CN112255200B - 一种光纤光栅空气折射率测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光纤光栅空气折射率测量装置及方法，装置包括：光源、光隔离器、光纤耦合器、测量部、波长解调器、上位机，所述光源与所述光纤耦合器之间连接有所述光隔离器，所述光纤耦合器分别与所述波长解调器和所述测量部连接，所述上位机分别与所述光源和所述波长解调器连接，所述测量部内设置有光纤光栅传感器。本发明采用光纤光栅来测量由于大气压变化造成的压力膜的形变，从而得到大气压强，采用光纤光栅温度传感器和湿度传感器来测量空气的温度与湿度，最终得到空气折射率，测量简单，能够实时测量。

Description

一种光纤光栅空气折射率测量装置及方法
技术领域
本发明涉及空气折射率测量技术领域，特别是涉及一种光纤光栅空气折射率测量装置及方法。
背景技术
空气折射率在光学精密测量等领域有着非常重要的作用，往往影响着最后测量结果的准确性。在光学精密测量中，对空气折射率进行补偿，可以很大程度上提升测量精度。
现有的空气折射率测量装置通常采用温度传感器、湿度传感器以及大气压传感器三个独立的传感器进行测量，然后进行计算得到空气折射率。尤其是温度传感器采用铂电阻，需要供电，电阻会发热，从而影响测量的准确性，给测量带来误差。而且，这种装置不能够进行分布测量，空间测量范围受限，进行多点测量时，需要逐点测量或者采用多个测量仪器测量，成本高，耗时长。
发明内容
本发明的目的是提供一种光纤光栅空气折射率测量装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，利用光纤光栅以光波长为敏感变化参量，准确测量空气的大气压、温度、湿度，大大提高了空气折射率的计算精确度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种光纤光栅空气折射率测量装置，其特征在于：包括光源、光隔离器、光纤耦合器、测量部、波长解调器、上位机，所述光源与所述光隔离器、所述光纤耦合器依次连接，所述光纤耦合器分别与所述波长解调器和所述测量部连接，所述上位机分别与所述光源和所述波长解调器连接，所述测量部内设置有光纤光栅传感器。
优选的，所述光源采用宽带光源。
优选的，所述光纤光栅传感器包括光纤光栅温度传感器、光纤光栅大气压传感器、光纤光栅湿度传感器，所述光纤光栅温度传感器、光纤光栅大气压传感器和光纤光栅湿度传感器连接在同一根光纤上。
优选的，所述测量部还包括压力膜、光纤接头、保护壳体、压力膜固定在所述保护壳体内部，所述压力膜与所述保护壳体内壁形成真空腔，所述光线接头设置在所述保护壳体外侧，所述光纤光栅温度传感器、所述光纤光栅湿度传感器分别固定于所述保护壳体内部，光纤光栅大气压传感器的光纤光栅固定于所述压力膜上，所述光纤耦合器通过光纤与所述光纤接头连接。
优选的，所述光纤光栅温度传感器、所述光纤光栅大气压传感器、所述光纤光栅湿度传感器在所述保护壳体内部呈2字形分布。
优选的，所述保护壳体设置有进气孔。
优选的，所述测量部并联或者串联连接有若干光纤光栅温度传感器。
优选的，空气折射率测量方法为：将所述测量部放在待测部位，利用所述测量部接收光源发出的宽带光；通过所述光纤光栅温度传感器、所述光纤光栅大气压传感器、所述光纤光栅湿度传感器分别对所述宽带光进行反射，产生不同波长的反射光；利用波长解调器对所述反射光进行波长解调，解调后的波长数据传输到上位机；利用所述上位机对所述解调后的波长数据进行处理，获得空气的温度数据、大气压数据、湿度数据，根据所述温度数据、大气压数据、湿度数据计算空气折射率。
本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的光纤光栅空气折射率测量装置，具有以下技术优势：1.采用光纤光栅来测量由于大气压变化造成的压力膜的形变，从而得到大气压强，采用光纤光栅温度传感器和湿度传感器来测量空气的温度与湿度，最终得到空气折射率，测量简单，能够实时测量。
2.大气压、温度、湿度测量部份连接在一根光纤上，利用波分复用方式进行分布式测量，体积小，重量轻。
3.采用光纤光栅进行测量，无热源影响，抗干扰能力强，提高了空气折射率的测量精度。
4.该装置的测量部能够与若干光纤光栅温度传感器串接或者并接，进行分布式测量，大大提高空间测量范围，减小测量时间和成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的光纤光栅空气折射率测量装置结构示意图；
图2为实施例1中测量部结构示意图；
