CN112033573B - 基于长周期光纤光栅的双波长测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤测温技术领域，具体涉及基于长周期光纤光栅的双波长测温方法，包括：获取经长周期光纤光栅射出的原始光信号；对所述原始光信号进行分光处理，得到对应的两束测量光信号；分别对所述两束测量光信号进行滤波处理得到对应的两束滤波透射光，然后分别采集所述两束滤波透射光对应的两个透射光强度值；根据所述两个透射光强度值，以及设置的计算模型计算得到相应的温度值。本发明中基于长周期光纤光栅的双波长测温方法与现有技术相比，不利用波长变化测量温度，而是用强度值进行温度测量，且能够消除入射光源强度波动的干扰，能够降低测温时的测量成本、并提高测温时的测量精度。

Description

基于长周期光纤光栅的双波长测温方法

技术领域

本发明涉及光纤测温技术领域，具体涉及基于长周期光纤光栅的双波长测温方法。

背景技术

光纤光栅传感器属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤光栅波长及强度的调制来获取传感信息。根据光纤光栅周期的长短，通常把周期小于1μm的光纤光栅称为短周期光纤光栅，又称为光纤布拉格光栅或反射光栅；而把周期为几十至几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光栅，又称为透射光栅。相比于普通的光纤布拉格光栅(即短周期光纤光栅)，长周期光纤光栅具有更高的温度和应变灵敏度，且有对外界环境折射率灵敏的特点，因此长周期光纤光栅的应用更为广泛。

现有的光纤光栅通常被作为波长调制型光纤传感器，例如，公开号为CN1624443A的中国专利公开的《长周期光纤光栅温度传感器》就是一种波长调制型光纤传感器，其光纤的信号输入端经分束器进入长周期光纤光栅，该光纤的尾端面为反射单元，长周期光纤光栅与反射单元间的光纤除去涂覆层，该分束器有信号输出端。将该现有方案中的温度传感器置于测温区，当测温区温度变化时，干涉谐振小峰中心波长发生位移，通过检测波峰位移即可得知温度变化。

申请人在研究中发现，利用上述现有长周期光纤光栅温度传感器进行测温时，需通过光谱仪测量光源波长的变化，这种测量方式虽然精度很高，但光谱仪的使用使得测温时的测量成本很高。为此，申请人想到改变现有波长调制的测温方式，而将波长的变化反应在光强度的变化上，进而设计一种基于光强度变化的测温方法，以避免因使用光谱仪而导致的测量成本高的问题。然而，光强度变化的测量方式对入射光源的稳定性要求很高(需要采用激光光源，其成本同样很高)，因为入射光源强度的波动会带来较大的测量误差，进而使得测温时的测量精度较低。因此，如何设计一种能够消除入射光源强度波动干扰的基于长周期光纤光栅的测温方法，以兼顾测温时的测量成本和测量精度是急需解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够消除入射光源强度波动干扰的基于长周期光纤光栅的双波长测温方法，以能够兼顾测温时的测量成本和测量精度。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

