CN112816096A - 基于游标效应的级联干涉仪光纤温度传感器 - Google Patents

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贾续龙
周雪芳
杨国伟
毕美华
胡淼
李齐良
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Abstract

本发明属于传感技术领域中的光纤温度传感器，具体涉及一种基于游标效应的级联干涉仪光纤温度传感器，包括泵浦源、波分复用器、掺铒光纤、光隔离器、光纤Sagnac干涉仪、M‑Z干涉仪和光谱仪；泵浦源输出的泵浦光经波分复用器后输入掺铒光纤，经掺铒光纤放大后成为宽谱光源，宽谱光源经过光隔离器再依次通过光纤Sagnac干涉仪和M‑Z干涉仪，经两次滤波后形成带有包络的激光信号，光谱仪显示输出的光谱。本发明采用掺铒光纤作为增益介质，光隔离器确保光的传输方向，光纤Sagnac干涉仪用于滤波和传感，M‑Z干涉仪只用于滤波，两个不同的干涉仪自由光谱范围相近但不相等，利用其游标效应实现温度灵敏度的放大。相比于现有光纤传感器，其温度传感的灵敏度更大。

Description

基于游标效应的级联干涉仪光纤温度传感器
技术领域
本发明属于光传感技术领域，具体涉及一种基于游标效应的级联干涉仪光纤温度传感器。
背景技术
光纤传感器有抗电磁干扰、灵敏度高、耐腐蚀且价格低廉等优势，相比于传统的电学式传感器，光纤从传感器更适用于大多数恶劣的环境。在光纤传感器中，用于温度监测的光纤温度传感器是最早开发也是应用最多的一类传感器，且经过几十年的发展，各种基于不同原理的光纤温度传感结构相继被提出，如基于光散射效应的分布式光纤温度传感器、光纤光栅传感器以及干涉型光纤传感器等，其中分布式光纤传感器适用于长距离传感，光纤光栅传感器的传感灵敏度相对较低，而基于光干涉效应的干涉型光纤传感在小范围、高灵敏度的应用中显然是更好的选择。
干涉型光纤传感主要有基于马赫增德尔干涉仪(MZI)、法布里珀罗干涉仪(FPI)和光纤Sagnac干涉仪(FSI)的光纤传感器，但是此类单个干涉仪的传感结构，虽然其灵敏度高于光纤光栅传感器，但有时无法达到更高灵敏度应用的需求。
发明内容
基于现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种基于游标效应的级联干涉仪光纤温度传感器。
为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：
基于游标效应的级联干涉仪光纤温度传感器，包括泵浦源、波分复用器、掺铒光纤、光隔离器、光纤Sagnac干涉仪、M-Z干涉仪和光谱仪；泵浦源输出的泵浦光源经波分复用器后输入掺铒光纤，经掺铒光纤放大后成为宽谱光源，宽谱光源经过光纤隔离器再依次通过光纤Sagnac干涉仪和M-Z干涉仪，经两次滤波后在光谱仪中输出带有包络的光谱信号。
本发明采用掺铒光纤作为增益介质，光隔离器确保光的传输方向，光纤Sagnac干涉仪用于滤波和传感，M-Z干涉仪只用于滤波，两个不同的干涉仪自由光谱范围相近但不相等，利用其游标效应实现温度灵敏度的放大。相比于现有的光纤传感器，其温度传感的灵敏度更大。
作为优选方案，所述光纤Sagnac干涉仪包括保偏光纤和第一光耦合器。
作为优选方案，所述的M-Z干涉仪包括第二光耦合器和第三光耦合器。
作为优选方案，所述泵浦源与波分复用器输入端口连接，波分复用器输出端口与掺铒光纤的一端连接，掺铒光纤的另一端与光隔离器的输入端连接，光隔离器的输出端与第一光耦合器的第一端口连接第一光耦合器的第三端口与保偏光纤的一端连接，保偏光纤的另一端与第一光耦合器的第四端口连接，第一光耦合器的第二端口与第二光耦合器的第一端口连接，第二光耦合器的第二和第三端口分别于第三光耦合器的第二和第三端口连接，第三光耦合器的第一端口与光谱仪连接。
