CN109141700A - 光纤法珀双光源低相干干涉压力-温度测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤法珀双光源低相干干涉压力‑温度测量系统及方法，包括SLED光源、第一3dB耦合器(3)、第二3dB耦合器(4)、双参量光纤法珀传感器(5)、光纤准直器(6)、解调模块、偏振起偏器(9)、双折射晶体补偿板(10)、双折射晶体光楔(11)、偏振检偏器(12)、红外线阵CCD(13)以及计算机(14)；利用压力和温度标定找出绝对相位和压力与温度之间的关系，对传感器进行标定，找出传感器两个干涉条纹分别对压力和温度的敏感度，即可进一步求逆矩阵得到待测的压力/温度计算关系式。本发明实现了新型的双参量低相干干涉解调装置和方法，可以有效根据要求调整测量范围，同时得到较高的测量精度，扩大了测量范围，更具有普适性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，特别是涉及一种使用复合光源同时测量压力和温度的、光程差线扫描且范围可调的低相干干涉测量系统以及方法。
背景技术
近年来压力温度双参量同时测量方法得到了广泛研究，国内外科研人员提出了很多测量方法，如2014年D Yun(Yun,David,et al."Hybrid Miniature Fabry–Perot Sensorwith Dual Optical Cavities for Simultaneous Pressure and TemperatureMeasurements."Jour-nal Journal of Lightwave Technology 32.8(2014):1585-1593.)提出的利用聚合物和金属膜配合聚合物构成的法珀腔测量方法，2017年Dong,Nannan(Dong,Nannan,et al."Pressure and Temperature Sensor Based on GrapheneDiaphragm and Fiber Bragg Gratings."IEEE Photonics Technology Letters PP.99(2017):1-1.)提出的光纤布拉格光栅与光纤法珀腔结合的测量方法等。但上述方法都需要使用光谱仪进行信号采集，使得整个系统体积大、成本高和不易复制。
低相干干涉技术采用对干涉条纹处理得到解调结果，其解调部分结构紧凑而且成本低。2017年，Wang S等(Wang S,et al.High-resolution polarized low-coherenceinterferometric pressure measurement device and method:,WO 2017113965A1[P].2017)发明了一种高精度低相干干涉测量装置和方法；低相干干涉技术主要采用时间扫描式和空间扫描式，其中空间扫描式采用线阵CCD器件进行电扫描，其长期可靠性高，但若对压力和温度两个信号进行采集，线阵CCD的像元有限，其测量范围通常较小。
发明内容
在对传统的低相干干涉解调装置和方法针对双参量测量存在的问题进行分析与研究基础上，本发明提出一种光纤法珀双光源低相干干涉压力-温度测量系统及方法
利用压力和温度标定找出绝对相位和压力与温度之间的关系，根据理论公式进行测量并计算，实现同时测量，通过实验测量出绝对相位和外界压力和温度的变化量之间的关系，对传感器进行标定，找出传感器两个干涉条纹分别对压力和温度的敏感度，即可进一步求逆矩阵得到计算关系式，
