CN110873589A

CN110873589A - 一种基于tdm技术的光纤环腔衰荡温湿度测量方法

Info

Publication number: CN110873589A
Application number: CN201911237698.8A
Authority: CN
Inventors: 王芳; 马涛; 宋艳; 杨亚萍; 李蕾; 王旭; 马春旺
Original assignee: Henan Normal University
Current assignee: Henan Normal University
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2020-03-10

Abstract

本发明公开了一种基于TDM技术的光纤环腔衰荡温湿度测量方法，光纤环腔衰荡温湿度测量系统包括1525~1565nm的ASE宽带光源、偏振控制器、系统电源、函数信号发生器、强度调制器、光纤耦合器I、光纤耦合器II、光纤耦合器III、光纤耦合器IV、光纤耦合器V、光纤延迟线、光纤错位干涉仪、光纤对准气室、自动增益掺铒光纤放大器、光电探测器和示波器。本发明利用光纤环腔衰荡技术将马泽双错位熔接干涉结构作为温度传感头，将光纤对准气室作为湿度传感环境；利用延迟光纤对两个传感单元的衰减脉冲进行了调整，实现了温湿度同时测量传感。

Description

一种基于TDM技术的光纤环腔衰荡温湿度测量方法

技术领域

本发明属于光纤传感网络技术领域，具体涉及一种基于TDM技术的光纤环腔衰荡温湿度测量方法，是一种双通道双参量测量方案。

背景技术

随着工农业的发展和科学技术的进步，温湿度测量显得越来越重要，对温湿度传感器的环境适应性以及测量范围、响应速度、测量精度等主要指标的要求也越来越高。在现有的温湿度传感器中，湿度参量的高精度测量比温度参量要困难的多，电容式、电阻式等电量湿度传感器，由于测量精度高、响应速度快以及信号易于处理和控制等优势，在市场中占据了主导地位，但存在着长期稳定性和互换性差的严重不足；而毛发式、干湿球式等非电量湿度传感器由于受测量精度、响应速度、信号处理和控制等因素的制约，应用范围非常有限。为了发挥非电量湿度传感器的抗电磁干扰、阻燃、防爆等优势，进而解决石油化工、电力、纺织等领域的易燃、易爆环境中进行温湿度测量与控制的难题，促使人们去研究新型非电量湿度传感器。

光纤传感技术是一种利用光纤作为传感介质或传感信号传输介质的传感技术。在这种传感技术应用中，以光波为载体，以光纤为媒质，因此，这种传感技术具有灵敏度高、体积小、灵巧、易复用、无源、抗电磁干扰、适合各种恶劣环境等优点。这些优点使得光纤传感技术与传统传感技术相比，非常具有竞争力。目前，光纤传感器已经广泛应用于国土安全、建筑物健康监测、电力系统安全监测、石油化工、生物医药、环境监测等诸多领域，在国民经济建设中发挥着重要作用。本发明提出了一种基于时分复用原理的温湿度联合传感结构，为了提高系统的稳定性和灵敏度，利用光纤环腔衰荡技术将马泽双错位熔接干涉结构作为温度传感头，将光纤对准气室作为湿度传感环境；利用延迟光纤对两个传感单元的衰减脉冲进行了调整，实现了温湿度同时测量传感。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种基于TDM技术的光纤环腔衰荡温湿度测量方法，该方法可以满足利用光纤腔衰荡技术进行两个参量的同时传感测量，通过光时分复用技术（TDM），利用光纤延迟线使输出的衰荡信号在时域上有效分开，进而达到时域解调目的。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种基于TDM技术的光纤环腔衰荡温湿度测量方法，其特征在于：光纤环腔衰荡温湿度测量系统包括1525~1565nm的ASE宽带光源、偏振控制器、系统电源、函数信号发生器、强度调制器、光纤耦合器I、光纤耦合器II、光纤耦合器III、光纤耦合器IV、光纤耦合器V、光纤延迟线、光纤错位干涉仪、光纤对准气室、自动增益掺铒光纤放大器、光电探测器和示波器，其中ASE宽带光源经偏振控制器形成偏振光，函数信号发生器通过电线与强度调制器相连用于产生载波信号，系统电源通过电线与强度调制器相连，偏振光经强度调制器生成激光脉冲再经2*2、50%:50%的光纤耦合器I进入传感环路中，光纤耦合器I输出的一端经长度70m的光纤进入2*1、5%:95%光纤耦合器II中，光纤耦合器II的一端经光纤错位干涉仪耦合进入光纤耦合器I中；光纤耦合器I输出的另一端经长度200m的光纤延迟线进入2*1、50%:50%的光纤耦合器III中，光纤耦合器III的输出端经长度70m的光纤连接光纤耦合器IV并经光纤对准气室回到光纤耦合器III中；2*1、5%:95%的光纤耦合器IV的5%输出端和光纤耦合器II的5%输出端的衰荡信号同时耦合进入2*1、50%:50%的光纤耦合器V 中，光纤耦合器V的输出光强由自动增益掺铒光纤放大器放大并经光电探测器转换成电信号，最终在示波器上显示出来，再通过对示波器显示的两个衰荡信号衰荡时间与温度或湿度物理参量的线性拟合，最终达到温度和湿度的同时传感测量。

优选的，所述ASE宽带光源的输出功率为16mW，脉冲宽度为42ns，周期为430s，长度200m的光纤延迟线用于区别两个环路的衰减信号，测量过程中通过电子温湿度计对两个传感单元进行参考测量。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明提出了一种基于TDM技术的光纤环腔衰荡温湿度测量方法。

