CN113639892B - 一种光纤光栅温度传感器及准分布式测温系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种光纤光栅温度传感器及准分布式测温系统。其中光纤光栅温度传感器包括：第一光源和第二光源，所述第一光源和所述第二光源输出端连接合束器的输入端，所述合束器的输出端连接环形器的第一端口，所述环形器的第二端口连接光纤，所述光纤的尾端连接光纤光栅，所述环形器的第三端口处设置光电探测器，所述光电探测器电性连接信号采集装置。所述准分布式测温系统基于所述光纤光栅温度传感器，所述准分布式测温系统采用波分复用架构或者时分复用架构。本申请提供的光纤光栅温度传感器及准分布式测温系统具有精度高、抗磁电干扰、不惧水侵、降低光纤损耗影响及成本低的优势。

Description

一种光纤光栅温度传感器及准分布式测温系统

技术领域

本申请涉及温度传感器领域，尤其涉及一种光纤光栅温度传感器及准分布式测温系统。

背景技术

近几十年来发展起来的光纤传感器在海洋应用中表现出巨大的应用前景，光纤光栅、长周期光纤光栅、光纤法布里-珀罗腔等光纤类传感器可对海洋温度等参数进行调制和测量，并且具有灵敏度高、尺寸小、易于集成、抗腐蚀等诸多优点，越来越成为智慧海洋的中坚力量。

在光纤温度传感器方面，参阅图1所示，一般包括光源、光环形器、光纤、光纤光栅以及光谱仪或解调仪。具体实施过程中，光源发出的光经所述环形器进入光纤，沿所述光纤输入到光纤光栅中，光纤光栅将的光信号反射回环形器，最终光信号经光谱仪或解调仪分析，由光信号的波长信息来获得对应的温度信息。而现有技术的光纤长度会对光信号的强度产生一定的损耗，进而影响测量结果，导致测量精度低。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供一种光纤光栅温度传感器及准分布式测温系统。

第一方面，本申请提供一种光纤光栅温度传感器，包括：第一光源和第二光源，所述第一光源和所述第二光源输出端连接合束器的输入端，所述合束器的输出端经光纤连接光纤光栅，所述光纤光栅处理后的光经光路导入光电探测器，所述光电探测器电性连接信号采集装置。

更进一步地，所述第一光源和第二光源包括窄线宽光源，所述第一光源的窄线宽光源发出光的中心波长与第二光源的窄线宽光源发出光的中心波长的差在40pm-60pm的范围。

更进一步地，所述第一光源和第二光源包括脉冲驱动电路，所述脉冲驱动电路控制窄线宽光源发射脉冲光，且使所述第一光源和所述第二光源发出脉冲光的时间相互错开。

更进一步地，所述第一光源处配置第一温控单元，所述第二光源处配置第二温控单元，所述第一温控单元和所述第二温控单元维持所述第一光源和第二光源温度的稳定，以保证发射光波长稳定。

更进一步地，所述光纤光栅为单模光纤光栅，所述光纤光栅的半高宽覆盖所述第一光源和所述第二光源所发光的波长，且所述光纤光栅的中心波长将第一光源和第二光源所发光波长分隔在两侧。

更进一步地，所述合束器的输出端连接环形器的第一端口，所述环形器的第二端口连接光纤的一端，所述光纤的另一端连接反射光纤光栅，所述环形器的第三端口处设置光电探测器，所述光电探测器电性连接信号采集装置，光在所述环形器传输方向为由第一端口传播到第二端口，光经所述光纤到达所述光纤光栅，光纤光栅反射光经光纤到第二端口，再由第二端口传向第三端口。

更进一步地，所述光纤光栅封装于保护壳，所述保护壳为聚酰亚胺或不锈钢材质。

第二方面，本申请提供一种准分布式测温系统，基于所述光纤光栅温度传感器，准分布式测温系统采用波分复用架构或时分复用架构中的任意一种。

更进一步地，所述波分复用架构包括粗波分复用器，其中，

所述粗波分复用器连接若干个合束器，每个所述合束器的输入端分别连接第一光源和第二光源；

所述粗波分复用器连接环形器的第一端口，所述环形器的第二端口利用光纤串联若干光纤光栅，所述光纤光栅的数量等于所述合束器的数量；

所述环形器的第三端口连接光电探测器，所述光电探测器电性连接信号采集装置。

更进一步地，所述时分复用架构包括总合束器，其中，

所述总合束器连接若干个合束器，每个所述合束器的输入端分别连接第一光源和第二光源；

所述总合束器连接环形器的第一端口，所述环形器的第二端口利用光纤并联若干光纤光栅，所述光纤光栅的数量等于所述合束器的数量；

所述环形器的第三端口连接光电探测器，所述光电探测器电性连接信号采集装置。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明的光纤光栅温度传感器利用光纤光栅进行测温，应用中使用12位的信号采集装置配合0-5V的光电探测器则可实现0.005℃以上的温度测量精度，测量精度高；

