CN109060165B - 光腔衰荡技术的温度补偿传感方法及装置 - Google Patents

光腔衰荡技术的温度补偿传感方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光腔衰荡技术的温度补偿传感方法及装置，包括宽带光源、信号发生器、调制器、光隔离器、2×1光纤耦合器、传输光纤、温度补偿光纤光栅(FBG1)、传感光纤光栅(FBG2)、光电转换器、PC机以及示波器。所述衰荡腔由温度补偿光纤光栅(FBG1)和传感光纤光栅(FBG2)组成，传感光纤光栅(FBG2)为传感区。宽带光源具有一定的谱宽，环境温度变化时，两个光纤光栅的重合光谱同步移动，宽带光源能够保证其漂移前后衰荡腔内的损耗相等，从而保证衰荡时间相同。因此衰荡时间的变化仅仅是由待测量引起，可以达到温度补偿的目的，实现待测量的精确测量。本发明提出一种低成本、稳定性好、消除温度影响的光腔衰荡技术的温度补偿传感方法及装置。

Description

光腔衰荡技术的温度补偿传感方法及装置
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种光腔衰荡技术的温度补偿传感方法及装置。
背景技术
光腔衰荡光谱技术起源于上世纪六十年代。1961年，Jackson首次研究法布里-珀罗腔内介质的吸收。1974年，Kastler证实了光学腔透射出的激光束强度呈e的指数衰减形式。并且衰减时间常数与腔内的损耗有关。直到1988年，O’Keefe和Deacon在测量高反镜的反射率时，发现一系列的吸收谱峰，经解析为氧分子的禁阻跃迁谱线，意识到这种技术可用于光谱测量，并于1988年正式提出光腔衰荡光谱(cavity ring-down spectroscopy，CRDS)一词，标志着光腔衰荡技术的诞生。在CRDS技术中，光耦合进包含待测气体的高精细度稳定谐振光腔中，通过测量腔内光腔的衰荡比率就能得到待测气体的浓度。在气体先行吸收范围内，腔内光强呈单指数衰减，衰荡比率不受入射光波动的影响，故CRDS技术有极高的测量灵敏度。随着光纤技术的发展，人们将腔衰荡光谱技术与光纤传感结束结合起来，在2001年之后，出现了各种结构的光纤衰荡腔并且在传感领域得到了成功的应用。
光纤环形腔衰荡光谱技术(FLRDS)是一种新颖而优越的灵敏吸收光谱技术，其使用光纤环路而不是高反射镜作为谐振腔，不仅具有一般光纤传感器的优点，而且具有独特的优势，如快速检测、实时响应、免受光源功率波形影像，减少对超高反镜的依赖等。因此，在化学、环境、食品安全和医疗应用等领域具有潜在的应用价值。然而，基于该技术的传感通常都会受到温度的交叉影响，使得测量不准确。2009年，瑞尔森大学的Sean Pu andXiiia Gu发表在OPTICS LETTERS的论文中，提出了一种具有长周期光栅腔的光纤环结衰荡光谱，该设计提供了一个相对较大的消失波吸收面积，同时保持了光纤环的很低损耗。该腔作为敏感的化学传感器的有效性也得到了证明。但是对化学量进行测量时，化学反应的热量会对测量的结果造成误差。2010年，西北工业大学的Daqing Tang等人发表在Optics andLasers in Engineering的论文，结合基于FLRDS的压力传感器测量气压变化，灵敏度为0.384ms/MPa、最小可探测压力为0.20MPa。该传感器在0.10～4.90MPa的压力范围内，表现出良好的线性响应。但是该文中未考虑环境温度对气压灵敏度的影响，气压的测量结果不精确。2015年，Di Wu等人发表在IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS的论文，基于FLRDS技术采用拉锥光纤测量氯化钠溶液的折射率，实验结果表明氯化钠折射率的灵敏度为-388.581μs/RIU。