CN112834070A

CN112834070A - 一种利用微波光子滤波器测量光纤端面接触气体温度的方法

Info

Publication number: CN112834070A
Application number: CN202011644275.0A
Authority: CN
Inventors: 桂林; 朱玉绚; 朱浩洋
Original assignee: Shanghai Polytechnic University
Current assignee: Shanghai Polytechnic University
Priority date: 2020-12-30
Filing date: 2020-12-30
Publication date: 2021-05-25
Anticipated expiration: 2040-12-30
Also published as: CN112834070B

Abstract

本发明公开了一种利用微波光子滤波器测量光纤端面接触气体温度的方法，包括宽谱光源、电光调制器、光纤环形器、传输光纤、温箱、光电探测器、频谱分析模块，本发明提供的一种利用微波光子滤波器测量光纤端面接触气体温度的方法，通过外调制的方法对输出光进行调制，使用宽谱激光光源，降低了光源要求，同时不需要使用光谱仪对波长进行解调，减少了系统成本，可实现长距离测量。

Description

一种利用微波光子滤波器测量光纤端面接触气体温度的方法

技术领域

本发明涉及微波光子学、微波光子滤波器、以及微波光子滤波器应用于传感的技术领域，具体地说，是一种利用微波光子滤波器测量光纤端面接触气体温度的方法。

背景技术

在工业生产中，特别是在钢铁冶金、航空航天、石油化工、材料和电力等行业的生产过程中，气体温度的实时准确测量对生产工艺优化、生产效率提高和安全生产等方面具有重要的意义。

由于光纤自身体积小、重量轻、结构简单、易受外界物理参量影响使得光纤传感器具有结构轻巧、灵敏度高、动态测量范围大、抗电磁干扰力强、测量精度大等特点，并受到越来越多学者的重视^[1]。光纤传感技术可利用光纤及基于光纤制成的特殊结构测量多种物理量，例如：温度、湿度、折射率、电流、磁场强度等。测温的光纤传感器主要有基于光纤非线性效应的光纤传感器、基于光纤光栅的传感器、基于特殊光纤结构的传感器、基于微波调制技术的光纤传感器四种。

基于光纤非线性效应的光纤传感器包含基于拉曼散射效应和基于布里渊时域反射效应的光纤传感器两种，基于拉曼散射效应的温度传感系统最早在1985年由J.D.Dakin^[2]等人提出，随后Zhang^[3]等人设计的拉曼温度传感器可在40km内达到0.1℃的测量精度，在此之后拉曼分布式温度传感器可实现30km的高精度温度实时监控，为地铁、隧道、油气管道等长距离运输线路提供了很好的监测方法；布里渊时域反射型光纤传感器是通过探测布里渊散射光的变化来解调外界物理量的变化，通常利用这种方式可探测的距离可达到数十公里，因此经常被用在土木结构监测中，例如大坝、地下管道等。基于布里渊型光纤传感器通过结构可分为BOTDA与BOTDR两种^[4]；

基于光纤光栅的光纤传感器其传感信号主要由其峰值波长携带，当外界物理量(例如温度、应力等)作用在光纤光栅上时，就会改变光纤芯径的有效折射率和光栅周期，因此通过检测其中心波长的漂移就可以解调出外界物理量的大小，所以对于其峰值波长的读取是该传感技术的关键；

基于特殊光纤结构的传感器是指用一些特殊的光器件来进行传感，例如利用锥形的啁啾光纤光栅，但这种结构的光栅易发生断裂，在实用性方面有待提升，2005年Huang^[5]等人提出将一段多模光纤置于两段单模光纤之中在光纤内形成模内干涉，当温度或应力作用于光纤时使得FP腔的腔长发生改变，通过测量干涉谱的自由光谱变化即可解调出传感参量的大小，这种结构制作起来简单且重复性高，与传统光纤光栅构成的分布式传感系统相比它的插入损耗较低，因此在复用能力方面有较大的潜力；

