CN115452196A - 一种光纤敏感环高精度温度灵敏度系数测试的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计属于光学器件性能测试领域，提供的是一种光纤敏感环高精度温度灵敏度系数测试的装置及方法。该装置包括光输入模块、信号采集处理模块、光纤敏感环模块、信号光输出模块。其特征是：通过使用分布式温度传感将光纤敏感环中背向拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光分离出来，实现对光纤敏感环上各处温度的实时监测，依此结合光纤热光系数和热膨胀系数，对每段光纤敏感环的温度影响进行积分，获得总体相位变化，便可计算得到光纤敏感环的温度灵敏度系数。该装置具有结构简单、测量精确高、温度稳定性好、线性度高等优点，可以广泛应用于各种光纤敏感环的温度灵敏度测试。

Description

一种光纤敏感环高精度温度灵敏度系数测试的装置及方法

技术领域

本发明设计属于光学器件测试技术领域，具体涉及到一种光纤敏感环高精度温度灵敏度系数测试的装置及方法。

背景技术

一切物理定律、化学现象和生物过程都会受到环境温度的影响，温度测量在工业、农业、国防、医学和现在科学研究中具有十分重要的地位。光纤本身不受电磁辐射干扰、耐腐蚀、无源实时监测、耐高电压并且绝缘性好等特性，使得光纤温度传感器成为航空航天、电力系统、建筑、医疗以至海洋等领域中有效的温度测量手段。

盘式光纤加速度传感器是一种利用惯性原理测量振动加速度的一种光纤传感器，通过感知惯性力所产生的位移或者应变而测得相应的加速度。盘式光纤加速度传感器传感系统是由弹性盘片、惯性质量块、光纤敏感环、构成相位调制型的光学器件及传感器封装结构组成。在航空航天的制导系统、石油勘探的地震检波系统、桥梁建筑的结构检测系统、交通情况监测系统等应用领域内，需具有抗电磁干扰、高灵敏度、大动态范围、易复用的高性能加速度传感装置。

光纤敏感环作为盘式加速度传感器的核心敏感元件，既是提高传感器测量精度的途径，也是影响测量精度的主要因素。光纤敏感环的稳定性和抗干扰能力直接影响传感器的性能。温度等环境因素对光纤的光学和机械性能的影响是随机的、不对称的，环境温度变化引起的非互易性，会给加速度传感器带来大的漂移，导致传感器性能降低，所以需要对光纤敏感环进行温度灵敏度测试。然而目前光纤敏感环材料、绕法、隔热结构等不可抗的因素，使得测量光纤敏感环的温度灵敏度十分困难。

2020年，西安现代控制技术研究所的王晓章等人发明了光纤环温度性能测量装置及方法(CN112729339A)，此发明利用工况测试时间内的温度及温度梯度变化，以此来设置光纤环的温度性能，但这种方法不能精确直接测量光纤环的温度性能，同时这会导致系统结构趋于复杂化。

2020年，北京航天时代光电科技有限公司的刘元天等人发明了一种光纤陀螺光纤环温度测试与评价系统(CN111964659A)，此发明采用现有技术给光纤环温度测试提供了方案及评价标准，而没有提出一个用于高精度光纤环温度测试的实验装置，导致外界因素对光纤敏感环温度测试和评价有偏差。

2021年，厦门天宇丰荣科技有限公司的张江源等人发明了一种高精度光纤环温度测试的装置(CN216593448U)，此发明通过装置减少了外界环境对光纤敏感环的影响，但由于光纤敏感环自身材料、隔热结构等因素，不能精确测得光纤敏感环的温度性能。

现如今为测试光纤敏感环的各种性能，在实验过程中需要搭建干涉仪，将干涉仪放入温箱中观察光路输出随温度的变化情况。这些方法都直接反应了某些条件下干涉仪的整体性能，但不能直接反应光纤敏感环的温度性能，尤其是未能针对光纤敏感环本身进行测试。因此，迫切需要建立一个有效并且方便的光纤敏感环温度系数精确测试方法以提高光纤敏感环的环境适应性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、测量精度高、线性度高的基于光纤敏感环高精度温度灵敏度系数测试的装置。本发明的目的还在于提供一种利用本发明的基于光纤敏感环高精度温度灵敏度系数测试的方法。