然而，温度对氯化钠溶液折射率的影响达到了1.41×10-4RIU/℃，很显然温度的影响会造成测量误差。2017年，波尔图大学的Susana Silva等人发表在Optics &Laser Technology的文章给出了基于多模干涉的光纤传感器在谐振腔折射率测量系统中的应用，在1.324-1.331的RI范围内，折射率灵敏度为580μs/RIU，同时，该测量系统对温度敏感，温度灵敏度为-1.6×10-9μs/℃，尽管该测量系统对温度的影响控制到很小，但还是没有完全消除。综上所述，基于光纤环形腔衰荡光谱技术(FLRDS)的传感系统具有结构简单、体积小，低损耗、抗电磁扰，耐高温、耐腐蚀等优点，但是该技术中存在温度交叉敏感现象，导致不能实现对待测量的精准测量，严重限制了该技术在一些领域的应用和发展。
发明内容
为了克服上述光纤环形腔衰荡光谱技术(FLRDS)的传感系统中不能够同时剔除环境温度的影响、对待测物理量不能准确测量的问题。本发明提出了一种结构简单、稳定性好、能够及时消除温度交叉影响的光腔衰荡技术的温度补偿传感方法及装置。
本发明为解决技术问题所采取的传感方法：
光腔衰荡技术的温度补偿传感方法及装置，其特征在于温度补偿光纤光栅(FBG1)和传感光纤光栅(FBG2)形成衰荡腔结构，温度补偿光纤光栅(FBG1)和传感光纤光栅(FBG2)有相同的物理参数。不论待测量是否施加在传感光纤光栅(FBG2)上，环境温度对温度补偿光纤光栅(FBG1)和传感光纤光栅(FBG2)的影响完全相同。当待测量没有施加到传感光纤光栅(FBG2)时，光纤光栅的中心波长只受环境温度的影响，此时FBG1和FBG2的反射谱重合，如图2-1所示：温度补偿光纤光栅(FBG1)和传感光纤光栅(FBG2)形成的衰荡腔中等效反射率最大，腔内的损耗最小。当待测量施加到传感光纤光栅(FBG2)时，温度补偿光纤光栅(FBG1)和传感光纤光栅(FBG2)对环境温度的响应同步，但待测量引起传感光纤光栅(FBG2)的反射谱发生漂移(假设向右漂移)，如图2-2所示；导致温度补偿光纤光栅(FBG1)和传感光纤光栅(FBG2)的反射谱不再重合，两个光纤光栅的反射谱重叠部分减少，衰荡腔的等效反射率相应地减小，腔内的损耗增加。通过脉冲调制器控制宽带光源输出脉冲序列，检测在相同脉冲序列，不同待测量情况下，输出光强变为输入光强的所需要的时间。不同待测量对应不同的损耗，衰荡时间也不同。衰荡腔内的损耗只与待测量有关，与温度无关，因此通过监测衰荡时间可以达到温度补偿目的，完成对带测量的精准测量。
光纤光栅的中心波长与光纤光栅的有效折射率和周期有关，具体表达式为：
λB＝2neffΛ，(1)
式(1)表示光纤光栅的中心波长λB与光纤纤芯有效折射率neff、光纤光栅周期Λ的关系；其中neff和Λ会随温度和应力的变化而变化。式(2)表示光纤光栅中心波长的变化量ΔλB与温度T和应力ε的关系。α是光纤材料的热膨胀系数，pij是光纤材料的弹光张量分量，ξ是光纤材料的热光系数，Δε是应变变化量，ΔT是温度变化量，v为光纤材料泊松比系数。光纤光栅的反射谱可以近似用高斯函数表示。其中温度补偿光纤光栅(FBG1)和传感光纤光栅(FBG2)的反射谱函数为：
式(3)(4)分别表示光纤光栅反射谱中反射强度f1、f2和光纤光栅谐振波长v1、v2的关系。x为波长，(λ2-λ1)、(λ4-λ3)分别表示温度补偿光纤光栅(FBG1)和传感光纤光栅(FBG2)的反射波长范围。
待测量没有施加到传感光纤光栅(FBG2)时，温度补偿光纤光栅(FBG1)和传感光纤光栅(FBG2)形成的衰荡腔中等效反射率最大，腔内的损耗最小。衰荡腔的最大等效反射率及由待测量引起损耗B可以表示为：