图3为实施例1中测量部A-A剖面结构示意图；
图4为实施例2中测量部结构示意图；
图5为实施例2中测量部A-A剖面结构示意图；
图6为本发明装置测量部与光纤光栅温度传感器连接分布方式图；
其中，光源1；光隔离器2；光纤耦合器3；光纤4；压力膜5；光纤光栅温度传感器6；光纤光栅大气压传感器7；光纤光栅湿度传感器8；进气口9；光纤接头10；保护壳体11；真空腔12；波长解调器13；上位机14；测量部15。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种光纤光栅空气折射率测量装置，包括光源1、光隔离器2、光纤耦合器3、测量部15、波长解调器13、上位机14，所述光源1与所述光纤耦合器3之间连接有所述光隔离器2，所述光纤耦合器3分别与所述波长解调器13和所述测量部15连接，所述上位机14分别与所述光源1和所述波长解调器13连接，测量部15内设置有光纤光栅传感器。
本实施例中，光源1采用宽带光源，所述宽带光源发出的宽带光有足够的带宽，能够实现波分复用，进行分布式测量。所述光源与上位机14进行实时通信，使上位机14对光源1所发出的宽带光进行控制，并且能够对使用者提示光源是否工作正常能够满足测量的需求。
光纤耦合器3设置有3个端口分别为A端、B端和C端。光源1所产生的宽带光经过光隔离器2通过A端进入光纤耦合器3，光隔离器能够避免由光纤光栅反射回的光进入光源1，影响光源的输出，从而给测量带来误差。光纤耦合器3能够将进入光纤测量部分的光与光纤光栅反射回的光分开，从而实现对反射光的波长分析。
宽带光进入测量部15内设置的光纤光栅传感器的光纤光栅部分，被相应的测量光纤光栅部分反射对应中心波长的光，对反射回的光进行波长解调，然后进行相应的计算就可以得到相应的待测量参数，包括温度、大气压以及湿度。
如图2所示，本实施例中测量部15内部设置的光纤光栅传感器包括光纤光栅温度传感器6、光纤光栅大气压传感器7、光纤光栅湿度传感器8，因此，本发明测量部15由保护壳体11，压力膜5，光纤光栅温度传感器6，光纤光栅大气压传感器7，光纤光栅湿度传感器8，光纤接头10构成。所述保护壳体11的材料并不做具体的限定，但必须能够与压力膜构成真空腔12，将压力膜5密封固定于构成真空腔12的保护壳体11上，密封固定方式不做限定。本实施例中，保护壳体11采用金属材料，压力膜5采用焊接的方式固定在保护壳体11中部靠右的位置，压力膜与保护壳体11的左侧内壁形成真空腔12，然后进行抽真空操作，从而形成能够感受大气压强变化的真空腔或者是微真空腔。保护壳体11右侧下部设置有进气口9。光纤接头10固定在保护壳体11上下两端外壁上。
如图3所示，光纤光栅温度传感器6、光纤光栅大气压传感器7和光纤光栅湿度传感器8设置于保护壳体11内部，呈2字形分布，可减小非测量拉力的影响。光纤光栅温度传感器6固定在保护壳体11内部上内壁，光纤光栅温度传感器6距离压力膜5非构成真空腔12一侧的表面1-3cm，光纤光栅温度传感器6不能与压力膜5接触，使光纤光栅温度传感器6不受压力膜的影响。光纤光栅湿度传感器8固定在所述保护壳体11内部下内壁，光纤光栅湿度传感器8距离压力膜5非构成真空腔12一侧的表面1-3cm，不能与压力膜5接触，使得光纤光栅湿度传感器8不受压力膜5的影响，光纤光栅大气压传感器7粘贴在压力膜5外表面上。
本发明中，光纤光栅大气压传感器7的光纤光栅粘贴方式以及光纤光栅温度传感器6、光纤光栅湿度光纤光栅传感器8的固定方式不做限定，光纤光栅在测量部15的分布方式不做限定。
光纤光栅大气压传感器的原理是将光纤光栅粘贴于压力膜5上来测量压力膜形变。由于压力膜5内外两部分存在压力差，这个压力差会对压力膜5形成一个压力，从而引起压力膜5的形变，这个形变会导致粘贴在上面的光纤光栅受到压力，从而改变光纤光栅的折射率，使得由光纤光栅反射回的光波长移动，解调出这个波长，经过相应的计算，便可以得到大气压强。
光纤光栅大气压传感器7的光纤光栅、光纤光栅湿度传感器8的光纤光栅都会受到温度的影响。由光纤光栅反射中心波长与应力的关系：ΔλB＝(1-Pe)λBε，其中λB为光纤光栅中心波长，ε为应变，ΔλB为中心波长的漂移量，Pe＝(n2/2){P12-μ(P11+P12)}是光纤光栅的有效弹光系数，其中，n为纤芯有效折射率，Pij为弹光系数；光纤光栅反射中心波长与温度的关系：ΔλB＝{(dΛ/dT)/Λ+(dn/dT)/n}·λBΔT，其中(dΛ/dT)是温度的热膨胀效应引起光栅周期发生的变化，Λ为光栅周期，(dn/dT)为温度的热膨胀效应引起光栅纤芯有效折射率的变化，ΔT为温度变化。
