CN115077737B - 基于硫化物光纤非线性的温度传感器、测量系统、方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于硫化物光纤非线性的温度传感器、测量系统、方法，涉及光学温度传感技术领域；针对目前光学温度传感技术的不足，基于交叉相位调制现象，改变温度引起顺时针与逆时针传输信号光的相移差变化，使得透射输出光变化功率，实现温度传感。温度传感器抗电磁干扰强、体积小、轻量化、检测方法简单，更适用于极端环境的应用。温度测量系统工作在光学中红外波段,入侵性小，安全性高，在分子光谱学、大气监测、生物医疗及军事遥感等领域具有应用优势。
Description
技术领域
本发明涉及光学温度传感技术领域，尤其涉及基于硫化物光纤非线性的温度传感器、测量系统、方法。
背景技术
光纤传感器的原理是将光源发出的一定波长的光经光纤发送到传感区，被测量量与光在传感区发生相互作用,使光的光学特性如强度、相位、波长、频率、偏振态等发生变化，然后光纤再把在传感区内被调制的光信号发送到探测器而获得被测信号。由光波被调制的特性不同，把光纤传感器分为强度调制型、频率调制型、相位调制型、波长调制型以及偏振态调制型五种。强度调制型传感器是以输出光强的变化来表示被测物理量的,具有传感器结构简单、性能可靠、设计灵活等特点。强度调制型传感器被广泛用于检测某些物理量，如浓度、温度、压力、位移、表面粗糙度等。
交叉相位调制是指不同模式的光波(不同波长或相同波长不同偏振方向的光波)在光纤中共同传输时，产生的传输光波的非线性相移，并且这种相移与各个模式的光场强度相关。交叉相位调制可以用折射率的变化来表示，非线性系数是交叉相位调制中重要的物理参量。近年来，基于高非线性特种光纤中的交叉相位调制现象受到国内外研究者的广泛关注。硫化物光纤是指含有一种或者几种硫族元素的高非线性光纤，与氧化物玻璃相比，硫化物玻璃具有的较低的软化温度，稳定的化学物理性质，对潮气不敏感。同时，硫化物光纤具有很高的热光系数，对温度变化敏感，在中红外波段具有很高的透过率，非线性系数要比传统的石英光纤高两到三个数量级。因此，硫化物光纤是交叉相位调制现象产生的优越媒介，且具有温度传感的巨大潜力。由于交叉相位调制在硫化物光纤中易于产生与观察，且对于光纤结构要求比较低，因此硫化物光纤中交叉相位调制现象为解决现有光纤温度传感器的弊端，例如低灵敏度、低机械强度和复杂的结构提供了新的有效途径。
发明内容
针对目前光学温度传感技术的不足，本发明提供基于硫化物光纤非线性的温度传感器、测量系统、方法。基于交叉相位调制现象，改变温度引起顺时针与逆时针传输信号光的相移差变化，使得透射输出光变化功率，实现温度传感。温度传感器抗电磁干扰强、体积小、轻量化、检测方法简单，更适用于极端环境的应用。温度测量系统工作在光学中红外波段,入侵性小，安全性高，在分子光谱学、大气监测、生物医疗及军事遥感等领域具有应用优势。
本发明为实现上述目的，采取的技术方案为：
一方面，本发明提供了基于硫化物光纤非线性的温度传感器，所述温度传感器为硫化物光纤温度传感器，该传感器包括纤芯及以纤芯为圆心的包层。
所述包层内设置四个空气孔，空气孔的孔径相等，空气孔中有填充物，填充物具备比硫化物光纤高的热光系数。
所述温度传感器的纤芯芯径范围为3μm～5μm；包层的厚度范围为110μm～130μm，其中，包层内设置的空气孔的孔径范围均为20μm～30μm；光纤传感器的长度范围为1m～10m；所述填充物采用热光系数为-7.91×10-4/℃的二硫化碳。
所述温度传感器的材料为As2S5。