式(6)中S′为待测量施加到传感光纤光栅(FBG2)时，温度补偿光纤光栅(FBG1)和传感光纤光栅(FBG2)的反射谱的重叠部分，S为待测量未施加在传感光纤光栅(FBG2)时，两个光纤光栅反射谱的重合部分，R为衰荡腔内的等效反射率。此时衰荡腔的最大等效反射率为1，由待测量引起的损耗最小为0dB。
待测量施加到传感光纤光栅(FBG2)时，衰荡腔的等效反射率及腔内的损耗由两个光纤光栅反射谱的重叠部分S′决定：
FLRDS系统中，探测器能探测到的光强为：
I为探测器探测到的实时光强，I0为输入到系统的初始光强。t为时间，光腔的衰荡时间τ被定义为光衰减到其初始强度的1/e所需的时间，n为衰荡腔的折射率，1为衰荡腔的长度。c为光速。A为固定损耗，G为增益。(8)式中，固定损耗A和增益G是定值。待测量施加到传感光纤光栅(FBG2)，传感光纤光栅(FBG2)的反射谱将漂移，使得两个光纤光栅的反射谱不再重合，由待测量引起的损耗B增加。B只与温度补偿光纤光栅(FBG1)和传感光纤光栅(FBG2)的反射谱的重叠部分大小有关，而两个光纤光栅的反射谱重叠部分的大小只与施加在传感光纤光栅(FBG2)的待测量有关，与环境温度无关。因此，可以完全消除环境温度对待测量的影响，实现精确测量。
本发明选用的光源为宽带光源，宽带光源的能量谱具有一定的范围。环境温度变化时，两个光纤光栅的重合光谱会发生移动，宽带光源能够保证其漂移后和漂移前的等效反射率相等，衰荡腔内的损耗固定，从而保证衰荡时间是相同的。因此衰荡时间的变化仅仅是由于待测量引起的，可以达到温度补偿的目的。
本发明为解决技术问题所采取的装置：
光腔衰荡技术的温度补偿传感装置包括：宽带光源、信号发生器、调制器、光隔离器、2×1光纤耦合器、传输光纤、温度补偿光纤光栅(FBG1)、传感光纤光栅(FBG2)、光电转换器、PC机以及示波器。
宽带光源通过光纤与调制器的光输入端口连接，调制器的电信号输入端口与信号发生器用电缆接连，调制器的光输出端与光隔离器连接。2×1耦合器一侧的两个端口分别与光隔离器的输出端和温度补偿光纤光栅(FBG1)的一端相连，温度补偿光纤光栅(FBG1)另一端与光电转换器光输入端口连接；光电转换器的电信号输出端和示波器相连，光电转换器的电流调节端与PC相连；2×1耦合器另一侧的一个端口与传输光纤连接，传输光纤的尾部连接传感光纤光栅(FBG2)，温度补偿光纤光栅(FBG1)和传感光纤光栅(FBG2)之间构成衰荡腔结构，传感光纤光栅(FBG2)作为传感区；光电转换器、PC和示波器作为传感器的解调器；监测不同待测量时光强的衰减变化曲线，实现待测量的测量。
本发明的有益效果为：
本发明中普通光温度补偿光纤光栅(FBG1)始终用来监测环境温度的变化，消除检测过程中温度对待测量的影响，提高了传感器的准确度。
本发明利用温度补偿光纤光栅(FBG1)和传感光纤光栅(FBG2)之间形成衰荡腔结构，使得光在腔体内多次反射，增加光与传感光纤(FBG2)接触的频率。同时使得谐振波长的强度变化更敏感于待测量的变化，从而实现待测量的高灵敏度检测。
本发明可通过更换结构(如将光纤光栅更换成马赫-曾德尔干涉仪或长周期光栅)，实现不同量的检测。使用范围十分广泛。
本发明中光源强度改变对衰荡腔系统测量结果没有影响，只要光强在探测范围内即可。而且衰荡腔技术测量的是一个衰荡时间值，是一个相对值，不需要定标，不容易被背景光淹没。
附图说明
图1为本发明光腔衰荡技术的温度补偿传感装置的示意图。
图2为本发明光腔衰荡技术的温度补偿传感方法及装置中光纤光栅反射谱的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对发明进一步描述。