在本装置测量部15中，光纤光栅温度传感器6只受温度的影响，不受应力的影响，因此只对温度敏感。由光纤光栅温度传感器6得到的波长漂移量是单方面的因素，因此在光纤光栅大气压传感器7、光纤光栅湿度传感器8得到的结果中减掉因温度引起的误差，从而得到相应的大气压和湿度。
本发明中，波长解调器13采用扫描解调的方式，该方式可以解调多个波长，从而实现光纤光栅分布式测量的功能。光纤耦合器B端与所述波长解调器连接。从测量部15反射回的光，进入光纤耦合器后从B端进入波长解调器进行波长解调。
本发明中，上位机14是人机交互的界面，使用者通过上位机14控制光源1和波长解调器13的工作状态。上位机14与波长解调器13进行通信，得到波长解调器13解调的反射光的波长数据，并进行处理。
实际测量时，将测量部15放置于待测量位置，空气由进气孔9进入测量部15中，在压力膜5两侧形成气压差，由光纤光栅大气压传感器7的光纤光栅感应压力膜形变，从而测量得到大气压强。空气的温度和湿度由光纤光栅温度传感器和光纤光栅湿度传感器测得最终的空气折射率由上位机计算得到并输出。
为了扩大空气折射率的空间测量范围，可将若干光纤光栅温度传感器6与测量部15的光纤接口连接，进行串接或者并接，实现分布式测量，采用波分复用方式或者其他复用方式均可。串接或者并接的光纤光栅温度传感器的个数不做限制，可以多个，取决于复用方式以及空间测量范围。通常的空气折射率，采用铂电阻测量温度，如果需要测量多点的空气折射率的话，需要逐点测量或者用多个测量仪器同时测量，耗时耗仪器。而采用光纤光栅传感器进行测量，则能够通过一根光纤就能实现多点测量，空间测量范围可达到几公里甚至更大，大大节省了时间、减少了成本。
光纤光栅是一种利用紫外光曝光技术，产生周期性折射率分布的光纤。宽带光进入光纤光栅中，固定折射率分布的光纤光栅会反射固定波长的光，当用光纤光栅测量时，外部环境的改变会使光纤光栅的光纤芯区折射率改变，从而使得被光纤光栅反射的光波长发生移动。只要测得光波长的移动量，便可以求得相应环境因素的改变量。因此，利用本发明的光纤光栅空气折射率测量装置进行空气折射率测量的方法为：将光纤光栅折射率测量装置的测量部放在待测部位，光纤光栅温度传感器6、光纤光栅大气压传感器7、光纤光栅湿度传感器8分别反射相应波长的光，波长解调器13对反射光进行波长解调。上位机14与波长解调器13进行通信，得到波长解调器13解调的反射光的波长数据，并进行处理。首先处理光纤光栅温度传感器6的波长，得到波长移动量，然后计算得到空气温度。再处理光纤光栅大气压传感器7的波长，得到波长移动量，减掉因温度引起的波长移动量，然后计算得到空气压强。最后处理光纤光栅湿度传感器8的波长，同样减掉因温度引起的波长移动量，然后进行计算得到空气湿度。计算得到空气温度、大气压、湿度之后，根据测量环境选择合适的空气折射率间接测量法的修正公式并确定公式中通用系数的取值，将三项数据带入所选择的修正公式中获得空气折射率。
所述空气折射率间接测量法的修正公式包括三种解算公式。第一个解算公式(公式1)是用于计算特定波长的激光在标准大气环境下(温度为20℃,大气压强为1×105Pa)的标准空气折射率ns,它是由标准状态下空气的色散公式变换得到的，具体公式为：
Figure BDA0002732818860000091
式中，A，B，C为通用系数；σ为激光的真空波数，即激光在真空中波长的倒数，单位为um-1。
第二个解算公式(公式2)是在标准空气折射率的基础上，考虑实际温度和压强的影响得出干燥空气折射率npT，具体公式为：
Figure BDA0002732818860000101
式中，D，E，F，G为通用系数；p为大气压强，单位为Pa；t为空气温度，单位为℃。
第三个解算公式(公式3)是在实际干燥空气折射率的基础上，考虑空气湿度的影响得出空气折射率npTf，具体公式为：
npTf＝npT-f[M-Nσ2]10-10 (3)
式中，M，N为通用系数；f为水蒸气分压力，单位为Pa。
在实际应用中，水蒸气分压力f是通过测量空气中的相对湿度来间接计算出来的。相对湿度表示空气中水蒸气分压力与相同温度下的饱和水汽压之比。水蒸气分压力的计算公式如公式4所示：
f＝f0R (4)
式中，R为相对湿度，f0为饱和蒸汽压。其中计算f0最常用的经验公式是Goff-Gratch公式(公式5)：
Figure BDA0002732818860000102
其中，a1、a2、a3、a4、a5、b、c为通用系数，T1为水的三相点温度，T为绝对温度。相应取值为：a1＝10.79574，a2＝-5.02800，a3＝1.50475×10-4，a4＝4.28730×10-4，a5＝0.78614，b＝-8.29690，c＝4.76955，T1＝273.16K(K为绝对温度单位开尔文)，T＝273.15+t(t为摄氏度)。