本发明的一种光纤法珀双光源低相干干涉压力-温度测量系统，包括SLED光源、第一3dB耦合器3、第二3dB耦合器4、双参量光纤法珀传感器5、光纤准直器6、解调模块、偏振起偏器9、双折射晶体补偿板10、双折射晶体光楔11、偏振检偏器12、红外线阵CCD13以及计算机14，其中：所述SlED光源与接第一3dB耦合器3相连接，所述第一3dB耦合器3输出端与第二3dB耦合器4输入端相连接，所述第二3dB耦合器4的第一输出端与双参量光纤法珀传感器5相连接，所述第二3dB耦合器4的第二输出端与光纤准直器6相连接，所述光纤准直器6与一依序设置扩束透镜7、准直透镜8、偏振起偏器9、双折射晶体补偿板10、双折射晶体光楔11、偏振检偏器12、红外线阵CCD13的光路相连接，所述红外线阵CCD13与计算机14相连接；
所述SLED光源发出的光通过第一3dB耦合器3叠加，叠加光束经过第二3dB耦合器4入射到双参量光纤法珀传感器5，所述双参量光纤法珀传感器5输出的分别包含对应压力和温度的不同光程差信息的反射光信号再次通过第二3dB耦合器4进入解调模块中，产生平行光；所述偏振起偏器9与所述偏振检偏器12透射方向垂直、并且与所述双折射晶体光楔11光轴成45°；在所述偏振起偏器9与所述偏振检偏器12之间由双折射晶体补偿板10和双折射晶体光楔11附加线扫描光程差；所述双折射晶体补偿板10覆盖部分光楔所形成的含补偿板区域和不含补偿板区域出现两个不同干涉条纹分别对应压力光程差和温度光程差；红外线阵CCD13根据双折射晶体补偿板10的边界分为测压区域以及测温区域且用于采集光程差信号；计算机14用于对采集的光程差信号进行处理。
所述双参量光纤法珀传感器5由单模光纤15、玻璃插芯16、硅环17以及硅膜片18组成，具有光纤尾端、硅膜片前端和硅膜片后端三个反射面，其中任意两束反射光产生干涉，光纤尾端反射光和硅膜片前端反射光产生的光程差对应测压法珀腔长，硅膜片前端和后端反射光产生的光程差对应测温法珀腔长。
所述双折射晶体补偿板10的光轴与所述双折射晶体光楔11的光轴平行，平行情况下光楔与补偿板的总光程差为光楔光程差加上补偿板的光程差；
所述双折射晶体补偿板10的光轴与所述双折射晶体光楔11的光轴垂直，垂直情况下光楔与补偿板的总光程差为光楔光程差减去补偿板的光程差。
本发明的一种光纤法珀双光源低相干干涉压力-温度测量方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、将SLED光源发出的光通过第一3dB耦合器3叠加，叠加光束经过第二3dB耦合器4入射到双参量光纤法珀传感器5；
步骤2、将所述双参量光纤法珀传感器5输出分别包含对应压力和温度的不同光程差信息的反射光信号经过解调，当调整到线扫描光程差与传感器光程差匹配时，产生干涉条纹；并且产生两个不同干涉条纹分别对应压力光程差和温度光程差，分为测压区域以及测温区域；
步骤3、在温度T0下，进行双参量光纤法珀传感器5的压力标定：对外界压力进行扫描，采集每个压力下的信号，将测压区域和测温区域的干涉信号分开，并利用单色频率绝对相位解调法解调出每个压力下两信号的绝对相位；
步骤4、在压力P0下，进行双参量光纤法珀传感器5的温度标定：对外界温度进行扫描，采集每个温度下的信号，将测压区域和测温区域的干涉信号分开，并利用单色频率绝对相位解调法解调出每个温度下两信号的绝对相位；
步骤5、对步骤(3)和步骤(4)得到的绝对相位值分别进行线性拟合，得到测压信号和测温信号的绝对相位在不同温度和压力下的线性关系，求出双参量敏感度矩阵T表示如下：
步骤6、对任意信号，将测压区域和测温区域的干涉信号分开，并利用单色频率绝对相位解调法解调出绝对相位，并通过求逆矩阵得到解调矩阵T-1，表示如下：
其中，ΔΦP和ΔΦT分别表示通过测压信号和测温信号求出的绝对像位在被测环境与温度T0、压力P0环境下的变化量，dT和dP分别表示被测环境与温度T0、压力P0环境温度和压力的变化量；
