CN113015298A - 一种适用于宽温度范围的分布式光纤光源控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤传感器光源技术领域，具体涉及一种适用于宽温度范围的分布式光纤光源控制系统，包括：光源；光源滤波模块，光源滤波模块包括正温度系数长周期光纤光栅和负温度系数长周期光纤光栅；其中，正温度系数长周期光纤光栅的中心波长随温度上升而增大，作用于光源的平均波长随温度呈现抛物线型变化时的递减区间；负温度系数长周期光纤光栅的中心波长随温度上升而减小，作用于光源的平均波长随温度呈现抛物线型变化时的递增区；光源补偿模块，用于根据预先建立的光源波长补偿模型，对光源的各个组件进行补偿计算，得到光源波长的补偿结果；根据补偿结果对各个组件进行组合匹配，得到超光源最终选定的组件。本发明能够对光源进行温度补偿。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器光源技术领域，具体涉及一种适用于宽温度范围的分布式光纤光源控制系统。
背景技术
光源作为光纤传感器的关键器件，光源的性能某种程度上也会决定光纤传感系统的性能。对于超荧光光纤光源来说，特别是超荧光掺铒光纤光，相较于其他宽谱光源而言，其平均波长稳定、输出功率高、谱宽大、耦合效率高，而得到了广泛的应用。由于普通超荧光掺铒光纤光源的平均波长会随温度发生变化，故而有必要采取措施提高超荧光光纤光源的平均波长的稳定性。
对此，中国专利CN102620828A公开了一种宽谱超荧光光纤光源的平均波长稳定方法，让宽谱超荧光光纤光源经过用于平均波长随温度呈抛物线型变化的光源滤波器后，得到平均波长稳定的光源光谱；光源滤波器包括正温度系数长周期光纤光栅、负温度系数长周期光纤光栅、光纤线圈、光纤光栅固定槽和滤波器保护外壳，在滤波器保护外壳内依次设置有正温度系数长周期光纤光栅、光纤线圈和负温度系数长周期光纤光栅。
在上述技术方案中，采用正、负温度系数长周期光纤光栅作为滤波器，对平均波长随温度呈抛物线型变化的超荧光光源进行稳定，结构简单、工艺更成熟，即使对平均波长波动为5ppm/℃的超荧光光纤光源，也能有效降低至0.5ppm/℃，可在不对光源内部进行改动的情况下使其适用于高精度光纤传感系统。但是，上述技术方案是针对比较小的工作温度范围进行稳定的，而我国幅员辽阔，南北温差比较大，比如说，即使在冬季东北地区的平均气温也比西南地区的平均气温低15～20℃左右，从而很难满足实际的工程化应用。
发明内容
本发明提供一种适用于宽温度范围的分布式光纤光源控制系统，解决了现有技术只能在小的工作温度范围对光纤光源的平均波长进行稳定的技术问题。
本发明提供的基础方案为：一种适用于宽温度范围的分布式光纤光源控制系统，包括：
光源；
光源滤波模块，光源滤波模块包括正温度系数长周期光纤光栅和负温度系数长周期光纤光栅；其中，正温度系数长周期光纤光栅的中心波长随温度上升而增大，作用于光源的平均波长随温度呈现抛物线型变化时的递减区间；负温度系数长周期光纤光栅的中心波长随温度上升而减小，作用于光源的平均波长随温度呈现抛物线型变化时的递增区；
光源补偿模块，用于根据预先建立的光源波长补偿模型，对光源的各个组件进行补偿计算，得到光源波长的补偿结果；根据补偿结果对各个组件进行组合匹配，得到光源最终选定的组件。