作为优选方案，所述掺铒光纤的增益范围为1530～1570nm。
作为优选方案，所述第一光耦合器的四个端口均为50％分光比，工作范围为1530～1580nm。
作为优选方案，所述保偏光纤为熊猫型保偏光纤，拍长为3.8mm，长度为6.6m，工作范围为1530～1580nm。
作为优选方案，所述第二光耦合器第二端口分光比为50％，第三端口分光比为50％，工作范围为1530～1580nm。
作为优选方案，所述第三光耦合器第二端口分光比为50％，第三端口分光比为50％，工作范围为1530～1580nm。
作为优选方案，所述泵浦光源为980nm泵浦光源。
作为优选方案，所述游标效应是指分别使用光纤Sagnac干涉仪和M-Z干涉仪的输出波长作为游标的滑动部分刻度和固定部分刻度，两者刻度重叠之处即表示包络峰值。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明基于游标效应的级联干涉仪光纤温度传感器，采用掺铒光纤为增益介质，采用光隔离器确保光的传输方向，利用光纤Sagnac干涉仪和M-Z干涉仪的游标效应实现高灵敏度温度传感，其温度传感灵敏度达到了14.32nm/℃。
本发明温度传感器的结构简单，光纤系统可集成，所采用的干涉仪易于制作且成本低，适用于空间范围小、温度灵敏度要求高的应用。
附图说明
图1是本发明实施例基于游标效应的级联干涉仪光纤温度传感器的结构示意图。
图2是本发明实施例基于游标效应的级联干涉仪光纤温度传感器的输出光谱图。
图3是本发明实施例基于游标效应的级联干涉仪光纤温度传感器的温度漂移图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面将对照附图说明本发明的优选实施例。
如图1所示，本发明实施例的基于游标效应的级联干涉仪光纤温度传感器，包括泵浦源1、波分复用器2、掺铒光纤3、光隔离器4、第一光耦合器5-1、第二光耦合器5-2、第三光耦合器5-3、保偏光纤6、和光谱仪7，掺铒光纤3的增益范围为1530nm至1570nm。第一光耦合器5-1、第二光耦合器5-2和第三光耦合器5-3的工作范围为1530～1580nm。第三光耦合器5-3的端口m作为激光输出端口。
具体连接结构为：泵浦源1与波分复用器2的980nm波长输入端口a连接，波分复用器的输出端口c与掺铒光纤3的一端连接，掺铒光纤3的另一端与光隔离器4的输入端口连接，光隔离器4的输出端口与第一光耦合器5-1的第一端口d连接，第一光耦合器5-1的第二端口e与保偏光纤6的一端连接，保偏光纤6的另一端与第一光耦合器5-1的第三端口f连接，第一光耦合器5-1第四端口g与第二光耦合器5-2的第一端口h连接，第二光耦合器5-2的第二端口i和第三端口j分别与第三光耦合器5-3的第二端口k和第三端口l连接，第三光耦合器5-3的第一端口m与光谱仪7连接，从光谱仪7得到14.32nm/℃的温度传感灵敏度。其中，第一光耦合器5-1的四个端口、第二光耦合器5-2的i和j端口以及第三光耦合器5-3的k和l端口的分光比均为50％。另外，保偏光纤6为熊猫保偏光纤，其拍长为3.8mm、长度为6.6m。
本发明实施例所采用的光纤Sagnac干涉仪和M-Z干涉仪的自由光谱范围分别为0.896nm和0.802nm，光纤Sagnac干涉仪的作用是滤波和传感，M-Z干涉仪的作用是滤波。
本发明实施例基于游标效应的级联干涉仪光纤温度传感器的基本原理是：泵浦源输出的980nm泵浦光信号经过波分复用器进入掺铒光纤被放大为宽谱光信号，宽谱光信号经过光隔离器后进去光纤Sagnac干涉仪输出波长间隔为0.896nm的多波长信号，再通过M-Z干涉仪在光谱仪中输出两个干涉仪滤波后的叠加信号，此叠加信号的包络的自由光谱范围为7.65nm，如图2所示，其取决于两个干涉仪的自由光谱范围，可表示为：
Figure BDA0002965375390000041