步骤7、求出对应的压力和温度的值，实现测量，公式如下：
T＝T0+dT
P＝P0+dP
其中，T和P分别表示被测环境的温度和压力。
与现有技术相比，本发明的有益效果及优点在于：
本发明的一种光纤法珀双光源低相干干涉压力-温度测量系统及方法实现了新型的双参量低相干干涉解调装置和方法，可以有效根据要求调整测量范围，同时得到较高的测量精度，扩大了测量范围，更具有普适性。
附图标记
图1为本发明中一种光纤法珀双光源低相干干涉压力-温度测量系统结构示意图；
图2为压力标定阶段测压区域(左)和测温区域(右)的信号变化示意图；
图3为温度标定阶段测压区域(左)和测温区域(右)的信号变化示意图；
图4为测压区域和测温区域的绝对相位与压力的线性关系示意图；
图5为测压区域和测温区域的绝对相位与温度的线性关系示意图；
图6为单光源产生的干涉信号和双光源产生的干涉信号的对比示意图。
附图标记：
1、1310nm SLED光源，2、1550nm SLED光源，3、第一3dB耦合器，4、第二3dB耦合器，5、双参量光纤法珀传感器，6、光纤准直器，7、扩束透镜，8、准直透镜，9、偏振起偏器，10、双折射晶体补偿板(αBBO晶体)，11、双折射晶体光楔(αBBO晶体)，12偏振检偏器，13红外线阵CCD，14、计算机。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明的测量系统包括1310nm SLED光源1、1550nm SLED光源2、第一、第二3dB耦合器3、4、双参量光纤法珀传感器5、光纤准直器6、扩束透镜7、准直透镜8、偏振起偏器9、双折射晶体补偿板(αBBO晶体)10、双折射晶体光楔(αBBO晶体)11、偏振检偏器12、红外线阵CCD13以及计算机14，所述1310nm SLED光源1和1550nm SLED光源2发出的光通过第一3dB耦合器3叠加，经过第二3dB耦合器4后，入射到双参量光纤法珀传感器5，反射光信号再次通过第二3dB耦合器4进入后续解调模块，在解调模块中：由扩束透镜7和准直透镜8产生平行光，偏振起偏器9与偏振检偏器12透射方向垂直，并且与双折射晶体光楔11光轴成45°，双折射晶体补偿板10的光轴与双折射晶体光楔11光轴垂直；当传感器的两光程差分别处于含补偿板区域和不含补偿板区域时，会产生两个不同干涉条纹分别对应压力光程差和温度光程差，由红外线阵CCD13采集并最后由计算机14处理；其中：
所述光源部分采用采用两个SLED光源1、2作为双光源系统，并且保证两光源的输出功率近似，光程差扫描过程采用双折射晶体补偿板10和双折射晶体光楔11配合，将线阵CCD根据双折射晶体补偿板10的边界分为测压区域以及测温区域，并且根据传感器的参数调整两器件厚度，同时根据要求的测量范围调整两器件的长度比，达到调整系统扫描光程差量程的效果。
所述双折射晶体可以采用铌酸锂晶体、氟化镁晶体、αBBO晶体等，对应不同的传感器参数，同时可以改变光楔的厚度和楔角以及补偿板的厚度来适应传感器不同的灵敏度，这样的配置扩大了测量范围，使系统更具有普适性
如图2所示，双参量传感器5由单模光纤15、玻璃插芯16、硅环17以及硅膜片18组成，其对于1310nm和1550nm中心波长的光源具有光纤尾端、硅膜片前端和硅膜片后端三个反射面，其中任意两束反射光可产生干涉。光纤尾端反射光和硅膜片前端反射光产生的光程差对应空气法珀腔，硅膜片前端和后端反射光产生的光程差对应硅法珀腔。
