权利要求1-4任一项所述的光纤温度传感探头，所述迈克尔逊干涉仪的两臂分别为所述温度感应环和所述光纤环；所述光载微波信号入射至所述迈克尔逊干涉仪，并由所述迈克尔逊干涉仪的所述温度感应环和所述光纤环反射输出至所述光电探测器中，所述光电探测器将反射的光载微波信号转化为感温微波信号；所述感温微波信号输入至所述混频器的射频输入端，所述第二微波信号和所述感温微波信号经所述混频器混频后传输至所述数据采集电路，所述数据采集电路得到的包含温度信号的直流信号传输至所述处理器中计算被测温度。

6.根据权利要求5所述光纤温度传感系统，其特征在于，所述迈克尔逊干涉仪还包括单模光纤耦合器，所述单模光纤耦合器的输出端的两臂分别熔接所述温度感应环和所述光纤环，所述温度感应环的末端和所述光纤环的末端分别镀有高反膜。

7.根据权利要求6所述光纤温度传感系统，其特征在于，所述电光调制器连接有调制器控制电路，所述调制器控制电路用于将所述电光调制器的工作点控制在输出正交点。

8.根据权利要求5所述光纤温度传感系统，其特征在于，所述光纤温度传感系统还包括低噪放大器，所述低噪放大器设于所述光电探测器与所述混频器之间，所述低噪放大器用于处理所述感温微波信号。

9.根据权利要求5所述光纤温度传感系统，其特征在于，所述光纤温度传感系统还包括低通滤波器，所述低通滤波器设于所述混频器与所述数据采集电路之间，所述低通滤波器用于处理所述第二微波信号和所述感温微波信号混频后的信号。