计算时根据不同的测量环境选择不同的计算公式，所选公式包括Edlén公式、Birch公式、
Figure BDA0002732818860000103
公式，选择标准如表1所示：
表1
Figure BDA0002732818860000111
Edlén公式、Birch公式、
Figure BDA0002732818860000112
公式的通用系数数据选择依据如表2所示。
表2
Figure BDA0002732818860000113
实施例2
与实施例1不同的是，本实施例中测量部15包括光纤光栅温度传感器6、光纤光栅大气压传感器7、光纤光栅湿度传感器8独立设置。如图4-5所示，本实施例中将测量部15的保护壳体11拆成独立的三部分，保护壳体11的每部分安装光纤接头10，并在右下部开设进气口9，本实施例中，保护壳体11上部分内部安装光纤光栅温度传感器6，保护壳体11中间部分内部固定设置有压力膜5，压力膜5与保护壳体11内壁形成真空腔12，光纤光栅大气压传感器7粘贴在压力膜5外表面上，保护壳体11下部分内部安装光纤光栅湿度传感器8，利用同一根光纤顺次将每个壳体的光纤接头10、光纤光栅温度传感器6、光纤光栅大气压传感器7、光纤光栅湿度传感器8进行串接。对测量部进行拆分独立设置，能够实现光纤光栅温度传感器、光纤光栅大气压传感器、光纤光栅湿度传感器的自由分布，使得测量部测量放置的灵活性高。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种光纤光栅空气折射率测量装置，其特征在于：包括光源（1）、光隔离器（2）、光纤耦合器（3）、测量部（15）、波长解调器（13）、上位机（14），所述光源（1）与所述光隔离器（2）、所述光纤耦合器（3）依次连接，所述光纤耦合器（3）分别与所述波长解调器（13）和所述测量部（15）连接，所述上位机（14）分别与所述光源和所述波长解调器（13）连接，所述测量部（15）内设置有光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器包括光纤光栅温度传感器（6）、光纤光栅大气压传感器（7）、光纤光栅湿度传感器（8），所述光纤光栅温度传感器（6）、光纤光栅大气压传感器（7）和光纤光栅湿度传感器（8）连接在同一根光纤上，所述测量部（15）还包括压力膜（5）、光纤接头（10）、保护壳体（11），所述压力膜（5）固定在所述保护壳体（11）内部，所述压力膜（5）与所述保护壳体（11）内壁形成真空腔（12），所述光纤接头（10）设置在所述保护壳体（11）外侧，所述光纤光栅温度传感器（6）、所述光纤光栅湿度传感器（8）分别固定于所述保护壳体（11）内部，光纤光栅大气压传感器（8）的光纤光栅固定于所述压力膜（5）上，所述光纤耦合器（3）通过光纤（4）与所述光纤接头（10）连接，所述光纤光栅温度传感器（6）、所述光纤光栅大气压传感器（7）、所述光纤光栅湿度传感器（8）在所述保护壳体（11）内部呈2字形分布。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅空气折射率测量装置，其特征在于：所述光源（1）采用宽带光源。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅空气折射率测量装置，其特征在于：所述保护壳体（11）设置有进气孔（9）。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅空气折射率测量装置，其特征在于：所述测量部（15）并联或者串联连接有若干光纤光栅温度传感器（6）。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅空气折射率测量装置，其特征在于：空气折射率测量方法为：将所述测量部（15）放在待测部位，利用所述测量部（15）接收光源（1）发出的宽带光；通过所述光纤光栅温度传感器（6）、所述光纤光栅大气压传感器（7）、所述光纤光栅湿度传感器（8）分别对所述宽带光进行反射，产生不同波长的反射光；利用波长解调器（13）对所述反射光进行波长解调，解调后的波长数据传输到上位机（14）；利用所述上位机（14）对所述解调后的波长数据进行处理，获得空气的温度数据、大气压数据、湿度数据，根据所述温度数据、大气压数据、湿度数据计算空气折射率。
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