2、利用马泽双错位干涉结构实现了温度的测量传感。

3、利用光纤对准气室实现了对相对湿度的传感测量。

4、整个传感结构采用时分复用技术，使衰荡信号在时域上有效分开，以达到温度和湿度同时传感的目的。

附图说明

图1是本发明的光路原理图。

图面说明：1、ASE宽带光源，2、偏振控制器，3、系统电源，4、函数信号发生器，5、强度调制器，6-10、光纤耦合器，11、光纤延迟线，12、光纤错位干涉仪，13、光纤对准气室，14、自动增益掺铒光纤放大器，15、光电探测器，16、示波器，17、光纤，18、电线。

图2是光纤错位干涉仪的结构图。

图3是光纤对准气室的结构图。

具体实施方式

结合附图详细描述本发明的具体内容。一种基于TDM技术的光纤环腔衰荡温湿度测量方法，具体步骤为：光纤环温湿度测量系统结构搭建如图1所示，光纤环腔衰荡温湿度测量系统包括1525~1565nm的ASE宽带光源1、偏振控制器2、系统电源3、函数信号发生器4、强度调制器5、光纤耦合器I 6、光纤耦合器II 7、光纤耦合器III 8、光纤耦合器IV 9、光纤耦合器V 10、光纤延迟线11、光纤错位干涉仪12、光纤对准气室13、自动增益掺铒光纤放大器14、光电探测器15和示波器16，其中ASE宽带光源1经偏振控制器2形成偏振光，函数信号发生器4通过电线18与强度调制器5相连用于产生载波信号，系统电源3通过电线18与强度调制器5相连，偏振光经强度调制器5生成激光脉冲再经2*2、50%:50%的光纤耦合器I 6进入传感环路中，光纤耦合器I 6输出的一端经长度70m的光纤17进入2*1、5%:95%光纤耦合器II7中，光纤耦合器II 7的一端经光纤错位干涉仪耦合进入光纤耦合器I 6中；光纤耦合器I 6输出的另一端经长度200m的光纤延迟线进入2*1、50%:50%的光纤耦合器III 8中，光纤耦合器III 8的输出端经长度70m的光纤连接光纤耦合器IV 9并经光纤对准气室13回到光纤耦合器III 8中；2*1、5%:95%的光纤耦合器IV 9的5%输出端和光纤耦合器II 7的5%输出端的衰荡信号同时耦合进入2*1、50%:50%的光纤耦合器V 10中，光纤耦合器V 10的输出光强由自动增益掺铒光纤放大器放大并经光电探测器转换成电信号。所述ASE宽带光源的输出功率为16mW，脉冲宽度为42ns，周期为430s，长度200m的光纤延迟线用于区别两个环路的衰减信号。实验过程中，用电子温湿度计对两个传感单元进行参考测量。

图2为光纤错位干涉结构，其干涉长度为4cm，错位量为3.75μm。

图3为光纤对准气室，长宽高分别为5cm，4cm，3cm，左右两端为连接光纤的进光口和出光口；在左后上方和右前下方设置进气口和出气口，用来通入不同湿度的空气，不同的湿度空气由不同浓度的饱和盐溶液提供。

通过对示波器显示的两个衰荡信号衰荡时间与温度或湿度物理参量的线性拟合，就可达到温度和湿度的同时传感测量。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims

1. 一种基于TDM技术的光纤环腔衰荡温湿度测量方法，其特征在于：光纤环腔衰荡温湿度测量系统包括1525~1565nm的ASE宽带光源、偏振控制器、系统电源、函数信号发生器、强度调制器、光纤耦合器I、光纤耦合器II、光纤耦合器III、光纤耦合器IV、光纤耦合器V、光纤延迟线、光纤错位干涉仪、光纤对准气室、自动增益掺铒光纤放大器、光电探测器和示波器，其中ASE宽带光源经偏振控制器形成偏振光，函数信号发生器通过电线与强度调制器相连用于产生载波信号，系统电源通过电线与强度调制器相连，偏振光经强度调制器生成激光脉冲再经2*2、50%:50%的光纤耦合器I进入传感环路中，光纤耦合器I输出的一端经长度70m的光纤进入2*1、5%:95%光纤耦合器II中，光纤耦合器II的一端经光纤错位干涉仪耦合进入光纤耦合器I中；光纤耦合器I输出的另一端经长度200m的光纤延迟线进入2*1、50%:50%的光纤耦合器III中，光纤耦合器III的输出端经长度70m的光纤连接光纤耦合器IV并经光纤对准气室回到光纤耦合器III中；2*1、5%:95%的光纤耦合器IV的5%输出端和光纤耦合器II的5%输出端的衰荡信号同时耦合进入2*1、50%:50%的光纤耦合器V 中，光纤耦合器V的输出光强由自动增益掺铒光纤放大器放大并经光电探测器转换成电信号，最终在示波器上显示出来，再通过对示波器显示的两个衰荡信号衰荡时间与温度或湿度物理参量的线性拟合，最终达到温度和湿度的同时传感测量。

2.根据权利要求1所述的基于TDM技术的光纤环腔衰荡温湿度测量方法，其特征在于：所述ASE宽带光源的输出功率为16mW，脉冲宽度为42ns，周期为430s，长度200m的光纤延迟线用于区别两个环路的衰减信号，测量过程中通过电子温湿度计对两个传感单元进行参考测量。