本发明的工作原理及优点在于：首先，连接光源的光路；然后，在预设温度范围内改变光路的驱动电流值，记录光源平均波长随驱动电流的变化情况，以确定最佳驱动电流；随后，利用最佳驱动电流，在相同的条件下测试光源各个组件在预设温度范围内平均波长随温度的变化，以对预设温度范围内光源平均波长随温度的变化情况进行数值计算，从而建立光源波长补偿模型；最后，对光源的各个组件进行补偿计算，得到光源波长的补偿结果。通过这样的方式，能够实现对光源输出平均波长的温度补偿，使得光源平均波长的稳定性降低至0.5ppm/℃，相较于采用光纤光栅进行温度补偿更简单、成本更低且更易于实现。
本发明通过建立光源波长补偿模型，得到光源波长的补偿结果，能够实现对光源输出平均波长的温度补偿，解决了现有技术只能在小的工作温度范围对光纤光源的平均波长进行稳定的技术问题。
进一步，还包括光源稳定模块，用于获取光源的光强值以及驱动信号，利用驱动信号的直流分量稳定光源；其中，光源受驱动信号的交流分量调制。
有益效果在于：一方面，受驱动信号的交流分量调制，光源的光强与交流分量的幅度成正相关；另一方面，驱动信号的直流分量与交流分量成负相关；故而通过调节驱动信号的直流分量能够实现对光源光强的控制。通过这样的方式，利用驱动信号的直流分量可以提高光源的稳定性。
进一步，光源稳定模块包括：比较单元，用于将光强值与预设值进行比较，判断光强值与预设值的大小；上调单元，用于在光强值大于预设值时，上调驱动信号的直流分量；下调单元，用于在光强值小于预设值时，下调驱动信号的直流分量。
有益效果在于：通过这样的方式，可以当光源的光强值较小时，通过下调驱动信号的直流分量来提高交流分量，进而提高光源的光强；当光源的光强值较大时，通过上调驱动信号的直流分量来降低交流分量，进而降低光强；从而很好地稳定光源的光强。
进一步，还包括光强校正模块，用于获取光探测元件在变化温度下的探测结果，根据温度和探测结果得到光探测元件的校正关系式，并利用校正关系式对光强值进行温度校正。
有益效果在于：由于在校正关系式中温度变化量与探测结果变化量并非都是线性关系，可能是多次项的关系或者指数关系，通过这样的方式，即使光探测元件的校正关系式不同，也可以对相同温度下的光强值进行校正。
进一步，还包括固定槽，正温度系数长周期光纤光栅与负温度系数长周期光纤光栅由固定槽进行固定。
有益效果在于：将正温度系数长周期光纤光栅与负温度系数长周期光纤光栅由固定槽上，可以缓解热胀冷缩的影响，防止松动。
进一步，还包括保护壳，保护壳内依次设置正温度系数长周期光纤光栅、负温度系数长周期光纤光栅。
有益效果在于：这样能够对正温度系数长周期光纤光栅、负温度系数长周期光纤光栅起到防水、防尘的保护作用。
附图说明
图1为本发明一种适用于宽温度范围的分布式光纤光源控制系统实施例的系统结构框图。
图2为本发明一种适用于宽温度范围的分布式光纤光源控制系统实施例3的保温盒的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
说明书附图中的标记包括：壳体1、弹簧2、隔板3、加热层4、光纤5。
实施例1
实施例基本如附图1所示，包括：
光源；
光源滤波模块，光源滤波模块包括正温度系数长周期光纤光栅和负温度系数长周期光纤光栅；其中，正温度系数长周期光纤光栅的中心波长随温度上升而增大，作用于光源的平均波长随温度呈现抛物线型变化时的递减区间；负温度系数长周期光纤光栅的中心波长随温度上升而减小，作用于光源的平均波长随温度呈现抛物线型变化时的递增区；
光源补偿模块，用于根据预先建立的光源波长补偿模型，对光源的各个组件进行补偿计算，得到光源波长的补偿结果；根据补偿结果对各个组件进行组合匹配，得到光源最终选定的组件；
光源稳定模块，用于获取光源的光强值以及驱动信号，利用驱动信号的直流分量稳定光源；其中，光源受驱动信号的交流分量调制；
