CN108801500A - 基于混沌相关光纤环衰荡技术的光纤光栅温度传感器 - Google Patents

基于混沌相关光纤环衰荡技术的光纤光栅温度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于混沌自相关光纤环衰荡技术的光纤光栅温度传感器，由混沌光纤激光器和光纤衰荡环两部分组成；其中混沌光纤激光器采用环形腔结构，用波长980nm的半导体激光器作为泵浦源，6m的掺铒光纤作为增益介质，利用光纤的非线性克尔效应产生混沌激光，混沌激光通过光耦合器进入到光纤衰荡环中，光纤衰荡环由两个光耦合器，一个光隔离器和一个FBG组成；光纤环输出端接到一个光电探测器上，光电探测器再连到示波器上，通过电脑采集示波器上的数据并进行处理；通过建立光纤衰荡环中混沌自相关峰的衰荡时间与温度之间的关系来实现温度传感及对FBG中心波长的解调。

Description

基于混沌相关光纤环衰荡技术的光纤光栅温度传感器
技术领域
本发明涉及光纤传感器领域，尤其涉及的是一种基于混沌相关光纤环衰荡技术的光纤光栅温度传感器。
背景技术
光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，是以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的传感技术。与传统的传感器相比，光纤传感器具有一系列的独特优点，如灵敏度高，频带宽，动态范围大，抗电磁干扰，耐腐蚀，耐高压，防爆、防燃，光路可挠曲性好，易于实现远距离测量等。光纤传感器可以测量很多的物理量，如压力，应变，温度，折射率，磁场强度以及气体浓度。其中温度作为科学研究中最常见的一个物理量，在很多方面都需要用到，故温度的精确测量就显得十分重要，而在比较特殊的环境，如易爆、易燃、高电压以及强电磁场情况下，电传感器会受到很大的影响，其使用便会受到限制，而此时将光纤传感用于测温就具有独特的优势。近年来，光纤布拉格光栅已成为了最常见的温度传感元件。光纤布拉格光栅(FBG)作为一种新型的光纤器件，其中心波长在外界压力和温度的影响下会发生漂移。FBG温度传感器自问世之后便受到了很高的重视，已被进行了大量的研究。目前，FBG用作温度传感大都是采用宽带光作为光源，再通过光谱仪来观测其中心波长在温度变化后的漂移来达到传感的目的。这种测量方法的分辨率与所采用的的光谱仪的分辨率有关，且裸FBG的温度灵敏度比较低，其温度敏感度仅为0.01nm/℃左右，其次，光谱仪的使用也会增加成本。
发明内容
本发明针对现有技术的不足提供一种基于混沌自相关光纤环衰荡技术的光纤光栅温度传感器，解决了FBG测温对光谱仪的依赖，使得FBG温度传感的分辨率免受于光谱仪的限制。同时在制作光纤环时不需要考虑环长与脉冲的脉宽及周期间的相互关系，并可以简化装置中的光源部分。
一种基于混沌自相关光纤环衰荡技术的光纤光栅温度传感器，由混沌光纤激光器和光纤衰荡环两部分组成；其中混沌光纤激光器采用环形腔结构，用波长980nm的半导体激光器作为泵浦源，6m的掺铒光纤作为增益介质，利用光纤的非线性克尔效应产生混沌激光，混沌激光通过光耦合器进入到光纤衰荡环中，光纤衰荡环由两个光耦合器，一个光隔离器和一个FBG组成；光纤环输出端接到一个光电探测器上，光电探测器再连到示波器上，通过电脑采集示波器上的数据并进行处理；通过建立光纤衰荡环中混沌自相关峰的衰荡时间与温度之间的关系来实现温度传感及对FBG中心波长的解调。