基于长周期光纤光栅的双波长测温方法，包括以下步骤：

步骤A：获取经长周期光纤光栅射出的原始光信号；

步骤B：对所述原始光信号进行分光处理，得到对应的两束测量光信号；

步骤C：分别对所述两束测量光信号进行滤波处理得到对应的两束滤波透射光，然后分别采集所述两束滤波透射光对应的两个透射光强度值；

步骤D：根据所述两个透射光强度值，以及设置的计算模型计算得到相应的温度值；

其中，步骤D中所述的计算模型包括公式：

式中，T表示温度值，I₁和I₂分别表示两束滤波透射光对应的两个透射光强度值，C₃表示模型线性常数。

实际测温过程中，首先对原始光信号进行分光处理得到两束测量光信号，然后对两束测量光信号进行滤波处理得到两束滤波透射光，再获取两束滤波透射光对应的透射光强度值，并根据透射光强度值的比值计算得到温度值。本发明能够通过光强度反应其波长变化，进而计算得到温度值，能够避免使用光谱仪测量波长，从而能够降低测温时的测量成本。并且，本发明通过两个透射光强度值的比值来对应计算温度值，而这两个透射光强度值是同一原始光信号分光处理得到的，其入射光源强度是相同的，因此两个透射光强度值的比值能够消除入射光源强度波动的干扰，能够提升测温时的测量精度。此外，两个透射光强度值的比值还能够在一定程度上消除其共同存在的其他干扰信息，从而更有利于提升测温时的测量精度。因此，本发明中基于长周期光纤光栅的双波长测温方法与现有技术相比，不利用波长变化测量温度，而是用强度值进行温度测量，且能够消除入射光源强度波动的干扰，能够降低测温时的测量成本、并提高测温时的测量精度，即能够兼顾测温时的测量成本和测量精度。

优选的，步骤C中通过设置的两个光纤滤波器分别对所述两束测量光信号进行滤波处理，得到对应的两束滤波透射光。

实际测温过程中，可以采用光纤滤波器或者布拉格光纤光栅(布拉格光纤光栅能够反射特定波长的光，功能上能够实现滤波功能)能够准确、有效的过滤选择得到所需的波长，有利于辅助提升测量精度。

优选的，步骤A中经长周期光纤光栅射出的原始光信号具有两个共振峰；所述两个光纤滤波器的波长在所述两个共振峰的两侧对应选取。

实际测温过程中，光纤滤波器的波长选择在两个共振峰的两侧，例如左侧共振峰的左侧边，右侧共振峰的右侧边，这样后续采集得到的两个透射光强度值的比值变化最大，有利于辅助提升测量灵敏度。

优选的，步骤A中由设置的光源发射光线，发射的光线射入长周期光纤光栅后射出形成原始光信号，且经长周期光纤光栅射出的原始光信号具有两个或两个以上的共振峰。本发明中，原始光信号共振峰的数量与长周期光纤光栅的制造工艺有关。

实际测温过程中，光源发出的光线射入长周期光纤光栅后，经过长周期光纤光栅的同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合，从而输出形成原始光信号；而原始光信号为具有两个或两个以上共振峰的特定的透射光谱，使得两个透射光强度值的比值变化最大，有利于辅助提升测量灵敏度。

优选的，步骤A中所述的光源为宽带光源或二极管光源。

实际测温过程中，采用宽带光源或二极管光源作为光源具有成本低的优点；并且，本发明中的测温方式不再依赖于波长变化，使用宽带光源或二极管光源就能够满足测温的需求，不会影响测量精度，同样能够节约成本。

优选的，步骤B中通过设置的光纤耦合器对原始光信号进行分光处理得到对应的两束测量光信号。

实际测温过程中，使用光纤耦合器能够稳定、有效的对原始光信号进行分光处理。

优选的，步骤B中所述的光纤耦合器为1x2光纤耦合器，其分光比率为50:50。

实际测温过程中，选用1x2光纤耦合器能够有效的将原始光信号对应分光成两束测量光信号，而选择适当的分光比率，有利于两束测量光信号的两个透射光强度值的比值更好的消除入射光强度波动的干扰；当然，可以根据实际情况选择不同分光比率的光纤耦合器，比如制作的长周期光纤光栅的两个共振峰透过强度相差较大时，可以使用光纤耦合器分光比率适当调节分光后的透射光强度值。

优选的，步骤D中通过设置的光电探测器采集所述两束滤波透射光对应的两个透射光强度值。

实际测温过程中，选用光电探测器能够准确、有效的采集透射光强度值。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为实施例中双波长测温方法的逻辑框图；

图2为实施例中双波长测温方法的原理框图；

图3为实施例中双波长透射光强度值的比值与温度值的线性关系示意图；

图4为实施例中长周期光纤光栅的透射光谱示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

实施例：

申请人在实际研究时，基于长周期光纤光栅的双波长测温方法做了如下推导：

1)根据标准光纤光栅耦合模式理论，透过率可以写成：

式中，A表示透过率,k＝vσ/2表示交流耦合系数,v表示可见度，σ为直流耦合系数，z表示H-LPFG的长度,

表示直流自耦合系数。

2)具体的：

式中，

表示光栅啁啾，δ表示失谐量，Δn_eff表示基模和m次包层模式的折射率差。

3)而σ₁₁，σ₂₂和σ₂₁可以用重叠积分计算：

式中，λ表示波长,

表示基模光栅周期内直流折射率的空间平均变化。

4)对于均匀长周期光纤光栅v＝1，

那么：

5)如果λ固定不变,而且λ≈λ_D，透射率随着温度变化关系为：

式中，α是热膨胀系数，ζ_co是纤芯的热光系数，T是温度，对于一根制备好的和耦合模式已经确定的H-LPFG，z，α，ζ_co和c是常数。可见透过率和温度呈线性关系。