如图1所示，光腔衰荡技术的温度补偿传感装置包括：宽带光源1、信号发生器2、调制器3、光隔离器4、2×1光纤耦合器5、传输光纤6、温度补偿光纤光栅(FBG1)8、传感光纤光栅(FBG2)7、光电转换器10、PC机9以及示波器11。宽带光源1通过光纤与调制器3的光输入端口连接，调制器3的电信号输入端口与信号发生器2用电缆接连，调制器3的光输出端与光隔离器4连接；2×1光纤耦合器5中2_1、2_2端口分别跟光隔离器4的输出端和温度补偿光纤光栅(FBG1)8相连，温度补偿光纤光栅(FBG1)8输出端与光电转换器10光输入端口连接；光电转换器10的电信号输出端和示波器11相连，光电转换器10的电流调节端与PC9相连；2×1耦合器5的1_1端口与传输光纤6相连，传输光纤6的尾部连接传感光纤光栅(FBG2)7；宽带光源1、信号发生器2、调制器3组成时序脉冲光的发生区；隔离器4保证光波单向传输；谐振腔由温度补偿光纤光栅(FBG1)8、传输光纤6及传感光纤光栅(FBG2)7组成；光电转换器10、PC机9和示波器11组成信号解调部分。
本发明的工作方式为：宽带光源1的光波经过调制器3产生时序脉冲信号光，由光纤输入到光隔离器4，光隔离器4输出的光信号通过2×1耦合器5的2_1端口输入，从2×1耦合器5的1_1端口输出，2×1耦合器5的1_1端口输出的光信号通过传输光纤6传输到传感光纤光栅(FBG2)7，满足布拉格条件的光波被反射回传输光纤6，通过2×1耦合器5的2_2端口传输到温度补偿光纤光栅(FBG1)8，此时满足温度补偿光栅布拉格条件的光波被反射回谐振腔中，不满足该谐振条件的光波由光电转换器10接受，将光信号转换成电信号，通过PC机9调节参数将信号放大，最终在示波器11上显示该波形。
该装置能够实现光腔衰荡的温度补偿传感的关键技术有：
1、温度补偿光纤光栅(FBG1)和传感光纤光栅(FBG2)具有相同的物理参数，以保证它们对环境温度具有相同的响应即光纤光栅反射谱完全重合。从而能够消除传感过程中产生的温度交叉灵敏度。
2、选用宽带光源而不是单一波长的光源。宽带光源能够保证两个光纤光栅反射谱漂移后和漂移前衰荡腔内的损耗相等，从而保证衰荡时间是相同的。因此衰荡时间的变化仅仅是由待测量引起，可以达到温度补偿的目的，实现待测量的精确测量。
本发明的一个具体实施例中，宽带光源SLED-1550，谱宽大于55nm；脉冲调制器的调制频率为5kHz；光隔离器型号为IO-G-1550-APC，工作波长为1530-1570nm，隔离度大于等于28dB；温度补偿光纤光栅(FBG1)和传感光纤光栅(FBG2)完全相同，制备在G.652单模光纤，长度均为15mm，工作波长均为1543nm；待测量为轴向应力，将传感光纤光栅(FBG2)两端固定在移动平台的夹具上，通过夹具向两侧移动，对传感光纤光栅(FBG2)施加轴向应力；光纤选用G.652单模光纤；光电探测器为雪崩光电二极管(APD)，工作波长为1.0～2.9μm，待测量的范围为0με-1000με。
以上所述及图中所示的仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.光腔衰荡技术的温度补偿传感方法，采用光腔衰荡技术的温度补偿传感装置实现，包括：宽带光源、信号发生器、脉冲调制器、光隔离器、2×1光纤耦合器、传输光纤、温度补偿光纤光栅FBG1、传感光纤光栅FBG2、光电转换器、PC机以及示波器；宽带光源通过光纤与脉冲调制器的光输入端口连接，脉冲调制器的电信号输入端口与信号发生器用电缆接连，脉冲调制器的光输出端与光隔离器连接；2×1耦合器一侧的两个端口分别与光隔离器的输出端和温度补偿光纤光栅FBG1相连，温度补偿光纤光栅FBG1输出端与光电转换器光输入端口连接；光电转换器的电信号输出端和示波器相连，光电转换器的电流调节端与PC机相连；2×1耦合器另一侧的一个端口与传输光纤连接，传输光纤的尾部连接传感光纤光栅FBG2，温度补偿光纤光栅FBG1和传感光纤光栅FBG2之间构成衰荡腔结构，传感光纤光栅FBG2作为传感区；光电转换器、PC机和示波器作为传感器的解调器；监测不同待测量时光强的衰减变化曲线，实现待测量的测量；