基于微波调制技术的光纤传感器利用微波光子的方法，集成了微波学与光子学的优点，利用射频信号直接调制光载波，并在光域内直接进行处理，实现在射频波(电磁辐射的射频波段)和光纤之间透明转换，具有高紧密型，电磁环境下的高兼容性，体积小且易于安装等优点。此方法主要是通过待测量的改变影响微波干涉谱的自由光谱范围，通过测量自由光谱范围即可解调出待测量的改变。

微波光子学中关键技术之一就是微波光子滤波器，其主要目的是代替传统的方法来处理射频信号，即由于光波与微波间巨大的频差，参量在光域中发生的微小变化可以很明显地反映在微波频域，随着微波光子技术的发展，实现射频信号的光子处理变得更加方便和具有成本效益。利用微波光子滤波器实现传感的系统，主要实现对温度、压力、液体折射率等待测量变化的传感，其主要结构有Sagnac环型、光纤环型、MZI型、光纤光栅型等。

本发明中所用的是基于微波光子滤波器的光纤传感方法，直接用光纤接头作为传感器件来进行对待测气体环境的温度进行感知，以此来测量气体环境的温度改变，通过检测最终射频响应谱中射频信号幅度的变化来实现传感，此方法具有传输距离上的灵活性，可实现长距离的传感。

参考文献：

[1]刘康.基于微波解调的光纤应力及温度传感技术[D].华中科技大学，2017.

[2]Dakin J P，Pratt D J，Bibby G W，et al.Distributed optical fibreRaman temperature sensor using a semiconductor light source and detector[J].Electronics letters，1985，21(13)：569-570.

[4]Zhang Z X，et al.″Optimum design of 30-km long-distance distributedoptical fiber Raman temperature sensor system.″Photonics Asia2004.International Society for Optics and Photonics，2005.

[5]Huang Z，Zhu Y，Chen X，et al.Intrinsic Fabry-Pe/spl acute/rot fibersensor for temperature and strain measurements[J].IEEE photonics technologyletters，2005，17(11)：2403-2405.

[5]万生鹏，何赛灵.基于布里渊散射的光纤传感系统性能分析[J].传感技术学报，2004，17(2)：322-324.

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用微波光子滤波器测量光纤端面接触气体温度的方法，为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提出的一种微波光子滤波器的传感系统，包括：宽谱光源(101)，用于产生发出的放大自发辐射光(Amplified spontaneous emission light)；电光调制器(102)，用于将频率范围为f₁-f₂的射频信号调制到电光调制器上，即形成以FSR(Free spectralrange)为周期的频谱，其中FSR为微波光子滤波器的自由频谱范围，即

其中C为光的传播速度，n_e为待测的气体折射率，L为光纤的传输长度，且f₁和f₂满足：|f₂-f₁|＝nFSR；光纤环形器(103)，该光纤环形器为包含3个端口的光纤环形器(包含端口1，端口2，端口3)，用来将从端口1输入的信号光传输到端口2所连接的传感光纤1中，其端口1连接电光调制器，端口2连接传感光纤，端口3连接光电探测器；传感光纤(104)，该光纤为长度为L，用来形成微波光子滤波器，其一端面a连接光纤环形器的2端口，另一端面b空置作为感应器件，来感知待测气体环境温度的改变，气体温度改变将直接作用于传输光纤的空置PC光纤接头上；温箱(105)，用来改变待测气体环境的温度；光电探测器(106)，用来把光信号转化为电信号；频谱分析模块(107)，用来把光电探测器输出的电信号转化为频率域的输出，通过对不同频率的电信号响应形成微波光子滤波器的频率响应，即显示输出信号的频谱。

进一步，在本发明的系统结构中所用到的传感光纤(104)为两端都为PC(PhysicalContact)型光纤端口的传感光纤，其a端与是APC型光纤端面的环形器2口连接，b端空置作为感应器件；或者，该传感光纤(104)为a端是APC型光纤端面，b端是PC型光纤端面的传感光纤，其a端与是PC型光纤端面的环形器2口连接；该微波光子传感系统是通过传感光纤(104)的两个PC(Physical Contact)型端口之间的反射，形成微波光子滤波器。