上式中，FSRFSI、FSRMZI和FSRenvelope分别表示光纤Sagnac干涉仪、M-Z干涉仪和两种干涉仪输出波形叠加后的自由光谱范围。当光纤Sagnac干涉仪受到温度变化而发生波长漂移时，在光谱仪中包络的漂移会将其漂移量放大，放大的倍数可表示为：
Figure BDA0002965375390000042
对温度灵敏度的放大可表示为：
CT＝CFSI×MFSI
上式中，CFSI表示单个光纤Sagnac干涉仪的温度传感灵敏度，CT表示本发明级联干涉仪的温度传感灵敏度，最后经过放大得到的温度灵敏度为14.32nm/℃，如图3所示。
本发明采用掺铒光纤作为增益介质，利用光纤Sagnac干涉仪和M-Z干涉仪输出波长的游标效应，实现了将温度传感灵敏度的放大，相比于现有的光纤温度传感器，其灵敏度高适用范围广，且系统结构简单易于集成。另外，所采用的两种不同的干涉仪成本低制作过程简单，其中一个干涉仪对温度敏感则用于传感，另一个干涉仪对温度不够敏感只用于滤波，相比于两种相同的干涉仪结构，这种结构能更准确的对温度进行监测。
以上对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于游标效应的级联干涉仪光纤温度传感器，其特征在于，包括泵浦源、波分复用器、掺铒光纤、光隔离器、光纤Sagnac干涉仪、M-Z干涉仪和光谱仪；泵浦源输出的泵浦光源经波分复用器后输入掺铒光纤，经掺铒光纤放大后成为宽谱光源，宽谱光源经过光隔离器再依次通过光纤Sagnac干涉仪和M-Z干涉仪，经两次滤波后在光谱仪中输出带有包络的光谱信号。
2.根据权利要求1所述的基于游标效应的级联干涉仪光纤温度传感器，其特征在于，所述光纤Sagnac干涉仪包括保偏光纤和第一光耦合器；所述的M-Z干涉仪包括第二光耦合器和第三光耦合器；所述泵浦源与波分复用器输入端口连接，波分复用器输出端口与掺铒光纤的一端连接，掺铒光纤的另一端与光隔离器的输入端连接，光隔离器的输出端与第一光耦合器的第一端口连接第一光耦合器的第三端口与保偏光纤的一端连接，保偏光纤的另一端与第一光耦合器的第四端口连接，第一光耦合器的第二端口与第二光耦合器的第一端口连接，第二光耦合器的第二和第三端口分别于第三光耦合器的第二和第三端口连接，第三光耦合器的第一端口与光谱仪连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于游标效应的级联干涉仪光纤温度传感器，其特征在于，所述掺铒光纤的增益范围为1530～1570nm。
4.根据权利要求2所述的基于游标效应的级联干涉仪光纤温度传感器，其特征在于，所述第一光耦合器的四个端口均为50％分光比，工作范围为1530～1580nm。
5.根据权利要求2所述的基于游标效应的级联干涉仪光纤温度传感器，其特征在于，所述保偏光纤为熊猫型保偏光纤，拍长为3.8mm，长度为6.6m，工作范围为1530～1580nm。
6.根据权利要求2所述的基于游标效应的级联干涉仪光纤温度传感器，其特征在于，所述第二光耦合器第二端口分光比为50％，第三端口分光比为50％，工作范围为1530～1580nm。
7.根据权利要求2所述的基于游标效应的级联干涉仪光纤温度传感器，其特征在于，所述第三光耦合器第二端口分光比为50％，第三端口分光比为50％，工作范围为1530～1580nm。
8.根据权利要求1所述的基于游标效应的级联干涉仪光纤温度传感器，其特征在于，所述泵浦光源为980nm泵浦光源。
9.根据权利要求1-2、4-8任一项所述的基于游标效应的级联干涉仪光纤温度传感器，其特征在于，所述的游标效应指分别使用光纤Sagnac干涉仪和M-Z干涉仪的输出波长作为游标的滑动部分刻度和固定部分刻度，两者刻度重叠之处即表示包络峰值。
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