(2)本发明的光纤光栅温度传感器使用第一光源和第二光源两个光源作为光纤光栅的输入光源，由第一光源和第二光源的所发光的经光纤光栅的反射后对光强度求差，采用差分的方式从而减少甚至消除了光纤损耗对测量结果的影响，提高了测量的准确度；

(3)本发明取消了常见价格昂贵的光谱仪和解调仪来对光纤光栅反射光进行检测，选用了成本更低的光电探测器和数据采集卡，从而降低了整套传感器的成本。

(4)本发明提供准分布式测温系统通过波分复用或时分复用的方式对光纤光栅温度传感器进行组合，能够通过多个光纤光栅测量区域内的温度。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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是常规的光纤光栅温度传感器的示意图；

图2是本发明实施例中光纤光栅温度传感器的示意图；

图3是本发明实施例中光纤光栅温度传感器的基本原理示意图；

图4是本发明实施例中波分复用架构的准分布式测温系统的示意图；

图5是本发明实施例中时分复用架构的准分布式测温系统的示意图。

图中标号及含义如下：

11、第一光源，12、第二光源，21、第一温控单元，22、第二温控单元，3、合束器，4、环形器，5、光纤、6、光纤光栅，7、光电探测器，8、粗波分复用器，9、总合束器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例1

参阅图2所示，本申请提供一种光纤光栅温度传感器，包括：第一光源11和第二光源12，所述第一光源11和所述第二光源12输出端连接合束器3的输入端，所述合束器3为二合一合束器。所述合束器3的输出端连接环形器4的第一端口，所述环形器4的第二端口连接光纤5的一端，所述光纤5的另一端连接反射光纤光栅6，所述环形器4的第三端口处设置光电探测器7，所述光电探测器7电性连接信号采集装置，光在所述环形器4传输方向为由第一端口传播到第二端口，光经所述光纤5到达所述光纤光栅6，光纤光栅反射光经光纤5到第二端口，再由第二端口传向第三端口。

具体实施过程中，所述第一光源11和第二光源12包括窄线宽光源，所述第一光源11的窄线宽光源发出光的中心波长与第二光源12的窄线宽光源发出光的中心波长的差在40pm-60pm的范围。所述第一光源11和第二光源12包括脉冲驱动电路，所述脉冲驱动电路控制窄线宽光源发射脉冲光，且使所述第一光源11和所述第二光源12发出脉冲光的时间相互错开。具体的，所述脉冲驱动电路包括555多谐振荡器，所述555多谐振荡器的一号引脚接地，五号引脚经电容接地，二号引脚和六号引脚连接接地的充电电容的非接地接板，充电电容非接地极板经电阻和可调变阻器连接电源，所述555多谐振荡器的七号引脚连接在电阻与可调变阻器之间，所述555多谐振荡器的四号引脚和八号引脚连接电源，所述555多谐振荡器的输出端连接D触发器，所述D触发器经放大器连接开关三极管，所述开关三极管电性连接窄线宽光源以控制窄线宽光源的上电与下电。

所述光纤光栅6为单模光纤光栅，所述光纤光栅6的半高宽覆盖第一光源11和第二光源12所发光的波长，且所述光纤光栅6的中心波长将第一光源11和第二光源12所发光波长分隔在两侧。

具体实施过程中，所述第一光源11处配置第一温控单元21，所述第二光源12处配置第二温控单元22，所述第一温控单元21和所述第二温控单元22维持所述第一光源11和第二光源12温度的稳定，以保证发射光波长稳定。具体的，所述第一温控单元21和所述第二温控单元22均包括温度测量模块，温度测量模块电性连接PID模块，所述PID模块根据温度测量模块的输出信号产生相应的电压经放大器和双极性输出级连接半导体温控模块。控制半导体温控模块制冷或制热维持恒定的温度，温度范围在-0.1℃-0.1℃。