在解调端，光程差扫描过程采用双折射晶体补偿板10和双折射晶体光楔11配合，在补偿板覆盖和未覆盖区域分别作为测温区域和测压区域，且光程差都呈线性扫描；当传感器的两光程差分别处于测压区域和测温区域时，会产生两个不同干涉条纹分别对应压力光程差和温度光程差，并且根据传感器的参数调整两器件厚度，同时根据要求的测量范围调整两器件的长度比，达到调整系统扫描光程差量程的效果。故随着压力或温度均匀变化，干涉信号会匀速移动，相应的绝对相位信息也会呈线性变化；
两光程差分别对应：
ΔP＝2ha-2SpdP+2SgdT (1)
ΔT＝2(n+ξdT)(1+εdT)hb (2)
其中，ΔP和ΔT分别表示空气法珀腔和硅法珀腔的光程差，ha和hb分别表示两腔的初始几何长度，dT和dP分别表示温度和压力的变化量，Sp表示硅膜片的压力敏感度，当传感器结构确定时是恒定的，Sg表示空气腔中残余气压引起的温度敏感度，
ε,ξ,n分别表示硅片的热膨胀系数、热光系数以及折射率，双参量光纤法珀传感器5满足公式(1)(2)，而相比于热膨胀系数，硅的热光系数可忽略不计，故压力和温度的变化量与光程差呈线性关系。
本发明还提出了一种光纤法珀双光源低相干干涉方法，利用压力和温度标定找出绝对相位和压力与温度之间的关系，根据理论公式进行测量并计算，实现同时测量，通过实验测量出绝对相位和外界压力和温度的变化量之间的关系，对传感器进行标定，找出传感器两个干涉条纹分别对压力和温度的敏感度，即可进一步求逆矩阵得到计算关系式，具体实现步骤为：
第1步，在温度298K下，进行传感器压力标定试验：通过对外界压力3～228kPa进行扫描，间距5kPa，采集干涉信号，并利用单色频率绝对相位解调法对两侧信号分别进行解调；
第2步，在压力101kPa下，进行传感器温度标定试验：通过对外界温度-20～70℃进行扫描，间距5℃，采集干涉信号，并利用单色频率绝对相位解调法对两侧信号分别进行解调；
第3步，对第1步和第2步得到的绝对相位进行线性拟合，得到298K下两侧信号的压力灵敏度分别为0.25rad/kPa和6.25*10-4rad/kPa，101kPa下两侧信号的温度灵敏度分别为0.18rad/℃和0.08rad/℃。故求出双参量敏感度矩阵求逆矩阵得到每一个绝对相位信息的值与压力和温度的关系；
第4步，对任意解调出绝对相位的干涉信号，使用对应表达式：
求出该信号对应的压力和温度的值，实现测量。
经过试验证明，该方法可以进行压力-温度的同时测量，并且测量出该支传感器在压力3～228kPa，温度-20～70℃的量程中，压力和温度测量的误差分别为0.3％F.S.和1.1％F.S.。
如图6所示，双光源的采用使得干涉图样的相干长度得到极大压缩，在CCD象元有限的条件下，扩大了信号可解调的范围，扩大了量程。
Claims (5)
1.一种光纤法珀双光源低相干干涉压力-温度测量系统，其特征在于，该系统包括SLED光源、第一3dB耦合器(3)、第二3dB耦合器(4)、双参量光纤法珀传感器(5)、光纤准直器(6)、解调模块、偏振起偏器(9)、双折射晶体补偿板(10)、双折射晶体光楔(11)、偏振检偏器(12)、红外线阵CCD(13)以及计算机(14)，其中：所述SLED光源与接第一3dB耦合器(3)相连接，所述第一3dB耦合器(3)输出端与第二3dB耦合器(4)输入端相连接，所述第二3dB耦合器(4)的第一输出端与双参量光纤法珀传感器(5)相连接，所述第二3dB耦合器(4)的第二输出端与光纤准直器(6)相连接，所述光纤准直器(6)与一依序设置扩束透镜(7)、准直透镜(8、偏振起偏器(9)、双折射晶体补偿板(10)、双折射晶体光楔(11)、偏振检偏器(12)、红外线阵CCD(13)的光路相连接，所述红外线阵CCD(13)与计算机(14)相连接；