所述的基于混沌自相关光纤环衰荡技术的光纤光栅温度传感器，混沌光纤激光器由半导体激光器、波分复用器、掺铒光纤、单模光纤、可调滤波器、第一光耦合器、偏振控制器、光隔离器组成环形腔结构，980nm的半导体激光器作为泵浦源连接到波分复用器，波分复用器将不同波长的光合并到光纤中传输，6m长的掺铒光纤作为增益介质；腔中的可调滤波器用来改变激光器的输出波长，调节范围为1542—1560nm,通过偏振控制器来调节光的偏振态，光隔离器确保环形腔内光的单向传输；10％的混沌激光从第一光耦合器输出，90％的光继续在腔内循环；利用光纤的非线性克尔效应实现混沌激光的产生，通过调节泵浦源和偏振控制器来获得最好的混沌状态。
所述的基于混沌自相关光纤环衰荡技术的光纤光栅温度传感器，光纤衰荡环由第二光耦合器、第三光耦合器、一个光隔离器和一个光纤布拉格光栅组成；其中第二光耦合器、第三光耦合器的分光比均为95：5；混沌光纤激光器产生的混沌光由第二光耦合器的5％端口进入到光纤衰荡环中，每在衰荡环中循环一圈，光强都会因环内的损耗而产生一定的衰减，光电探测器与第三光耦合器的5％端口相连接，光电探测器将探测到的光信号转换为电信号，然后由示波器显示。
本发明的有益效果是：(1)混沌光纤激光器产生的混沌激光有很强的抗干扰能力，可以减小实验中外界噪声的影响。同时混沌序列自相关呈δ函数，有极窄的宽度，设计光纤环时无需考虑环长度对信号的限制。(2)使用FBG作为传感单元，不需使用光谱仪来进行解调，从而可以有较高的分辨率。
附图说明
图1是本发明所采用的混沌光纤激光器的结构示意图。
图2是本发明所采用的混沌光纤激光器的输出时序图。
图3是本发明所采用的混沌光纤激光器的输出光谱图。
图4是本发明所采用的混沌光纤激光器输出的混沌序列的自相关图。
图5是FBG的反射谱和混沌激光光谱示意图。
图6是本发明所采用的光纤衰荡环的结构示意图。
图7是光纤衰荡环中的混沌自相关峰衰荡图。
图8是混沌激光波长为1558.595nm，温度为23℃时光纤衰荡环系统的衰荡时间变化。
图9是混沌激光波长为1550.215nm时，温度—衰荡时间关系图。
图10是不同温度范围的温度—衰荡时间线性关系图。
图11是FBG的中心波长—温度关系图。
图中，LD：半导体激光器，WDM：波分复用器，EDF：掺铒光纤，SMF：单模光纤，TFBG：可调滤波器，OC-1：第一光耦合器，OC-2：第二光耦合器，OC-3：第三光耦合器，PC：偏振控制器，ISO：光隔离器，FBG：光纤布拉格光栅，PD：光电探测器，OSC：示波器。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
一种基于混沌自相关光纤环衰荡技术的光纤光栅温度传感器，由混沌光纤激光器和光纤衰荡环两部分组成。其中混沌光纤激光器采用环形腔结构，用波长980nm的半导体激光器作为泵浦源，6m的掺铒光纤作为增益介质，利用光纤的非线性克尔效应产生混沌激光，混沌激光通过光耦合器进入到光纤衰荡环中，光纤衰荡环由两个光耦合器，一个光隔离器和一个FBG组成。光纤环输出端接到一个光电探测器上，光电探测器再连到示波器上，通过电脑采集示波器上的数据并进行处理。通过建立光纤衰荡环中混沌自相关峰的衰荡时间与温度之间的关系来实现温度传感及对FBG中心波长的解调。
参考图1，为本发明的光源部分—混沌光纤激光器的结构示意图，混沌光纤激光器，由半导体激光器、波分复用器、掺铒光纤、单模光纤、可调滤波器、第一光耦合器、偏振控制器、光隔离器组成环形腔结构，980nm的半导体激光器作为泵浦源连接到波分复用器，波分复用器将不同波长的光合并到光纤中传输，6m长的掺铒光纤作为增益介质。腔中的可调滤波器用来改变激光器的输出波长，调节范围为1542—1560nm,通过偏振控制器来调节光的偏振态，光隔离器确保环形腔内光的单向传输。10％的混沌激光从第一光耦合器输出，90％的光继续在腔内循环。利用光纤的非线性克尔效应实现混沌激光的产生，通过调节泵浦源和偏振控制器来获得最好的混沌状态，输出的混沌序列可由示波器实时进行观察。