另一方面，本发明还提供基于硫化物光纤非线性的温度传感器测量系统，采用所述温度传感器，所述测量系统包括单模光纤模块、用于提供信号光的信号光源模块、用于提供脉冲泵浦光的泵浦光源模块、用于检测温度调节模块温度的光纤传感器模块、用于改变待测温度的温度调节模块、用于提供顺时针与逆时针传输信号光增益的放大器模块以及用于检测透射输出光随温度变化功率的检测模块。
所述信号光源模块发出的信号光与泵浦光源模块发出的泵浦光由第一耦合模块耦合形成第一耦合光，第一耦合光经第二耦合模块分为顺时针传输和逆时针传输，顺时针传输和逆时针传输第一耦合光，均通过光纤传感器模块、单模光纤模块和放大器模块中对向传输，透射输出光，并由检测模块检测。
所述信号光源模块发射的信号光为连续光，泵浦光源模块发射的泵浦光为泵浦脉冲光，泵浦脉冲光的峰值功率大于连续光的功率。
所述信号光源模块发射的信号光中心波长范围为3180nm～3195nm，泵浦光源模块发射的泵浦脉冲光中心波长范围为3205nm～3220nm。
所述第一耦合模块为1×2的3dB耦合模块，第二耦合模块为2×2的3dB耦合模块。
所述温度调节模块包括水浴加热锅、恒温恒湿箱、加热电线圈。
所述放大器模块为半导体放大器或光纤放大器，增益系数范围为18dB～22dB。
所述检测模块包括功率计、光谱仪、示波器。
另一方面，本发明还提供基于硫化物光纤非线性的温度传感器测量方法，包括以下步骤：
S1：信号光源模块发射的信号光与泵浦光源模块发射的泵浦脉冲光，由第一耦合模块耦合到一起作为第一耦合光；
S2：第一耦合光经过第二耦合模块后，分为顺时针和逆时针传输，经光纤传感器模块，单模光纤模块，放大器模块对向传输；
S3：温度调节模块改变光纤传感器模块的待测温度，光纤传感器模块感应温度的变化，通过数值模拟计算硫化物光纤在不同温度下的非线性系数；
S4：数值模拟计算顺时针和逆时针传输第一耦合光的相移差在不同温度下的数值；
S5：检测模块检测透射输出光随温度变化的功率；
S6：数值模拟计算基于硫化物光纤非线性的温度传感器的灵敏度。
所述步骤3的具体过程：
当温度传感器周围的待测温度变化时，温度传感器产生热光效应，温度传感器的折射率nCha发生变化，表示为：
其中，dn/dT表示温度传感器的热光系数，n20表示温度传感器在20℃的折射率，T表示待测温度，待测温度改变，温度传感器的非线性系数γCha发生变化。
所述步骤4的具体过程：
顺时针传输的非线性相移表示为：
γCha和γSMF分别表示硫化物光纤和单模光纤的非线性系数，LCha和LSMF分别表示硫化物光纤和单模光纤的长度，Ps和Pp分别表示信号光的功率和泵浦脉冲光的峰值功率，G表示放大器增益倍数。
逆时针传输的非线性相移表示为：
令LCha＝LSMF＝L时，则非线性相移差δφNL表示为:
L表示硫化物光纤和单模光纤的长度。
当γCha>>γSMF，G>>1，Pp>>Ps，则δφNL表示为:
δφNL＝GγChaPPL (5)
顺时针和逆时针传输第一耦合光路径相同，顺时针线性相移与逆时针线性相移相同，即则顺时针和逆时针传输信号光的相移差δφ：
δφ＝δφNL＝GγChaPPL (6)
Sagnac环的透过率TS为:
所述步骤5的具体过程：
当温度变化时，TS也会发生变化：
T″S和T′S表示温度为T”和T'时的透过率，γ″Cha和γ′Cha表示温度为T”和T'时的硫化物光纤的非线性系数，
所述步骤6的具体过程：
通过检测透射输出光随温度变化的功率实现温度传感，温度传感器的灵敏度S表示为：
ΔT表示温度T”和T'的温度差。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1、本发明设计的基于硫化物光纤非线性的温度传感器通过检测透射输出光随温度变化的功率实现温度传感，其抗电磁干扰、体积小、轻量化、检测方法简单，适用于极端环境应用。
