CN109084908A - 一种光纤温度传感器解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新的光纤温度传感器解调方法，可改善现有光纤温度传感器系统环境适应性差，光信号的抖动等因素变化对其性能影响较大的问题。本方法结合光纤迈克尔逊干涉仪和光电振荡器，通过温度的变化来改变干涉仪的光程差，从而改变光电振荡器输出的微波信号的中心频率，实现光纤温度传感器解调，其温度探头制作简单，用普通单模光纤就可实现温度测量，该系统具有测量灵敏度可调、精度高、测量方法简单的优点。

Description

一种光纤温度传感器解调方法

技术领域

本发明本发明主要应用于温度测量领域，特别是涉及一种光纤温度传感器解调方法。

背景技术

在工程应用中和科学研究中，温度都是一个非常重要参考量，占有举足轻重的地位，传统的温度传感器以热电偶、半导体及铂合金为主，它们的测量原理简单成本较低，因而在实际应用中被广泛使用。与传统的温度传感器相比，光纤温度传感器是利用一些物质吸收的光谱会随着温度的变化而变化，再分析光纤传输的光谱实时得测量温度变化情况，它的测量精度较高，并且灵敏度实时可调。

目前光纤温度传感器主要有光纤光栅，光纤法珀和光纤荧光等类型的传感器。由于光纤温度传感器采用的是一种和光纤折射率相匹配的温敏材料涂在光纤的表面，才使得光能够由一根光纤的反射面进入到另一根光纤，由于温敏材料易受温度影响，使得折射率改变，这样一来输出的光功率与温度成函数关系，因此可以作为手段测量温度的变化，但是光纤温度传感器的普遍的问题是对外界环境因素适应性差，光信号的抖动等因素的变化对传感器解调系统的性能影响很大。

本发明提出了一种基于光纤迈克尔逊干涉仪和光电振荡器结合的光纤温度传感解调方法。通过温度的变化来改变干涉仪的光程差，从而改变光电振荡器输出的微波信号的中心频率来实现光纤温度传感器解调，温度测量灵敏度可优于0.3℃，且可对系统测量的灵敏度实时调节。

发明内容

本发明要解决的技术问题克服现有的缺陷，提出一种新的光纤温度传感解调方法和系统，该系统通过温度的变化来改变干涉仪的光程差，从而改变光电振荡器输出的微波信号的中心频率来实现光纤温度传感解调，温度测量灵敏度可优于0.3℃，并可对系统测量灵敏度进行实时调节。

为解决上述技术问题本发明采用的的技术方案如下：本发明通过采用一种光纤温度传感器解调方法和系统，其硬件平台包括：宽谱光源、光纤耦合器、电动可调光纤延迟线、光纤温度传感探头、光纤耦合器、电光调制器、色散补偿光纤、高速光电探测器、低噪放、微波功分器、频谱仪、信号处理及显示模块。

所述宽谱光源可采用高斯型或矩形宽谱光源，待其进入一光纤耦合器，所述光纤耦合器的一个输出端和一电动可调光纤延迟线连接，所述光纤耦合器的另一输出端连接一个光纤温度传感探头；所述电动可调光纤延迟线的输出光和光纤温度传感探头的输出光经过光纤耦合器合束；所述光纤耦合器、电动可调光纤延迟线、光纤温度传感探头及光纤耦合器一起构成一个马赫曾德干涉仪，所述电动延迟线可调节干涉仪的两臂光程差；所述宽谱光源经该干涉仪后，在当干涉仪两臂光程差在光源相干范围内时，在干涉仪的输出端将产生干涉条纹，所述干涉条纹在频域上为一正弦梳状谱；所述马赫曾德干涉仪输出的梳状谱经过一处于正交工作点的电光调制器，则由光电振荡器产生的微波信号通过该电光调制器被调制到干涉梳状光谱上，所述光电振荡器由电光调制器、色散补偿光纤、高速光电探测器、低噪放和微波功分器组成；所述光载微波信号经过色散补偿光纤后入射到高速光电探测器上，所述高速光电探测器将光信号转换成微波信号，所述微波信号通过低噪放放大后经过一个微波功分器后，一部分微波信号注入到电光调制器中，一部分信号通过频谱仪来测量光电振荡器输出微波信号的中心频率，并通过信号处理及显示模块来记录该微波信号中心频率的变化。系统中的马赫曾德干涉仪和光电振荡器构成一个微波光子滤波器，通过可调光纤延迟线的延时量来实现微波信号中心频率的连续调节。