参考图2，为本发明所采用的光源—混沌光纤激光器的输出时序图，通过调节泵浦电流和偏振控制器，由示波器上的时序图可以看出混沌光纤激光器的输出逐渐的进入混沌状态，呈现出杂乱无章的类噪声的时序。基于混沌序列的这一特性，对其进行自相关运算之后，会呈现出一个类δ函数的形状，且其宽度极窄，如参考图4所示。
参考图3，为本发明所采用的混沌光纤激光器的光谱图，其半高全宽为0.5nm。通过调节滤波器，可以得到不同的混沌激光输出波长。
参考图6，为本发明所采用的光纤衰荡环结构示意图，光纤衰荡环由两个光耦合器(第二光耦合器、第三光耦合器)，一个光隔离器和一个光纤布拉格光栅组成。其中第二光耦合器、第三光耦合器的分光比均为95：5。混沌光纤激光器产生的混沌光由第二光耦合器的5％端口进入到光纤衰荡环中，每在衰荡环中循环一圈，光强都会因环内的损耗而产生一定的衰减，光电探测器与第三光耦合器的5％端口相连接，光电探测器将探测到的光信号转换为电信号，然后由示波器显示。数据处理装置是将电脑所采集到的混沌信号进行相关和拟合计算。对示波器采集得到的混沌序列进行自相关运算，然后使用origin软件对自相关运算后得到的自相关峰的衰荡序列进行拟合，从而可以得到混沌自相关峰的衰荡时间。
在本装置中所得到的混沌自相关峰衰荡如参考图7所示，从图中可以看出混沌自相关峰呈e指数衰减，曲线拟合系数达到0.995。图中两个相邻的自相关峰间的距离即为光在衰荡环中走一圈所用的时间。基于此可以得到所采用的光纤衰荡环的长度为6.04m。实验中将光纤衰荡环中的含FBG的部分光纤放置到温控箱中，同时使用一个电子温度计实时监测温控箱内的实际温度。改变温控箱的温度，FBG的中心波长将产生漂移，从而衰荡环内的总损耗就会发生变化，进而表现在本传感器上的即为混沌自相关峰的衰荡时间会产生变化。
本发明装置的传感原理如下：
光纤布拉格光栅(FBG)用作传感元，传感原理基于FBG反射谱与混沌激光光谱之间重叠面积的变化。FBG的反射谱(公式1)和混沌激光光谱(公式2)的数学表达式分别如下：
P(λ)＝P0exp[-α1(λ-λ0)2]，参数
R(λ)＝RBexp[-α2(λ-λB)2]，参数
这里λ0和λB分别是混沌激光和FBG反射谱的中心波长，P0和RB分别是混沌激光和FBG在中心波长处的功率和反射率。a和b是混沌激光光谱和FBG反射谱的半高全宽。两者的光谱图如参考图5所示。FBG相当于一个窄带滤波器，对位于其光谱范围内的波长的光反射回去，不在其波长范围内的波长的光不受影响，继续向前传输，因此两者的重叠面积即为此时刻FBG所导致的光纤衰荡环中的光损失，如参考图5中阴影部分所示，损耗为：
将公式(1)和(2)代入到公式(3)中，可以得到
裸FBG的中心波长与温度的关系为
ΔλB＝ηλB·ΔT (5)
这里η是裸FBG的温度灵敏度系数，ΔT为温度改变量，即FBG的中心波长会随着外界温度的变化产生漂移，所以FBG反射谱与混沌激光光谱间的重叠面积便会发生变化，最终便会导致传输损耗B发生变化，光纤环中混沌自相关峰的衰荡时间为
这里n，L,c和A分别代表光纤折射率，光纤环长度，真空中的光速以及光纤环中的固有损耗，将公式(4)代入到公式(6)中可得
在混沌激光波长λ0不变条件下，由温度变化引起的FBG中心波长λB的变化便可转化为衰荡时间τ的变化，最终便可建立衰荡时间τ和温度T间的关系。
参考图8为混沌光纤激光器的输出波长为1558.595nm，温度为23℃时光纤衰荡环系统的混沌自相关峰衰荡时间变化图，参考图图中显示的为40个衰荡时间，其标准差(standard deviation)为1.65ns，平均值为149.26ns。系统的稳定度为1％，表明本光纤衰荡环系统具有良好的测量稳定性。