进一步，在本发明的系统结构中所用到的光纤环形器2端口的光纤端面为APC(Angle Physical Contact)型的光纤端面，其所连接的是传感光纤(104)的a端，即此处的光纤连接为环形器2端口的APC型光纤端面和传感光纤的PC型光纤端面的连接；或者，光纤环形器2端口的光纤端面为PC(Physical Contact)型的光纤端面，其所连接的是传感光纤(104)的a端，即此处的光纤连接为环形器2端口的PC型光纤端面和传感光纤的APC型光纤端面的连接。

进一步，该微波光子滤波器传感系统可以采用如下的测量方法，当端面所接触的气体温度发生改变时，所探测到的射频信号强度发生变化，从而改变微波光子滤波器在谐振频率f_r处的射频信号幅度值P(f_r)。

进一步，在本发明的微波光子滤波器的传感系统中，具有如下特征：

可根据如下方法测量光纤端面所接触的气体温度改变时的射频信号幅度值P(f_r)：

a)确定宽谱光源的输出光功率PBos，以及加载到电光调制器上射频信号的功率，或者射频功率对应的射频电压数值；

b)在传感端面直接接触空气的状态下，测量常温状态下的射频信号的扫频谱；

c)在传感端面直接接触空气的状态下，改变周围气体环境的温度，测量每个温度下的射频信号扫频谱；

d)读取已测得射频扫频谱中的n个最小射频功率值P_minn，单位为dBm，{P_min1，P_min2…P_minn}，每个最小值所对应的频率即为谐振频率f_r，其对应的射频幅度值记为P(f_rn)，单位为dBm，

e)对每个温度状态下所得到n个谐振频率处的射频功率值P(f_rn)做差，得到温度改变时的射频幅度差ΔP(f_rn)(dB)，再对得到的n个射频幅度差ΔP(f_rn)(dB)求平均值，即

f)根据a)-e)的测量方法，通过计算当温度改变时对应的每个谐振频率f_r处的射频幅度值变化的平均值，即可测得该气体环境的温度改变；

进一步，在实际测量中，对于不同的待测气体环境，用权利要求5中对应的检测方法进行测量，所得结果按照权利要求5所述方法进行数据处理。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

1、本发明提供的一种微波光子传感的系统及待测量提取方法，通过外调制的方法对输出光进行调制，使用宽谱激光光源，降低了光源要求。

2、本发明通过输出的电频谱幅度变化对端面气体环境的温度变化进行测量，不需要使用光谱仪对波长进行解调，减少了系统成本。

3、本发明通过微波光子滤波器的方法来检测端面气体环境温度的改变，由于光纤可实现远距离传输，因此本发明中所用到的微波光子滤波器传感系统可对一些远距离的气体环境进行温度改变的监控。

附图说明

图1为本发明提供的结构中所用到的光纤环形器结构示意图

图2为本发明提供的光纤干涉仪的结构示意图

图3为本发明提供的微波光子滤波器系统示意图

图4为用本发明中所提到的微波光子滤波器进行温度传感的结果示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，光纤环形器有一种结构，包含端口1，端口1，端口3；

如图2所示，光纤干涉仪由环形器和一段长度为L的单模光纤构成，其特征为两端都是PC型光纤接头，并且一端连接光纤环形器的2端口，另一端空置。

如图3所示，光源(101)是宽谱光源(BOS)发出的放大自发辐射光(ASE)，其输出光经过电光调制器(102)，与射频信号进行调制，调制后的微波信号经过一个光纤环形器(103)，再经过一段长度为L的光纤跳线(104)，该调制后的微波信号经过光纤两端口的反射，最终形成干涉，被光电探测器(105)接收，最后经过解调进入频谱分析仪(106)进行数据采集以便后续做数据处理。