光强校正模块，用于获取光探测元件在变化温度下的探测结果，根据温度和探测结果得到光探测元件的校正关系式，并利用校正关系式对光强值进行温度校正。
具体实施过程如下：
在本实施例中，光源为超荧光光纤光源，光源滤波模块包括正温度系数长周期光纤光栅和负温度系数长周期光纤光栅。其中，正温度系数长周期光纤光栅通过紫外曝光方式在Corning SMF-28光纤上制作而成，温度系数为0.05nm/℃，正温度系数长周期光纤光栅的中心波长随温度上升而增大，作用于光源的平均波长随温度呈现抛物线型变化时的递减区间，比如抛物线开口向上或者开口向下，以使平均波长随温度上升而增大。负温度系数长周期光纤光栅通过紫外曝光方式在Fibercore PS1250/1500光敏光纤上制作而成，温度系数为-0.45nm/℃，负温度系数长周期光纤光栅的中心波长随温度上升而减小，作用于光源的平均波长随温度呈现抛物线型变化时的递增区，比如抛物线开口向上/开口向下，以使平均波长随温度上升而减小。
光源补偿模块根据预先建立的光源波长补偿模型，对光源的各个组件进行补偿计算，得到光源波长的补偿结果；根据补偿结果对各个组件进行组合匹配，得到光源最终选定的组件。具体而言，在本实施例中，光源包括抽运源、波分复用器和反射镜。首先，将抽运源放入温箱中，将光源其余部分放在温箱外，确保其它部分不会受到温度变化的影响，也即确保光源波长的变化仅与抽运源与温度的变化有关，在-30℃～40℃温度范围内测量光源平均波长随温度的变化情况；然后，改变抽运源的驱动电流值，得到在-30℃～40℃温度范围内光源平均波长变化随驱动电流的变化关系，选取光源波长变化最小时的驱动电流作为最佳驱动电流，将光源波长变化受驱动电流自身漂移的影响降至最低；接着，类似地，在相同的条件下分别测试波分复用器、反射镜，得到由光源组件引起平均波长随温度变化的关系，建立光源组件透射波长随温度的变化模型；再接着，将得到的光源的各个组件透射波长随温度变化模型进行累加，对累加结果拟合计算，得到光源波长补偿计算结果，计算公式如下，Δλ＝Δλ1+Δλ2+Δλ3+Δλ4，其中Δλ为光源平均波长随温度变化量、Δλ1～Δλ4为光源的各个组件透射波长变化量；最后，根据计算结果选取波长随温度最小的器件作为光源的最终组件，通过组件匹配后即可实现光源平均波长在-30℃～40℃温度范围内的补偿。
光源稳定模块获取光源的光强值以及驱动信号，利用驱动信号的直流分量稳定光源；其中，光源受驱动信号的交流分量调制。一方面，受驱动信号的交流分量调制，光源的光强与交流分量的幅度成正相关；另一方面，驱动信号的直流分量与交流分量成负相关，通过调节驱动信号的直流分量能够实现对光源光强的控制。具体而言，光源稳定模块包括比较单元、上调单元和下调单元，其中，首先由比较单元将光强值与预设值进行比较，判断光强值与预设值的大小；接着，上调单元在光强值大于预设值时上调驱动信号的直流分量，下调单元在光强值小于预设值时下调驱动信号的直流分量。通过这样的方式，由于受驱动信号的交流分量调制，光源的光强与交流分量的幅度成正相关，同时驱动信号的直流分量与交流分量成负相关，即使受温度发生变化、光源光强也发生变化、光谱也发生漂移，也能够有效抑制光源的光谱漂移、稳定光源的光谱。
光强校正模块获取光探测元件在变化温度下的探测结果，根据温度和探测结果得到光探测元件的校正关系式，并利用校正关系式对光强值进行温度校正。具体来说，在本实施例中，首先，获取光探测元件在变化温度下的探测结果，在温度上升过程中，温度与光探测元件探测的(光强值)存在对应的关系；然后，根据光探测元件在变化温度下的探测结果，以及各个探测结果对应的温度，分析得到探测结果变化率与温度变化量对应的数据，根据这些数据得到探测结果变化率随温度变化量的变化关系图，并拟合得到直线，也即校正关系式，比如说y＝kx+b的形式；最后，利用校正关系式对光强值进行温度校正。