其特征在于温度补偿光纤光栅FBG1和传感光纤光栅FBG2形成衰荡腔结构，温度补偿光纤光栅FBG1和传感光纤光栅FBG2有相同的物理参数；不论待测量是否施加在传感光纤光栅FBG2上，环境温度对温度补偿光纤光栅FBG1和传感光纤光栅FBG2的影响完全相同；当待测量没有施加到传感光纤光栅FBG2时，光纤光栅的中心波长只受环境温度的影响，此时FBG1和FBG2的反射谱重合，温度补偿光纤光栅FBG1和传感光纤光栅FBG2形成的衰荡腔中等效反射率最大，腔内的损耗最小；当待测量施加到传感光纤光栅FBG2时，温度补偿光纤光栅FBG1和传感光纤光栅FBG2对环境温度的响应同步，但待测量引起传感光纤光栅FBG2的反射谱发生漂移；导致温度补偿光纤光栅FBG1和传感光纤光栅FBG2的反射谱不再重合，两个光纤光栅的反射谱重叠部分减少，衰荡腔的等效反射率相应地减小，腔内的损耗增加；通过脉冲调制器控制宽带光源输出脉冲序列，检测在相同脉冲序列，不同待测量情况下，输出光强变为输入光强的所需要的时间；不同待测量对应不同的损耗，衰荡时间也不同；衰荡腔内的损耗只与待测量有关，与温度无关，因此通过监测衰荡时间达到温度补偿目的，完成对带测量的精准测量；
光纤光栅的中心波长与光纤光栅的有效折射率和周期有关，具体表达式为：
λB＝2neffΛ，(1)
式(1)表示光纤光栅的中心波长λB与光纤纤芯有效折射率neff、光纤光栅周期Λ的关系；其中neff和Λ会随温度和应力的变化而变化；式(2)表示光纤光栅中心波长的变化量ΔλB与温度T和应力ε的关系；α是光纤材料的热膨胀系数，pij是光纤材料的弹光张量分量，ξ是光纤材料的热光系数，Δε是应变变化量，ΔT是温度变化量，v为光纤材料泊松比系数；光纤光栅的反射谱近似用高斯函数表示；其中温度补偿光纤光栅FBG1和传感光纤光栅FBG2的反射谱函数为：
式(3)(4)分别表示光纤光栅反射谱中反射强度f1、f2和光纤光栅谐振波长v1、v2的关系；x为波长，(λ2-λ1)、(λ4-λ3)分别表示FBG1和FBG2的反射波长范围；
待测量没有施加到传感光纤光栅FBG2时，温度补偿光纤光栅FBG1和传感光纤光栅FBG2形成的衰荡腔中等效反射率最大，腔内的损耗最小；衰荡腔的最大等效反射率及由待测量引起损耗B表示为：
式(6)中S′为待测量施加到传感光纤光栅FBG2时，温度补偿光纤光栅FBG1和传感光纤光栅FBG2的反射谱的重叠部分，S为待测量未施加在传感光纤光栅FBG2时，两个光纤光栅反射谱的重合部分；R为衰荡腔内的等效反射率；此时衰荡腔的最大等效反射率为1，由待测量引起的损耗最小为0dB；
待测量施加到传感光纤光栅FBG2时，衰荡腔的等效反射率及腔内的损耗由两个光纤光栅反射谱的重叠部分S′决定：
光纤环形腔衰荡光谱技术系统中，探测器能探测到的光强为：
I为探测器探测到的实时光强，I0为输入到系统的初始光强；t为时间，光腔的衰减时间τ被定义为光衰减到其初始强度的1/e所需的时间，n为衰荡腔的折射率，1为衰荡腔的长度；c为光速；A为固定损耗，G为增益；(8)式中，固定损耗A和增益G是定值；待测量施加到传感光纤光栅FBG2，传感光纤光栅FBG2的反射谱将漂移，使得两个光纤光栅的反射谱不再重合，由待测量引起的损耗B增加；B只与温度补偿光纤光栅FBG1和传感光纤光栅FBG2的反射谱的重叠部分大小有关，而两个光纤光栅的反射谱重叠部分的大小只与施加在传感光纤光栅FBG2的待测量有关，与环境温度无关；因此，完全消除环境温度对待测量的影响，实现精确测量。
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