具体实施过程中，所述光纤光栅6封装于保护壳，所述保护壳为聚酰亚胺或不锈钢材质。所述保护壳为不锈钢材质时，导热性好，降低测温的反应时间；保护壳为聚酰亚胺时，聚酰亚胺的热变形增加了所述光纤光栅6灵敏度。具体实施过程中，所述保护壳采用半开放的管状结构，对所述光纤光栅6一侧采用密封胶进行密封，另一侧做开口处理。

在本发明的一个实施例中，采用12位、量程0-5V的数据采集卡作为信号采集装置。

实施例2

参阅图4所示，本申请实施例提供一种波分复用架构的准分布式测温系统，基于所述光纤光栅温度传感器，包括：粗波分复用器8，其中，

所述粗波分复用器8连接若干个合束器3，每个所述合束器3的输入端分别连接第一光源11和第二光源12。

所述粗波分复用器8连接环形器4的第一端口，所述环形器4的第二端口经光纤5串联若干光纤光栅6，所述光纤光栅6的数量等于所述合束器3的数量。具体实施过程中，为每个合束器3所连接的每组第一光源和第二光源分配设定不同波长的波段，具体的，通过控制第一光源和第二光源所发光的波长，使每个通道光波长间隔10nm，由于每组第一光源和第二光源处于不同的波段中，各个通道之间彼此不会发生串扰。对应每组第一光源和第二光源的光纤光栅6的中心波长对应所处的波段设置。

所述环形器4的第三端口连接光电探测器7，所述光电探测器7电性连接信号采集装置。所述信号采集装置的采集信号的频率及时间与全部的第一光源、第二光源的脉冲频率及脉冲宽度相匹配，实现每次采集单一光的光强度。

实施例3

参阅图5所示，所述时分复用架构包括总合束器9，所述总合束器9为多通道合束器，其中，

所述总合束器9连接若干个合束器3，每个所述合束器3的输入端分别连接第一光源11和第二光源12；具体实施过程中，通过调整脉冲驱动电路调整每组第一光源11和第二光源12的发光时刻，将每组第一光源11和第二光源12设置于不同的时段内。每组中的第一光源11和第二光源12发光时刻仍旧错开。通过分时的方式避免相互之间的干扰。

所述总合束器9连接环形器4的第一端口，所述环形器4的第二端口利用光纤5并联若干光纤光栅6，所述光纤光栅6的数量等于所述合束器3的数量。每组第一光源11和第二光源12的波长可以固定，那么对应的光纤光栅6的中心波长可以一致。

所述环形器4的第三端口连接光电探测器7，所述光电探测器7电性连接信号采集装置。所述信号采集装置的采集信号的频率及时间与全部的第一光源、第二光源的脉冲频率及脉冲宽度相匹配，实现每次采集单一光的光强度。

本申请提供的光纤光栅温度传感器及准分布式测温系统原理如下：

参阅图3所示。所述光纤光栅6的中心波长为λ，所述第一光源11和第二光源12的激发光波长分别为λ1和λ2，温度为T1时，光纤光栅的反射光谱如(a)所示，当温度改变为T2(＞T1)时，光纤光栅6的反射谱会向波长增加的方向移动，即变为(b)所示的反射谱。第一光源11和第二光源12所发光的波长几乎不发生变化。为了对不同波长的光强度进行区分，所述光电探测器在不同时刻探测λ1和λ2对应的反射强度，因为所述第一光源11和第二光源12所发光均为脉冲光，且两者的出光时间完全错开，通过算法实现所述光电探测器7和信号采集装置在不同时间采集不同波长光源的光强度，利用差分可以消除所述光纤5造成的额外损耗，避免光纤因素对测量精确度的影响。

如图3所示，在温度为T1时，若选取所述第一光源11和第二光源12的出射光波长对称地分布于光纤光栅6反射光谱的两侧，则此时光电探测器探测到的两个波长对应的光强度是相同的，即I₁₁＝I₁₂；当温度为T2(＞T1)时，受温度影响，所述光纤光栅6的光谱会向波长增大的方向移动，此时，所述光电探测器7探测到的所述第一光源11的光强I₁₁变小、所述第二光源12的光强I₁₂变大，将两光源的光强进行差分(I₁₁-I₁₂)，得到的为一个负值，且温度相差越大，两个光强相差也越大，即温度越高(相对于温度T1)，探测到的光强绝对值越大；反之，当温度T2(＜T1)时，所述光纤光栅6向波长变短方向移动，此时光电探测器7探测到的第一光源11的光强I₁₁变大、第二光源12的光强I₁₂变小，将两光源的光强进行差分(I₁₁-I₁₂)，得到的为一个正值，且温度相差越大，两个光强相差也越大，即温度越高(相对于初始值T1)，探测到的光强绝对值越大。