本发明的基于光纤敏感环高精度温度灵敏度系数测试的装置，包括信号光输入模块1、信号采集处理模块2、光纤敏感环模块3、信号光输出模块4，其特征在于：信号光输入模块1经由光纤连接到信号采集处理模块2；信号采集处理模块的第一输出端22通过连接光纤与光纤敏感环模块3相连；信号采集处理模块的第二输出端26和信号采集处理模块的第三输出端27通过连接光纤与信号光输出模块4相连。

本发明的基于光纤敏感环高精度温度灵敏度系数测试的装置还可以包括：

所述的信号光输入模块1包括：窄线宽激光器11、偏振控制器13、光电调制器15、波形发生器16，具体连接为：窄线宽激光器11通过连接光纤与偏振控制器13相连、再通过连接光纤与光电调制器15相连，光电调制器的第一输出端15a与波形发生器16相连、光电调制器的第二输出端15b与采集处理模块2中的光纤环形器第一个输入端21a相连。

所述的信号采集模块2包括：光纤环形器21、波分复用器23、第一个雪崩光电二极管24、第二个雪崩光电二极管25，具体连接为：光纤环形器的第一个输出端21b和光纤环形器的第二个输出端21c通过光纤分别连接到光纤敏感环模块3和波分复用器23，波分复用器的第一个输出端23a和波分复用器的第二个输出端23b通过光纤分别连接到第一个雪崩光电二极管24和第二个雪崩光电二极管25。波分复用23将公里级光纤敏感环32中背向拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光分离出来。

所述的光纤环模块3将公里级光纤敏感环32放置于快速温度控制试验箱33中，给公里级光纤敏感环32提供一个温度变化的环境。

利用本发明的基于一种光纤敏感环高精度温度灵敏度系数测试的方法包括如下步骤：

步骤1、将公里级光纤敏感环32放置于快速温度控制试验箱33中；

步骤2、打开窄线宽激光器11，得到室温T₀下公里级光纤敏感环的斯托克斯光的光强度L(T₀)和反斯托克斯光的光强度L_α(T₀)。将斯托克斯光的光强度L(T₀)除以反斯托克斯光的光强度L_α(T₀)，可获得温度T₀下的温度分布信息；

步骤3、设置温度控制试验箱33从室温T₀升温或降温到T₁，得到T₁温度下公里级光纤敏感环的斯托克斯光的光强度L(T₁)和反斯托克斯光的光强度L_α(T₁)，将斯托克斯光的光强度L(T₁)除以反斯托克斯光的光强度L_α(T₁)，可获得温度T₁下的温度分布信息；

步骤4、将测得的T₁温度分布信息与室温下T₀作差，得到公里级光纤敏感环32各处对应的温度变化情况ΔT；

步骤5、计算出公里级光纤敏感环32的温度波动信息T_(r)；

步骤6、公里级光纤敏感环可以感知温度的变化，受到热膨胀效应和热光效应的影响，光纤长度ΔL和光纤折射率Δn也发生变化，即相位变化为

步骤7、对公里级光纤敏感环上各处光纤进行积分，

步骤8、根据上述公式可以计算出公里级光纤敏感环的温度灵敏度系数，及表达式为：

本发明提供了一种光纤敏感环高精度温度灵敏度系数的测试方案，其设计思路是：采用分布式温度传感系统测量公里级光纤敏感环的温度灵敏度系数，其中利用波分复用器将公里级光纤敏感环中背向拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光分离出来，输入到解调系统中得到公里级光纤敏感环上各处的温度分布信息，从而计算出公里级光纤敏感环的温度灵敏度系数。该DTS系统测量方法对比传统干涉仪具有系统结构简单、应用成本较低、测量精度高、温度实时监测等优点，可以广泛应用于各种光纤敏感环的温度灵敏度测试。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)作为一种应用于光纤敏感环温度灵敏度测试，将分布式温度传感系统与光纤敏感环相结合，更加准确测量公里级光纤敏感环上各处的温度，即可以实时监测公里级光纤敏感环的温度变化；