在本实施例中，光强值由光电转化并处理后得到的电信号来表征，校正关系式为y＝kx+b，x表示温度变化量，y表示探测结果(电信号)变化量。如果光探测元件在温度x1下实际探测的光强值y1，温度x1相对于温度基准值x0的温度变化量为Δx，于是有Δx＝x1-x0；光强值y1相对x0温度下的光强基准值y0的探测结果变化量为Δy，于是有Δy＝y1-y0。由此可知，Δx与Δy符合校正关系式，也即Δy＝k*Δx+b成立。故而通过下式计算温度x1条件下校正后的光强值y，y＝y1+Δy。在校正关系式中，温度变化量与探测结果变化量有时并非都是线性关系，可能是多次项的关系或者指数形式的关系，光探测元件的校正关系式不同校正后的光强值也可能不同。
实施例2
与实施例1不同之处仅在于，还包括固定槽和保护壳，正温度系数长周期光纤光栅与负温度系数长周期光纤光栅通过固定槽固定，也即将正温度系数长周期光纤光栅与负温度系数长周期光纤光栅由固定槽上，缓解热胀冷缩的影响以防止松动。与此同时，保护壳内依次设置正温度系数长周期光纤光栅、负温度系数长周期光纤光栅，以便于对正温度系数长周期光纤光栅、负温度系数长周期光纤光栅起到防水、防尘的保护作用。
实施例3
与实施例2不同之处仅在于，在本实施例中光纤5应用在东北的冬季，每天的昼夜温差可在20～30℃以上，温度变化速率可达4～6℃/h；光纤5一部分埋没在土壤里，另一部暴露在空气中。土壤温度会随着地表附近气温的变化而呈现季节性起伏和昼夜变化；同时，由于太阳辐射周期性日变化和年变化的影响，土壤温度也会有相应的变化，使得土壤温度的年变化表现为正弦函数，温度的变化幅度随着土壤深度的增加而减小，到了某一个深度，可以认为振幅近似为零。另外，由于土壤和空气的热传导系数不同，在冬季的时候土壤的温度通常高于空气的温度，这是由于空气的温度受到热对流的作用使得散热较快，土壤中却不存在对流换热，故而散热较慢。故而，光纤5暴露在空气中的部分与埋没在土壤中的部分存在温差，或者说温度不均匀。
在本实施例中，光纤5的工作温度通常在-10℃～50℃之间，需要采取措施确保光纤5能够处于恒温的状态。具体来说：
对于光纤5暴露在空气中的部分保持恒温，需要采用温度传感器、控制器、加热器和风力发电机。比如说，东北某地的环境温度在3h内从-5℃下降到-15℃，温度传感器会实时检测环境温度，并将环境温度发送到控制器。控制器接收到环境温度以后，先判断环境温度是否低于光纤5的工作温度的最低值，也即-15℃低于-10℃；然后，计算温度变化速率为-5℃/h；最后，发送控制指令到加热器，使其以“逆反抗”的方式对光纤5熔接处进行加热，也即以+5℃/h的温度变化速度进行升温，直到其温度处于光纤5的工作温度以内。与此同时，由于东北地区刮风较多、风力也大，风力发电机能够将风能转换为电能，电能再转换为热能以提高光纤5的温度。
对于光纤5埋没在土壤中的部分保持恒温，需要采用保温盒，如附图2所示，保温盒由壳体1、弹簧2、隔板3和加热层4组成；弹簧2共有两根，分别位于壳体1内部空间的左右两侧，弹簧2的上端焊接在壳体1的上表面；隔板3由导热良好的金属材料制成，比如铝，隔板3位于弹簧2的下面，弹簧2的下端焊接在隔板3的上表面，隔板3左右两端分别与壳体1的左侧壁面、右侧壁面接触并可上下滑动；加热层4由氯化钙也即生石灰制成，加热层4通过黏胶与隔板3的下表面固定连接。隔板3与壳体1的左侧壁面、右侧壁面以及下侧壁面形成密闭空间，密闭空间内放置有一定量的纯净水，以及填充有一定量的惰性气体，比如氮气。壳体1的左侧壁面、右侧壁面均开设有通孔，通孔位于隔板3的上方，光纤5分别贯穿通孔。