利用图3所示的原理，通过标定，将不同温度与不同光强差一一对应，可以通过光强差测量温度。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明区域的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和区域。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的区域之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种光纤光栅温度传感器，其特征在于，包括：第一光源（11）和第二光源（12），所述第一光源（11）和第二光源（12）包括窄线宽光源和脉冲驱动电路，所述脉冲驱动电路控制窄线宽光源发射脉冲光，且使所述第一光源（11）和所述第二光源（12）发出脉冲光的时间相互错开，所述第一光源（11）的窄线宽光源发出光的中心波长与第二光源（12）的窄线宽光源发出光的中心波长的差在40pm-60pm的范围;所述第一光源（11）和所述第二光源（12）输出端连接合束器（3）的输入端，所述合束器（3）的输出端经光纤（5）连接光纤光栅（6），所述光纤光栅（6）为单模光纤光栅，所述光纤光栅（6）的半高宽覆盖所述第一光源（11）和所述第二光源（12）所发光的波长，且所述光纤光栅（6）的中心波长将第一光源（11）和第二光源（12）所发光波长分隔在两侧；所述光纤光栅（6）处理后的光经光路导入光电探测器（7），所述光电探测器（7）电性连接信号采集装置，所述光电探测器在不同时刻探测第一光源（11）和所述第二光源（12）发出脉冲光对应的反射强度，将不同温度与两光源不同光强差一一对应，通过光强差测量温度。

2.根据权利要求1所述光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述第一光源（11）处配置第一温控单元（21），所述第二光源（12）处配置第二温控单元（22），所述第一温控单元（21）和所述第二温控单元（22）维持所述第一光源（11）和第二光源（12）温度的稳定，以保证发射光波长稳定。

3.根据权利要求1所述光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述合束器（3）的输出端连接环形器（4）的第一端口，所述环形器（4）的第二端口连接光纤（5）的一端，所述光纤（5）的另一端连接反射光纤光栅（6），所述环形器（4）的第三端口处设置光电探测器（7），所述光电探测器（7）电性连接信号采集装置，光在所述环形器（4）传输方向为由第一端口传播到第二端口，光经所述光纤（5）到达所述光纤光栅（6），光纤光栅的反射光经光纤（5）到第二端口，再由第二端口传向第三端口。

4.根据权利要求1所述光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述光纤光栅（6）封装于保护壳，所述保护壳为聚酰亚胺或不锈钢材质。

5.一种准分布式测温系统，基于权利要求1-4任一所述光纤光栅温度传感器，其特征在于，准分布式测温系统采用波分复用架构或时分复用架构中的任意一种。

6.根据权利要求5所述准分布式测温系统，其特征在于，所述波分复用架构包括粗波分复用器（8），其中，

所述粗波分复用器（8）连接若干个合束器（3），每个所述合束器（3）的输入端分别连接第一光源（11）和第二光源（12）；

所述粗波分复用器（8）连接环形器（4）的第一端口，所述环形器（4）的第二端口利用光纤（5）串联若干光纤光栅（6），所述光纤光栅（6）的数量等于所述合束器（3）的数量；为每个合束器3所连接的每组第一光源和第二光源分配设定不同波长的波段，通过控制第一光源和第二光源所发光的波长，使每个通道光波长间隔10nm；

所述环形器（4）的第三端口连接光电探测器（7），所述光电探测器（7）电性连接信号采集装置。

7.根据权利要求5所述准分布式测温系统，其特征在于，所述时分复用架构包括总合束器（9），其中，

所述总合束器（9）连接若干个合束器（3），每个所述合束器（3）的输入端分别连接第一光源（11）和第二光源（12）；

所述总合束器（9）连接环形器（4）的第一端口，所述环形器（4）的第二端口利用光纤（5）并联若干光纤光栅（6），所述光纤光栅（6）的数量等于所述合束器（3）的数量；通过调整脉冲驱动电路调整每组第一光源11和第二光源12的发光时刻，将每组第一光源11和第二光源12设置于不同的时段内，每组中的第一光源11和第二光源12发光时刻仍旧错开；

所述环形器（4）的第三端口连接光电探测器（7），所述光电探测器（7）电性连接信号采集装置。