实验中所采用的FBG的中心波长为1549.950nm，反射率为12％，半高全宽≤0.25nm。实验时将混沌激光波长设定为1550.215nm，选取的温度范围为28.8℃-78.9℃，温度变化与混沌自相关峰衰荡时间的变化关系图如参考图9所示。由于FBG的反射谱和混沌激光的波长间的位置情况以及FBG自身反射谱的形状，将温度—自相峰衰荡时间关系分成两个部分，如参考图10所示，分别在34.1℃-52℃和60.4℃-77.8℃内温度—衰荡时间关系呈线性，温度灵敏度分别为3.23ns/℃和3.52ns/℃，温度测量范围为35.3℃。
参考图11为利用光纤环衰荡技术解调出的FBG的中心波长随温度的变化关系图。基于FBG的反射谱与混沌激光波长间的位置关系，在某一特定的温度下，通过调节滤波器改变激光器的输出波长，在逐渐调节激光波长的过程中，可以发现衰荡时间由大变小再变大，衰荡时间会出现一个最小值，意味着此时混沌激光的波长和FBG反射谱的中心波长完全重合，即此时的激光波长即为FBG在此温度下的反射谱的中心波长。依次设定七个不同的温度，重复上述过程，可得到如参考图11所示的FBG的中心波长—温度间的关系，可得FBG的温度敏感度为0.01nm/℃，与理论计算值相符。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，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 (3)

1.一种基于混沌自相关光纤环衰荡技术的光纤光栅温度传感器，其特征在于，由混沌光纤激光器和光纤衰荡环两部分组成；其中混沌光纤激光器采用环形腔结构，用波长980nm的半导体激光器作为泵浦源，6m的掺铒光纤作为增益介质，利用光纤的非线性克尔效应产生混沌激光，混沌激光通过光耦合器进入到光纤衰荡环中，光纤衰荡环由两个光耦合器，一个光隔离器和一个FBG组成；光纤环输出端接到一个光电探测器上，光电探测器再连到示波器上，通过电脑采集示波器上的数据并进行处理；通过建立光纤衰荡环中混沌自相关峰的衰荡时间与温度之间的关系来实现温度传感及对FBG中心波长的解调。
2.根据权利要求1所述的基于混沌自相关光纤环衰荡技术的光纤光栅温度传感器，其特征在于，混沌光纤激光器由半导体激光器、波分复用器、掺铒光纤、单模光纤、可调滤波器、第一光耦合器、偏振控制器、光隔离器组成环形腔结构，980nm的半导体激光器作为泵浦源连接到波分复用器，波分复用器将不同波长的光合并到光纤中传输，6m长的掺铒光纤作为增益介质；腔中的可调滤波器用来改变激光器的输出波长，调节范围为1542—1560nm,通过偏振控制器来调节光的偏振态，光隔离器确保环形腔内光的单向传输；10％的混沌激光从第一光耦合器输出，90％的光继续在腔内循环；利用光纤的非线性克尔效应实现混沌激光的产生，通过调节泵浦源和偏振控制器来获得最好的混沌状态。
3.根据权利要求1所述的基于混沌自相关光纤环衰荡技术的光纤光栅温度传感器，其特征在于，光纤衰荡环由第二光耦合器、第三光耦合器、一个光隔离器和一个光纤布拉格光栅组成；其中第二光耦合器、第三光耦合器的分光比均为95：5；混沌光纤激光器产生的混沌光由第二光耦合器的5％端口进入到光纤衰荡环中，每在衰荡环中循环一圈，光强都会因环内的损耗而产生一定的衰减，光电探测器与第三光耦合器的5％端口相连接，光电探测器将探测到的光信号转换为电信号，然后由示波器显示。
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