(2)传统测量光纤敏感环温度性能需要搭建干涉仪，干涉仪放入温箱中观察光路输出随温度的变化情况。这些方法都直接反应了某些条件下干涉仪的整体性，不能直接测量光纤环的温度性能，此方法可以直接测量公里级光纤敏感环的温度性能并且可以实现高精度测量；

(3)采用DTS系统的光路设计，具有体积小，能精确测量、温度稳定性好等优点。

附图说明

图1是基于光纤敏感环高精度温度灵敏度系数测试流程示意图；

图2是光纤敏感环温度系数测试装置示意图；

图3是DTS系统的结构原理示意图；

图4是散射信号的曲线；

图5是光纤环置于温度控制试验箱的示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。

本发明的基于光纤敏感环温度灵敏度系数测量的装置包括信号光输入模块1、信号采集处理模块2、光纤环模块3、信号光输出模块4。其包括窄线宽激光器11、偏振控制器13、光电调制器15、波形发生器16、光纤环形器21、公里级光纤敏感环32、快速温度控制试验箱33、波分复用器23、光电转换器24和25、数据采集板41、用于计算机串口或GPIB口数据接收的计算机及程序43、若干光纤连接、计算机数据线等。

窄线宽激光器11通过连接光纤与偏振控制器13相连、再通过连接光纤与光电调制器15相连，光电调制器15的两个输出端15a、15b通过连接光纤分别与波形发生器16和环形器21的第一个输入端21a相连，再通过环形器21的第一个输出端21b到达公里级光纤敏感环32。在光信号传输到公里级光纤敏感环32期间，光的一部分可被散射并可通过环形器21的第二个输出端21c传播到波分复用器23。来自公里级光纤敏感环32的背向散射光可包括可通过波分复用器23分离的光分量，例如瑞利、布里渊斯托克斯和布里渊反斯托克斯、拉曼斯托克斯、以及拉曼反斯托克斯。产生拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光再经由APD1和APD2完成光信号和电信号的转化并进行放大，接着，放大后的信号由数据采集板获取，经由数据处理主板41发送到计算机用于数据处理。最后，计算机控制平台执行信号处理、信号补偿及信号解调，计算出实际温度。

一种基于光纤敏感环温度灵敏度系数测试的方法，其具体过程是：

(1)将公里级光纤敏感环放置于快速温度控制试验箱中；

(2)打开窄线宽激光器，得到室温T₀下公里级光纤敏感环的斯托克斯光的光强度L(T₀)和反斯托克斯光的光强度L_α(T₀)。将斯托克斯光的光强度L(T₀)相除以反斯托克斯光的光强度L_α(T₀)，可获得温度T₀下的温度分布信息。

(3)设置温度控制试验箱从室温T₀升温或降温到T₁，得到T₁温度下公里级光纤敏感环的斯托克斯光的光强度L(T₁)和反斯托克斯光的光强度L_α(T₁)，将斯托克斯光的光强度L(T₁)相除以反斯托克斯光的光强度L_α(T₁)，可获得温度T₁下的温度分布信息。