在本实施例中，保温盒埋在土壤里，空气的温度处于300K时，弹簧2均处于压缩状态，氮气的压力、隔板3以及加热层4的重力、弹簧2的压力三者处于平衡。当空气的温度骤然下降时，土壤的温度也会逐渐下降，使得氮气的温度下降，从而氮气的压力降低；在弹簧2的作用下，加热层4向下运动并与纯净水接触，从而产生热量；这些热量经过隔板3传入隔板3与壳体1的左侧壁面、右侧壁面以及上侧壁面形成密闭空间内的空气中，提高空气的温度，从而空气以热传导的形式对光纤5进行加热保温。
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)
1.一种适用于宽温度范围的分布式光纤光源控制系统，其特征在于，包括：
光源；
光源滤波模块，光源滤波模块包括正温度系数长周期光纤光栅和负温度系数长周期光纤光栅；其中，正温度系数长周期光纤光栅的中心波长随温度上升而增大，作用于光源的平均波长随温度呈现抛物线型变化时的递减区间；负温度系数长周期光纤光栅的中心波长随温度上升而减小，作用于光源的平均波长随温度呈现抛物线型变化时的递增区；
光源补偿模块，用于根据预先建立的光源波长补偿模型，对光源的各个组件进行补偿计算，得到光源波长的补偿结果；根据补偿结果对各个组件进行组合匹配，得到光源最终选定的组件。
2.如权利要求1所述的适用于宽温度范围的分布式光纤光源控制系统，其特征在于，还包括光源稳定模块，用于获取光源的光强值以及驱动信号，利用驱动信号的直流分量稳定光源；其中，光源受驱动信号的交流分量调制。
3.如权利要求2所述的适用于宽温度范围的分布式光纤光源控制系统，其特征在于，光源稳定模块包括：比较单元，用于将光强值与预设值进行比较，判断光强值与预设值的大小；上调单元，用于在光强值大于预设值时，上调驱动信号的直流分量；下调单元，用于在光强值小于预设值时，下调驱动信号的直流分量。
4.如权利要求3所述的适用于宽温度范围的分布式光纤光源控制系统，其特征在于，还包括光强校正模块，用于获取光探测元件在变化温度下的探测结果，根据温度和探测结果得到光探测元件的校正关系式，并利用校正关系式对光强值进行温度校正。
5.如权利要求4所述的适用于宽温度范围的分布式光纤光源控制系统，其特征在于，还包括固定槽，正温度系数长周期光纤光栅与负温度系数长周期光纤光栅由固定槽进行固定。
6.如权利要求5所述的适用于宽温度范围的分布式光纤光源控制系统，其特征在于，还包括保护壳，保护壳内依次设置正温度系数长周期光纤光栅、负温度系数长周期光纤光栅。
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|---|---|---|---|---|
| WO2023184387A1 (zh) * | 2022-03-31 | 2023-10-05 | 京东方科技集团股份有限公司 | 背光模组及其驱动方法、显示模组 |
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2021
- 2021-02-26 CN CN202110219436.XA patent/CN113015298A/zh active Pending
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