为解决上述技术问题本发明采用的的技术方案，进一步阐述本发明采用的工作原理，本发明提出的光纤温度传感器解调系统的具体测量原理如下：

所述宽谱光源经过马赫曾德干涉仪后，将发生干涉，干涉条纹的输出在频域上可表示为：

其中A为干涉仪输出干涉条纹的可见度，Δω为不同干涉仪光程差nΔL时输出干涉条纹的频率间隔，为干涉仪的相位漂移，ω₀为激光器的中心圆频率。Δω可表示为：

Δω＝2πc/nΔL (2)

其中c为光速，n为光纤折射率，ΔL为干涉仪两臂光纤长度差。则该干涉仪的自由光谱范围可表示为：

干涉的输出光是与波长相关，其电场可表征为：

E(t)＝∫E(ω)e^jωtdω (4)

则光源的光功率谱密度可表示为：

T(ω)＝|E(ω)|² (5)

干涉仪输出的干涉条纹经过电光调制器后，光谱的每个频率分量E(ω)都被调制，并且由光电振荡器环路产生一频率为ξ的微波信号，电光调制器输出的光场可表示为：

E(ω)＝e^jωt(1+e^jξt+e^-jξt) (6)

光电振荡器中使用色散光纤作为延迟线，该时延线的电场传递函数可表示为：

H(ω)＝|H(ω)|e^-jφ(ω) (7)

φ(ω)为待测光纤延迟引入的相位，根据泰勒级数展开，该相位可表示为：

式中，τ(ω₀)为中心频率ω₀时的群时延，β为待测光纤的色散，其单位为ps²/km，β可表示为：

式中D(ps/km/nm)为待测光纤的色散系数，λ₀为光源波长。

根据式(5)——(9)可得光电振荡器响应函数为：

其中由此可知，光电振荡器输出的微波信号的中心频率可表示为：

则光纤温度探头由于温度的变化而导致的干涉仪光程差的变化可表示为：

上式中Δf₀为中心频率的变化量。这种光程差的变化主要来源于光纤温度传感探头中光纤的折射率和长度发射的变化，其与温度T的关系是线性的，可表示为：

Δ(nΔL)＝KT (13)

由式(12)可知，根据光电振荡器输出微波信号的中心频率、宽谱光源的中心波长、光纤折射率、色散补偿光纤的长度及色散系数，就可以得到光纤温度传感探头由于温度的变化而导致的干涉仪光程差的变化量。

本发明的有益效果在于：基于光纤迈克尔逊干涉仪和光电振荡器结合的光纤温度传感解调方法，可通过温度的变化来改变干涉仪的光程差，从而改变光电振荡器输出的微波信号的中心频率来实现光纤温度传感解调，其温度测量灵敏度可优于0.3℃，温度探头制作简单，用普通单模光纤就可实现温度测量，该方法具有测量灵敏度可调、精度高、测量方法简单的优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明光纤温度传感器解调系统框架示意图；

附图中：

101：宽谱光源

102：光纤耦合器

103：电动可调光纤延迟线

104：光纤温度传感探头

105：光纤耦合器

106：电光调制器

107：色散补偿光纤

108：高速光电探测器

109：低噪放

201：微波功分器

202：频谱仪

203：信号处理及显示模块

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种新的光纤温度传感器解调方法，是基于光纤迈克尔逊干涉仪和光电振荡器结合的光纤温度传感器解调方法。该方法通过温度的变化来改变干涉仪的光程差，从而改变光电振荡器输出的微波信号的中心频率来实现光纤温度传感解调，温度测量灵敏度可优于0.3℃，并可对系统测量灵敏度进行实时调节。

如图1所示，所述一种光纤温度传感器解调系统，其硬件平台包括，宽谱光源101、光纤耦合器102、电动可调光纤延迟线103、光纤温度传感探头104、光纤耦合器105、电光调制器106、色散补偿光纤107、高速光电探测器108、低噪放109、微波功分器201、频谱仪202、信号处理及显示模块203。

所述宽谱光源101可采用高斯型或矩形宽谱光源，待其进入一光纤耦合器102，所述光纤耦合器102的一个输出端和一电动可调光纤延迟线103连接，所述光纤耦合器102的另一输出端连接一个光纤温度传感探头104；所述电动可调光纤延迟线103的输出光和光纤温度传感探头104的输出光经过光纤耦合器105合束；所述光纤耦合器102、电动可调光纤延迟线103、光纤温度传感探头104及光纤耦合器105一起构成一个马赫曾德干涉仪，所述电动延迟线103可调节干涉仪的两臂光程差；所述宽谱光源101经该干涉仪后，在当干涉仪两臂光程差在光源相干范围内时，在干涉仪的输出端将产生干涉条纹，所述干涉条纹在频域上为一正弦梳状谱；所述马赫曾德干涉仪输出的梳状谱经过一处于正交工作点的电光调制器106，则由光电振荡器产生的微波信号通过该电光调制器106被调制到干涉梳状光谱上，所述光电振荡器由电光调制器106、色散补偿光纤107、高速光电探测器108、低噪放109和微波功分器201组成；所述光载微波信号经过色散补偿光纤107后入射到高速光电探测器108上，所述高速光电探测器108将光信号转换成微波信号，所述微波信号通过低噪放109放大后经过一个微波功分器201后，一部分微波信号注入到电光调制器106中，一部分信号通过频谱仪202来测量光电振荡器输出微波信号的中心频率，并通过信号处理及显示模块203来记录该微波信号中心频率的变化。系统中的马赫曾德干涉仪和光电振荡器构成一个微波光子滤波器，通过可调光纤延迟线103的延时量来实现微波信号中心频率的连续调节。