2、本发明设计的温度测量系统应用于中红外波段，在分子光谱学、大气监测、生物医疗及军事遥感等领域有广泛的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于硫化物光纤非线性的温度传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的硫化物光纤的横向截面图；
图3为本发明实施例提供的基于硫化物光纤非线性的温度传感器测量系统整体结构示意图；
图4为本发明实施例提供的基于硫化物光纤非线性的温度传感器的非线性系数随温度变化曲线；
图5为本发明实施例提供的透射输出光谱随温度变化曲线；
图6为本发明实施例提供的透射输出光的功率随温度变化拟合曲线；
图7为本发明实施例提供的基于硫化物光纤非线性的温度传感器测量方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本实施例中，提供了基于硫化物光纤非线性的温度传感器，所述温度传感器为硫化物光纤温度传感器，如图1所示，所述传感器包括纤芯及以纤芯为圆心的包层。
所述包层内设置四个空气孔，如图2所示，空气孔的孔径相等，空气孔中有填充物，填充物的热光系数大于硫化物光纤。
所述温度传感器的纤芯芯径范围为3μm～5μm；包层的厚度范围为110μm～130μm，其中，包层内设置的空气孔的孔径范围均为20μm～30μm；光纤传感器的长度范围为1m～10m；所述填充物采用热光系数为-7.91×10-4/℃的二硫化碳。
所述温度传感器的材料为As2S5。
另一方面，本发明还提供基于硫化物光纤非线性的温度传感器测量系统，采用所述温度传感器，如图3所示，所述测量系统包括单模光纤模块6、用于提供信号光的信号光源模块1、用于提供脉冲泵浦光的泵浦光源模块2、用于检测温度调节模块7温度的光纤传感器模块5、用于改变待测温度的温度调节模块7、用于提供顺时针与逆时针传输信号光增益的放大器模块8以及用于检测透射输出光随温度变化功率的检测模块9。
所述信号光源模块1发出的信号光与泵浦光源模块2发出的泵浦光由第一耦合模块3耦合形成第一耦合光，第一耦合光经第二耦合模块4分为顺时针传输和逆时针传输，顺时针传输和逆时针传输第一耦合光，均通过光纤传感器模块5、单模光纤模块6和放大器模块8中对向传输，透射输出光，并由检测模块9检测。
所述信号光源模块1发射的信号光为连续光，泵浦光源模块2发射的泵浦光为泵浦脉冲光，泵浦脉冲光的峰值功率大于连续光的功率。
所述信号光源模块1发射的信号光中心波长范围为3180nm～3195nm，泵浦光源模块2发射的泵浦脉冲光中心波长范围为3205nm～320nm。
本实施例中，信号光源模块1采用的型号为TUN-W-2600～410；发射的连续信号光的中心波长为3190nm，泵浦光源模块2采用的型号为TOPOL，发射的泵浦脉冲光的中心波长为3210nm，泵浦脉冲光的峰值功率为15dBm。
本实施例中，连续信号光与泵浦脉冲光由1×2的3dB第一耦合模块3耦合到一起作为第一耦合光，第一耦合光经过2×2的3dB第二耦合模块4，分为顺时针和逆时针传输，经光纤传感器模块5，单模光纤模块6，放大器模块8对向传输。其中，光纤传感器模块5为硫化物微结构光纤温度传感器，硫化物微结构光纤温度传感器的包层内设置四个空气孔，如图1所示，纤芯直径(2)为4μm，纤芯外的包层厚度(1)为120μm，四个空气孔的孔径(3)为24μm，如图2所示，光纤传感器的长度(4)为3m，四个空气孔中的填充物采用热光系数为-7.91×10-4/℃的二硫化碳,传感器材料为As2S5。
所述温度调节模块7包括水浴加热锅、恒温恒湿箱、加热电线圈。
本实施例中，温度调节模块7采用恒温恒湿箱，型号为HS-1000，改变硫化物微结构光纤温度传感器周围的温度：30℃、35℃、40℃、45℃、50℃，当温度传感器周围的温度变化时，温度传感器产生热光效应，非线性系数γCha发生变化，在3210nm时，γCha在30℃、35℃、40℃、45℃、50℃下的数值如图4所示。