将透过率A表示成光强，并带入5)的关系表达式为：

其中I₀为基模的入射光强，I为基模的出射光强，为了消除公式中的I₀，双波长比被应用，选择两个共振峰附件的两个波长,对应的入射光强分别为I₁₀和I₂₀,出射光强分别为I₁和I₂.那么双波长透射光强度值的比值随波长关系为：

其中，c₂也是常数，可见双波长透射光强度值的比值与温度也呈线性关系。

正是基于双波长透射光强度值的比值与温度的线性关系的研究，申请人才提出了基于长周期光纤光栅的双波长测温方法。

如图1和图2所示：基于长周期光纤光栅的双波长测温方法，包括以下步骤：

步骤A：获取经长周期光纤光栅射出的原始光信号；

步骤B：对所述原始光信号进行分光处理，得到对应的两束测量光信号；

步骤C：分别对所述两束测量光信号进行滤波处理得到对应的两束滤波透射光，然后分别采集所述两束滤波透射光对应的两个透射光强度值；

步骤D：根据所述两个透射光强度值，以及设置的计算模型计算得到相应的温度值；

其中，步骤D中所述的计算模型包括公式：

式中，T表示温度值，I₁和I₂分别表示两束滤波透射光对应的两个透射光强度值，C₃表示模型线性常数。本实施例中，长周期光纤光栅的周期为782μm；模型线性常数C₃可采用已知的温度值和透射光强度值进行实验定标得到，其具体过程如下：将已知的透射光强度值和温度值带入公式

中计算得到一个C₃的值，然后利用多组透射光强度值和温度值重复计算得到多个C₃的值，最后利用多个C₃的值进行线性拟合得到模型线性常数C₃。

并且，如图3所示本实施例中双波长透射光强度值的比值与温度值的线性度非常好，且比率变化达20％。

实际测温过程中，首先对原始光信号进行分光处理得到两束测量光信号，然后对两束测量光信号进行滤波处理得到两束滤波透射光，再获取两束滤波透射光对应的透射光强度值，并根据透射光强度值的比值计算得到温度值。本实施例能够通过光强度反应其波长变化，进而计算得到温度值，能够避免使用光谱仪测量波长，从而能够降低测温时的测量成本。并且，本实施例通过两个透射光强度值的比值来对应计算温度值，而这两个透射光强度值是同一原始光信号分光处理得到的，其入射光源强度是相同的，因此两个透射光强度值的比值能够消除入射光源强度波动的干扰，能够提升测温时的测量精度。此外，两个透射光强度值的比值还能够在一定程度上消除其共同存在的其他干扰信息，从而更有利于提升测温时的测量精度。因此，本实施例中基于长周期光纤光栅的双波长测温方法与现有技术相比，不利用波长变化测量温度，而是用强度值进行温度测量，且能够消除入射光源强度波动的干扰，能够降低测温时的测量成本、并提高测温时的测量精度，即能够兼顾测温时的测量成本和测量精度。

具体实施过程中，步骤C中通过设置的两个光纤滤波器分别对所述两束测量光信号进行滤波处理，得到对应的两束滤波透射光。

实际测温过程中，采用光纤滤波器或者布拉格光纤光栅(布拉格光纤光栅能够反射特定波长的光，功能上能够实现滤波功能)能够准确、有效的过滤选择得到所需的波长，有利于辅助提升测量精度。