如图4所示，利用本发明中所提到的微波光子滤波器结构进行端面气体环境的温度传感实验所得到的最终扫频结果可以看出，传感效果是比较明显的。

Claims

1.一种微波光子滤波器的传感系统，包括：

宽谱光源(101)，用于产生发出的放大自发辐射光(Amplified spontaneous emissionlight)；

电光调制器(102)，用于将频率范围为f₁-f₂的射频信号调制到电光调制器上，即形成以FSR(Free spectral range)为周期的频谱，其中FSR为微波光子滤波器的自由频谱范围，即

其中C为光的传播速度，n_e为待测的气体折射率，L为光纤的传输长度，且f₁和f₂满足：|f₂-f₁|＝nFSR；

光纤环形器(103)，该光纤环形器为包含3个端口的光纤环形器(包含端口1，端口2，端口3)，用来将从端口1输入的信号光传输到端口2所连接的传感光纤1中，其端口1连接电光调制器，端口2连接传感光纤，端口3连接光电探测器；

传感光纤(104)，该光纤为长度为L，用来形成微波光子滤波器，其一端口a连接光纤环形器的2端口，另一端口b空置作为感应器件，来感知待测气体环境温度的改变，气体温度改变将直接作用于传输光纤的空置PC光纤接头上；

温箱(105)，用来改变待测气体环境的温度；

光电探测器(106)，用来把光信号转化为电信号；

频谱分析模块(107)，用来把光电探测器输出的电信号转化为频率域的输出，通过对不同频率的电信号响应形成微波光子滤波器的频率响应，即显示输出信号的频谱。

2.如权利要求1所述的系统，其特征为：

该系统中所用到的传感光纤(104)为两端都为PC(Physical Contact)型光纤端口的传感光纤，其a端与是APC型光纤端面的环形器2口连接，b端空置作为感应器件；

或者，该传感光纤(104)为a端是APC(Angle Physical Contact)型光纤端面，b端是PC型光纤端面的传感光纤，其a端与是PC型光纤端面的环形器2口连接；

该微波光子传感系统是通过传感光纤(104)的两个PC(Physical Contact)型端口之间的反射，形成微波光子滤波器。

3.如权利要求1所述的系统，其特征为：

光纤环形器2端口的光纤端面为APC(Angle Physical Contact)型的光纤端面，其所连接的是传感光纤(104)的a端，即此处的光纤连接为环形器2端口的APC型光纤端面和传感光纤的PC型光纤端面的连接；

或者，光纤环形器2端口的光纤端面为PC(Physical Contact)型的光纤端面，其所连接的是传感光纤(104)的a端，即此处的光纤连接为环形器2端口的PC型光纤端面和传感光纤的APC型光纤端面的连接。

4.如权利要求1所述的系统，其特征为：

该微波光子滤波器传感系统可以采用如下的测量方法，当端面所接触的气体温度发生改变时，所探测到的射频信号强度发生变化，从而改变微波光子滤波器在谐振频率f_r处的射频信号幅度值P(f_r)。

5.如权利要求1所述的系统，可根据如下方法测量光纤端面所接触的气体温度改变时所检测到的射频信号幅度值P(f_r)：

a)确定宽谱光源的输出光功率P_BOS，以及加载到电光调制器上射频信号的功率，或者射频功率对应的射频电压数值；

d)读取已测得扫频谱中的n个最小射频功率值P_minn(dBm)，{P_min1，P_min2...P_minn}，每个最小值所对应的频率即为谐振频率f_r，其对应的射频幅度值记为P(f_rn)，单位为dBm，

f)根据a)--e)的测量方法，通过计算当温度改变时对应的每个谐振频率f_r处的射频幅度值变化的平均值，即可测得该气体环境的温度改变。

6.如权利要求1所述的系统，其特征为：

在实际测量中，对于不同的待测气体环境，用权利要求5中对应的检测方法进行测量，所得结果按照权利要求5所述方法进行数据处理。