所述SLED光源发出的光通过第一3dB耦合器(3)叠加，叠加光束经过第二3dB耦合器(4)入射到双参量光纤法珀传感器(5)，所述双参量光纤法珀传感器(5输出的分别包含对应压力和温度的不同光程差信息的反射光信号再次通过第二3dB耦合器(4)进入解调模块中，产生平行光；所述偏振起偏器(9)与所述偏振检偏器(12)透射方向垂直、并且与所述双折射晶体光楔(11)光轴成45°；在所述偏振起偏器(9)与所述偏振检偏器(12)之间由双折射晶体补偿板(10)和双折射晶体光楔(11)附加线扫描光程差；所述双折射晶体补偿板(10)覆盖部分光楔所形成的含补偿板区域和不含补偿板区域出现两个不同干涉条纹分别对应压力光程差和温度光程差；红外线阵CCD(13)根据双折射晶体补偿板(10)的边界分为测压区域以及测温区域且用于采集光程差信号；计算机(14)用于对采集的光程差信号进行处理。
2.如权利要求1所述的一种光纤法珀双光源低相干干涉压力-温度测量系统，其特征在于，所述双参量光纤法珀传感器(5)由单模光纤(15)、玻璃插芯(16)、硅环(17)以及硅膜片(18)组成，具有光纤尾端、硅膜片前端和硅膜片后端三个反射面，其中任意两束反射光产生干涉，光纤尾端反射光和硅膜片前端反射光产生的光程差对应测压法珀腔长，硅膜片前端和后端反射光产生的光程差对应测温法珀腔长。
3.如权利要求1所述的一种光纤法珀双光源低相干干涉压力-温度测量系统，其特征在于，所述双折射晶体补偿板(10)的光轴与所述双折射晶体光楔(11)的光轴平行，平行情况下光楔与补偿板的总光程差为光楔光程差加上补偿板的光程差。
4.如权利要求1所述的一种光纤法珀双光源低相干干涉压力-温度测量系统，其特征在于，所述双折射晶体补偿板(10)的光轴与所述双折射晶体光楔(11)的光轴垂直，垂直情况下光楔与补偿板的总光程差为光楔光程差减去补偿板的光程差。
5.一种光纤法珀双光源低相干干涉压力-温度测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤(1)、将SLED光源发出的光通过第一3dB耦合器(3)叠加，叠加光束经过第二3dB耦合器(4入射到双参量光纤法珀传感器(5)；
步骤(2)、将所述双参量光纤法珀传感器(5)输出分别包含对应压力和温度的不同光程差信息的反射光信号经过解调，当调整到线扫描光程差与传感器光程差匹配时，产生干涉条纹；并且产生两个不同干涉条纹分别对应压力光程差和温度光程差，分为测压区域以及测温区域；
步骤(3)、在温度T0下，进行双参量光纤法珀传感器(5)的压力标定：对外界压力进行扫描，采集每个压力下的信号，将测压区域和测温区域的干涉信号分开，并利用单色频率绝对相位解调法解调出每个压力下两信号的绝对相位；
步骤(4)、在压力P0下，进行双参量光纤法珀传感器(5)的温度标定：对外界温度进行扫描，采集每个温度下的信号，将测压区域和测温区域的干涉信号分开，并利用单色频率绝对相位解调法解调出每个温度下两信号的绝对相位；
步骤(5)、对步骤(3)和步骤(4)得到的绝对相位值分别进行线性拟合，得到测压信号和测温信号的绝对相位在不同温度和压力下的线性关系，求出双参量敏感度矩阵T表示如下：
步骤(6)、对任意信号，将测压区域和测温区域的干涉信号分开，并利用单色频率绝对相位解调法解调出绝对相位，并通过求逆矩阵得到解调矩阵T-1，表示如下：
其中，ΔΦP和ΔΦT分别表示通过测压信号和测温信号求出的绝对像位在被测环境与温度T0、压力P0环境下的变化量，dT和dP分别表示被测环境与温度T0、压力P0环境温度和压力的变化量；
步骤7、求出对应的压力和温度的值，实现测量，公式如下：
T＝T0+dT
P＝P0+dP
其中，T和P分别表示被测环境的温度和压力。
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