本发明提出的一种光纤温度传感器解调系统采用的具体测量原理包括如下：

所述光纤温度传感探头104传感的温度的变化将导致温度探头中光程的改变，从而会改变测试系统输出的微波信号的中心频率，该微波信号中心频率的变化量就可以实现温度值的解调。宽谱光源101经过马赫曾德干涉仪后，将发生干涉，干涉条纹的输出在频域上可表示为：

其中A为干涉仪输出干涉条纹的可见度，Δω为不同干涉仪光程差nΔL时输出干涉条纹的频率间隔，为干涉仪的相位漂移，ω₀为激光器的中心圆频率。Δω可表示为：

Δω＝2πc/nΔL (2)

其中c为光速，n为光纤折射率，ΔL为干涉仪两臂光纤长度差。则该干涉仪的自由光谱范围可表示为：

干涉的输出光是与波长相关，其电场可表征为：

E(t)＝∫E(ω)e^jωtdω (4)

则光源的光功率谱密度可表示为：

T(ω)＝|E(ω)|² (5)

干涉仪输出的干涉条纹经过电光调制器106后，光谱的每个频率分量E(ω)都被调制，并且由光电振荡器环路产生一频率为ξ的微波信号，电光调制器106输出的光场可表示为：

E(ω)＝e^jωt(1+e^jξt+e^-jξt) (6)

光电振荡器中使用色散光纤作为延迟线，该时延线的电场传递函数可表示为：

H(ω)＝|H(ω)|e^-jφ(ω) (7)

φ(ω)为待测光纤延迟引入的相位，根据泰勒级数展开，该相位可表示为：

式中，τ(ω₀)为中心频率ω₀时的群时延，β为待测光纤的色散，其单位为ps²/km，β可表示为：

式中D(ps/km/nm)为待测光纤的色散系数，λ₀为光源波长。

根据式(5)——(9)可得光电振荡器响应函数为：

其中由此可知，光电振荡器输出的微波信号的中心频率可表示为：

则光纤温度探头106由于温度的变化而导致的干涉仪光程差的变化可表示为：

上式中Δf₀为中心频率的变化量。这种光程差的变化主要来源于光纤温度传感探头104中光纤的折射率和长度发射的变化，其与温度T的关系是线性的，可表示为：

Δ(nΔL)＝KT (13)

由式(12)可知，根据光电振荡器输出微波信号的中心频率、宽谱光源101的中心波长、光纤折射率、色散补偿光纤107的长度及色散系数，就可以得到光纤温度传感探头104由于温度的变化而导致的干涉仪光程差的变化量。

本光纤温度传感器系统的关键是要确定好式(12)中的各项参数，即先确定光电振荡器中的色散光纤的长度和色散值，并调节干涉仪两臂光程差使得光电振荡器输出的微波信号的频率在常用频谱,202测量频段范围内。通过设置式(12)中的各项参数使得测试系统的输出微波信号的频率在一般频谱仪测量频率范围内(不失为一般性，可使输出频率低于20Hz)。

测试系统输出的微波信号的频率由光电振荡器中色散补偿光纤的长度、色散值和干涉仪两臂光程差共同决定。通过电动可调光纤延迟线103调节干涉仪两臂光程差使得系统输出的微波信号的频率分辨率为10MHz，色散光纤为1km，色散系数为-150ps/km/nm时，本系统可检测到的光程变化量的灵敏度为3.6微米，如果光纤温度传感探头104中的光纤长度为1m，根据光纤时延的温度系数为40ps/km/℃可得本发明提出的温度传感系统的温度解调分辨率为0.3℃。通过优化式(12)中的各项参数和改变光纤温度传感探头104中光纤的长度可调节本温度传感系统的温度测量灵敏度。