具体实施过程中，如图4所示：步骤A中经长周期光纤光栅射出的原始光信号具有两个共振峰；所述两个光纤滤波器的波长在所述两个共振峰的两侧对应选取。

实际测温过程中，光纤滤波器的波长选择在两个共振峰的两侧，例如左侧共振峰的左侧边，右侧共振峰的右侧边，这样后续采集得到的两个透射光强度值的比值变化最大，有利于辅助提升测量灵敏度。

具体实施过程中，步骤A中由设置的光源发射光线，发射的光线射入长周期光纤光栅后射出形成原始光信号，且经长周期光纤光栅射出的原始光信号在较小的光谱范围内同时具有两个或两个以上的共振峰。本实施例中，原始光信号共振峰的数量与长周期光纤光栅的制造工艺有关。

实际测温过程中，光源发出的光线射入长周期光纤光栅后，经过长周期光纤光栅的同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合，从而输出形成原始光信号；而原始光信号为具有两个或两个以上共振峰的特定的透射光谱，使得两个透射光强度值的比值变化最大，有利于辅助提升测量灵敏度。

具体实施过程中，步骤A中所述的光源为宽带光源或二极管光源，其中二极管光源为最佳。

实际测温过程中，采用宽带光源或二极管光源作为光源具有成本低的优点；并且，本实施例中的测温方式不再依赖于波长变化，使用宽带光源或二极管光源就能够满足测温的需求，不会影响测量精度，同样能够节约成本。

具体实施过程中，步骤B中通过设置的光纤耦合器对原始光信号进行分光处理得到对应的两束测量光信号。

实际测温过程中，使用光纤耦合器能够稳定、有效的对原始光信号进行分光处理。

具体实施过程中，步骤B中所述的光纤耦合器为1x2光纤耦合器，其分光比率为50:50。

实际测温过程中，选用1x2光纤耦合器能够有效的将原始光信号对应分光成两束测量光信号，而选择适当的分光比率，有利于两束测量光信号的两个透射光强度值的比值更好的消除入射光强度波动的干扰；当然，可以根据实际情况选择不同分光比率的光纤耦合器，比如制作的长周期光纤光栅的两个共振峰透过强度相差较大时，可以使用光纤耦合器分光比率适当调节分光后的透射光强度值。

具体实施过程中，步骤D中通过设置的光电探测器采集所述两束滤波透射光对应的两个透射光强度值。

实际测温过程中，选用光电探测器能够准确、有效的采集透射光强度值。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.基于长周期光纤光栅的双波长测温方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：获取经长周期光纤光栅射出的原始光信号，经长周期光纤光栅射出的原始光信号具有两个共振峰；

步骤B：对所述原始光信号进行分光处理，得到对应的两束测量光信号；

步骤C：通过设置的两个光纤滤波器分别对所述两束测量光信号进行滤波处理得到对应的两束滤波透射光，两个光纤滤波器的波长在所述两个共振峰的两侧对应选取；然后分别采集所述两束滤波透射光对应的两个透射光强度值；

步骤D：根据所述两个透射光强度值，以及设置的计算模型计算得到相应的温度值；

其中，步骤D中所述的计算模型包括公式：

式中，T表示温度值，I₁和I₂分别表示两束滤波透射光对应的两个透射光强度值，C₃表示模型线性常数。

2.如权利要求1所述的基于长周期光纤光栅的双波长测温方法，其特征在于：步骤A中由设置的光源发射光线，发射的光线射入长周期光纤光栅后射出形成原始光信号，且经长周期光纤光栅射出的原始光信号具有两个或两个以上的共振峰。

3.如权利要求2所述的基于长周期光纤光栅的双波长测温方法，其特征在于：步骤A中所述的光源为宽带光源或二极管光源。

4.如权利要求1所述的基于长周期光纤光栅的双波长测温方法，其特征在于：步骤B中通过设置的光纤耦合器对原始光信号进行分光处理得到对应的两束测量光信号。

5.如权利要求4所述的基于长周期光纤光栅的双波长测温方法，其特征在于：步骤B中所述的光纤耦合器为1x2光纤耦合器，其分光比率为50:50。

6.如权利要求1所述的基于长周期光纤光栅的双波长测温方法，其特征在于：步骤D中通过设置的光电探测器采集所述两束滤波透射光对应的两个透射光强度值。

Images