所述放大器模块8为半导体放大器或光纤放大器，增益系数范围为18dB～22dB。
本实施例中，放大器模块8采用光纤放大器，型号为E3NX-CA，增益系数为20dB。
所述检测模块9包括功率计、光谱仪、示波器。
本实施例中，检测模块9采用光谱仪，型号为YOKOGAWAAQ6375B，检测到透射输出光随温度变化的功率如图5所示，拟合得到的温度灵敏度为1.31dB/℃如图6所示；
另一方面，本发明还提供基于硫化物光纤非线性的温度传感器测量方法，如图7所示，包括以下步骤：
S1：信号光源模块发射的信号光与泵浦光源模块发射的泵浦脉冲光，由第一耦合模块耦合到一起作为第一耦合光；
本实施例中，采用1×2的3dB第一耦合模块；
S2：第一耦合光经过第二耦合模块后，分为顺时针和逆时针传输，经光纤传感器模块，单模光纤模块，放大器模块对向传输；
本实施例中，采用2×2的3dB第二耦合模块；
S3：温度调节模块改变光纤传感器模块的待测温度，光纤传感器模块感应温度的变化，通过数值模拟计算硫化物光纤在不同温度下的非线性系数；
当温度传感器周围的待测温度变化时，温度传感器产生热光效应，温度传感器的折射率nCha发生变化，表示为：
其中，dn/dT表示温度传感器的热光系数，n20表示温度传感器在20℃的折射率，T表示待测温度；待测温度改变，温度传感器的非线性系数γCha发生变化；
S4：数值模拟计算顺时针和逆时针传输信号光的相移差在不同温度下的数值；
顺时针传输的非线性相移表示为：
γCha和γSMF分别表示硫化物光纤和单模光纤的非线性系数，LCha和LSMF分别表示硫化物光纤和单模光纤的长度，Ps和Pp分别表示信号光的功率和泵浦脉冲光的峰值功率，G表示放大器增益倍数；
逆时针传输的非线性相移表示为：
令LCha＝LSMF＝L时，则非线性相移差δφNL表示为:
L表示硫化物光纤和单模光纤的长度；
当γCha>>γSMF，G>>1，Pp>>Ps时，δφNL表示为:
δφNL＝GγChaPPL (5)
顺时针和逆时针传输第一耦合光路径相同，顺时针线性相移与逆时针线性相移相同，即则顺时针和逆时针传输信号光的相移差δφ：
δφ＝δφNL＝GγChaPPL (6)
Sagnac环的透过率TS为:
S5：检测模块检测透射输出光随温度变化的功率；
当温度变化时，TS也会发生变化：
T″S和T′S表示温度为T”和T'时的透过率，γ″Cha和γ′Cha表示温度为T”和T'时的硫化物光纤的非线性系数，
S6：数值模拟计算基于硫化物光纤非线性的温度传感器的灵敏度；
通过检测透射输出光随温度变化的功率实现温度传感，温度传感器的灵敏度S表示为：
ΔT表示温度T”和T'的温度差。
Claims (8)
1.基于硫化物光纤非线性的温度传感器，其特征在于：所述温度传感器为硫化物光纤温度传感器，该传感器包括纤芯及以纤芯为圆心的包层；
所述包层内设置四个空气孔，空气孔的孔径相等，空气孔中有填充物，填充物具备比硫化物光纤高的热光系数；
温度传感器的纤芯芯径范围为3μm～5μm；包层的厚度范围为110μm～130μm，其中，包层内设置的空气孔的孔径范围均为20μm～30μm；光纤传感器的长度范围为1m～10m；所述填充物采用热光系数为-7.91×10-4/℃的二硫化碳；
所述温度传感器的材料为As2S5。
2.基于硫化物光纤非线性的温度传感器测量系统，采用权利要求1所述温度传感器，其特征在于：所述测量系统包括单模光纤模块、用于提供信号光的信号光源模块、用于提供脉冲泵浦光的泵浦光源模块、用于检测温度调节模块温度的光纤传感器模块、用于改变待测温度的温度调节模块、用于提供顺时针与逆时针传输信号光增益的放大器模块以及用于检测透射输出光随温度变化功率的检测模块。