为方便起见，在系统中引入电动可调光纤延迟线103就是为了方便调节解调系统的测量灵敏度和测量范围。

本发明提出的光纤温度传感器解调系统的工作流程如下所示：

1、根据式(12)所示，根据测量灵敏度和测量范围，对各器件选择合适的参数。利用电动延迟线103调节干涉仪两臂的光程差，实现对解调系统测量灵敏度的调节。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微波信号的中心频率，确定式(13)中的比例系数K，并将温度和对应的微波信号中心频率的变化量作为一个基准数据表固化到信号处理及显示模块203中。

2、上电后，调制器驱动板通过程序自动控制强度型光调制器工作在线性工作点。调制器工作点确定后，记录光电振荡器输出的微波信号的中心频率；

3、将温度探头放置在待测点，此时光电振荡器输出微波信号的中心频率将发生变化，根据当前测量得到的微波信号的中心频率的变化量和经过标定得到的比例系数K就可以得到当前待测点的温度值。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种光纤温度传感器解调方法，其特征在于，采用的具体解调方法如下：

所述光纤温度传感探头104传感的温度的变化将导致温度探头中光程的改变，从而会改变测试系统输出的微波信号的中心频率，该微波信号中心频率的变化量就可以实现温度值的解调，宽谱光源101经过马赫曾德干涉仪后，将发生干涉，干涉条纹的输出在频域上可表示为：

其中A为干涉仪输出干涉条纹的可见度，Δω为不同干涉仪光程差nΔL时输出干涉条纹的频率间隔，为干涉仪的相位漂移，ω₀为激光器的中心圆频率。Δω可表示为：

Δω＝2πc/nΔL (2)

其中c为光速，n为光纤折射率，ΔL为干涉仪两臂光纤长度差，则该干涉仪的自由光谱范围可表示为：

干涉的输出光是与波长相关，其电场可表征为：

E(t)＝∫E(ω)e^jωtdω (4)

则光源的光功率谱密度可表示为：

T(ω)＝|E(ω)|² (5)

干涉仪输出的干涉条纹经过电光调制器106后，光谱的每个频率分量E(ω)都被调制，并且由光电振荡器环路产生一频率为ξ的微波信号，电光调制器106输出的光场可表示为：

E(ω)＝e^jωt(1+e^jξt+e^-jξt) (6)

光电振荡器中使用色散光纤作为延迟线，该时延线的电场传递函数可表示为：

H(ω)＝|H(ω)e^-jφ(ω) (7)

φ(ω)为待测光纤延迟引入的相位，根据泰勒级数展开，该相位可表示为：

式中，τ(ω₀)为中心频率ω₀时的群时延，β为待测光纤的色散，其单位为ps²/km，β可表示为：

式中D(ps/km/nm)为待测光纤的色散系数，λ₀为光源波长，

根据式(5)—(9)可得光电振荡器响应函数为：

其中由此可知，光电振荡器输出的微波信号的中心频率可表示为：

则光纤温度探头106由于温度的变化而导致的干涉仪光程差的变化可表示为：

上式中Δf₀为中心频率的变化量，这种光程差的变化主要来源于光纤温度传感探头104中光纤的折射率和长度发射的变化，其与温度T的关系是线性的，可表示为：

Δ(nΔL)＝KT (13)

由式(12)可知，根据光电振荡器输出微波信号的中心频率、宽谱光源101的中心波长、光纤折射率、色散补偿光纤107的长度及色散系数，就能够得到光纤温度传感探头104由于温度的变化而导致的干涉仪光程差的变化量。

2.根据权利要求1所述的一种光纤温度传感器解调系统的测量方法，其特征在于，光纤温度传感系统的关键是要确定好式(12)中的各项参数，即先确定光电振荡器中的色散光纤的长度和色散值，并调节干涉仪两臂光程差使得光电振荡器输出的微波信号的频率在常用频谱测量频段范围内，通过设置式(12)中的各项参数使得测试系统的输出微波信号的频率在一般频谱仪测量频率范围内。

3.根据权利要求2所述的一种光纤温度传感器解调系统的测量方法，其特征在于，测试系统输出的微波信号的频率由光电振荡器中色散补偿光纤的长度、色散值和干涉仪两臂光程差共同决定，例如通过电动可调光纤延迟线103调节干涉仪两臂光程差使得系统输出的微波信号的频率分辨率为10MHz，色散光纤为1km，色散系数为-150ps/km/nm时，本系统可检测到的光程变化量的灵敏度为3.6微米，如果光纤温度传感探头104中的光纤长度为1m，根据光纤时延的温度系数为40ps/km/℃可得本发明提出的温度传感系统的温度解调分辨率为0.3℃，通过优化式(12)中的各项参数和改变光纤温度传感探头104中光纤的长度可调节本温度传感系统的温度测量灵敏度。