3.根据权利要求2所述的基于硫化物光纤非线性的温度传感器测量系统，其特征在于：所述信号光源模块发出的信号光与泵浦光源模块发出的泵浦光由第一耦合模块耦合形成第一耦合光，第一耦合光经第二耦合模块分为顺时针传输和逆时针传输，顺时针传输和逆时针传输第一耦合光，均通过光纤传感器模块、单模光纤模块和放大器模块中对向传输，透射输出光，并由检测模块检测。
4.根据权利要求3所述的基于硫化物光纤非线性的温度传感器测量系统，其特征在于：
所述信号光源模块发射的信号光为连续光，泵浦光源模块发射的泵浦光为泵浦脉冲光，泵浦脉冲光的峰值功率大于连续光的功率；
所述信号光源模块发射的信号光中心波长范围为3180nm～3195nm，泵浦光源模块发射的泵浦脉冲光中心波长范围为3205nm～3220nm；
所述第一耦合模块为1×2的3dB耦合模块，第二耦合模块为2×2的3dB耦合模块；
所述温度调节模块包括水浴加热锅、恒温恒湿箱、加热电线圈；
所述放大器模块为半导体放大器或光纤放大器，增益系数范围为18dB～22dB；
所述检测模块包括功率计、光谱仪、示波器。
5.基于硫化物光纤非线性的温度传感器测量方法，采用权利要求2所述基于硫化物光纤非线性的温度传感器测量系统，其特征在于：包括以下步骤：
S1：信号光源模块发射的信号光与泵浦光源模块发射的泵浦脉冲光，由第一耦合模块耦合到一起作为第一耦合光；
S2：第一耦合光经过第二耦合模块后，分为顺时针和逆时针传输，经光纤传感器模块，单模光纤模块，放大器模块对向传输；
S3：温度调节模块改变光纤传感器模块的待测温度，光纤传感器模块感应温度的变化，通过数值模拟计算硫化物光纤在不同温度下的非线性系数；
S4：数值模拟计算顺时针和逆时针传输第一耦合光的相移差在不同温度下的数值；
S5：检测模块检测透射输出光随温度变化的功率；
S6：数值模拟计算基于硫化物光纤非线性的温度传感器的灵敏度；
通过检测透射输出光随温度变化的功率实现温度传感，温度传感器的灵敏度S表示为：
ΔT表示温度T”和T'的温度差。
6.根据权利要求5所述基于硫化物光纤非线性的温度传感器测量方法，其特征在于：所述步骤3的具体过程：
当温度传感器周围的待测温度变化时，温度传感器产生热光效应，温度传感器的折射率nCha发生变化，表示为：
其中，dn/dT表示温度传感器的热光系数，n20表示温度传感器在20℃的折射率，T表示待测温度，待测温度改变，温度传感器的非线性系数γCha发生变化。
7.根据权利要求5所述基于硫化物光纤非线性的温度传感器测量方法，其特征在于：所述步骤4的具体过程：
顺时针传输的非线性相移表示为：
γCha和γSMF分别表示硫化物光纤和单模光纤的非线性系数，LCha和LSMF分别表示硫化物光纤和单模光纤的长度，Ps和Pp分别表示信号光的功率和泵浦脉冲光的峰值功率，G表示放大器增益倍数；
逆时针传输的非线性相移表示为：
令LCha＝LSMF＝L时，则非线性相移差δφNL表示为:
L表示硫化物光纤和单模光纤的长度；
当γCha>>γSMF，G>>1，Pp>>Ps，则δφNL表示为:
顺时针和逆时针传输第一耦合光路径相同，顺时针线性相移与逆时针线性相移相同，即则顺时针和逆时针传输信号光的相移差δφ：
δφ＝δφNL＝GγChaPPL (6)
Sagnac环的透过率TS为:
8.根据权利要求5所述基于硫化物光纤非线性的温度传感器测量方法，其特征在于：所述步骤5的具体过程：
当温度变化时，TS也会发生变化：
T”S和T'S表示温度为T”和T'时的透过率，γ″Cha和γ'Cha表示温度为T”和T'时的硫化物光纤的非线性系数。
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