(4)将测得的T₁温度分布信息与室温下T₀作差，得到公里级光纤敏感环各处对应的温度变化情况，即为ΔT；

(5)计算出公里级光纤敏感环的温度波动信息T_(r)；

(6)公里级光纤敏感环可以感知温度的变化，受到热膨胀效应和热光效应的影响，光纤长度ΔL和光纤折射率Δn也发生变化，即相位变化为：

(7)对公里级光纤敏感环上各处光纤进行积分，即相位变化可写为：

(8)根据上述可以计算出公里级光纤敏感环的温度灵敏度系数为：

本发明通过分布式光纤测温系统测得相应的位置和温度信息可表示为：

当激光脉冲在光纤环中传播时会产生的斯托克斯光通量和反斯托克斯光通量分别设为φ_s和φ_a，表示为：

(1)、(2)式中L为光纤长度，T为开氏温度(单位K)，φ₀为入射光的光通量，S为光纤的背向散射因子；K_s和K_a分别表示斯托克斯光和反斯托克斯光的截面系数，v_s和v_a分别表示为斯托克斯和反斯托克斯光子的频率，α₀是入射光在光纤中的衰减损耗系数，α_s是斯托克斯光衰减损耗系数，α_a是反斯托克斯光衰减损耗系数。R_s(T)和R_a(T)分是斯托克斯和反斯托克斯光有关的温度调制函数，分别表示为：

(3)、(4)式中h为普朗克常数，Δv是拉曼上下能级差，即光纤分子的声子频率为13.2THz，k(k＝1.3806505×10^-23J/K)是玻尔兹曼常数，T是绝对温度。

从公式可知，当光纤所处外界环境温度发生变化时，相应的函数值随之发生改变，以至于此光纤的斯托克斯光和反斯托克斯光强也随之发生变化。而根据公式(3)和

(4)可以发现反斯托克斯光与斯托克斯光相比，具备更强温度敏感性，故常将其作为温度解调的信号光，将斯托克斯光作为参考信号光。因此，整个DTS系统采用反斯托克斯光进行温度解调，并进行温度值的解调计算。

设参考温度为T₀，待测温度是T，T₀温度下的反斯托克斯光强度是L_α(T₀)，T温度下的反斯托克斯光强度是L_α(T)，则公式分别为

在解调过程中假设光源功率恒定，且光纤衰减系数不变，则可以将式相除以获得要测量的温度T，如式：

T＝hΔv/k·{ln[exp(hΔv/kT₀)-1]L_a(T₀)/L_a(T)+1} (7)

将测得的温度分布信息与标准温度值作差，则可以得到光纤敏感环上的温度波动情况。此时的光纤敏感环是的温度波动分布为Δt₁·ΔL₁、Δt₂·ΔL₂、Δt₃·ΔL₃......Δt_n·ΔL_n；

光纤敏感环感知温度变化，由于热膨胀效应会影响到光纤长度发生变化，由于热光效应也会使光纤折射率发生变化，分别表达式为：

ΔL＝αLΔT (8)

Δn＝βnΔT (9)

此时可以得到光纤敏感环的相位变化，表达式为

式中α为光纤热膨胀系数，β为光纤热光系数，n为光纤的折射率，λ为工作波长

对(11)式进行积分可得到公式

通过上述可以计算整段光纤敏感环的相位变化，既可以精确的计算出敏感环的温度响应系数和温度灵敏度系数。

图2中器件的选择和参数如下：

(1)窄线宽激光器的中心波长为1550nm；

(2)波分复用器的工作波长为1445nm～1500nm，插入损耗0.5dB，隔离度＞25dB；

(3)光电转换器选取需要满足灵敏度高，噪声低，增益高；

(4)数据采集板选取需要采样率高，系统的空间分辨率高；

(6)公里级光纤敏感环可以选取不同种类的光纤，例如单模光纤、多模光纤、普通空芯光纤、保偏空芯光纤、反谐振光纤等。

Claims (7)

1.一种基于光纤敏感环高精度温度灵敏度系数测试的装置，包括信号光输入模块(1)、信号采集处理模块(2)、光纤敏感环模块(3)、信号光输出模块(4)，其特征在于：信号光输入模块(1)经由光纤连接到信号采集处理模块(2)；信号采集处理模块的第一输出端(22)通过连接光纤与光纤敏感环模块(3)相连；信号采集处理模块的第二输出端(26)和信号采集处理模块的第三输出端(27)通过连接光纤与信号光输出模块(4)相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤敏感环高精度温度灵敏度系数测试的装置，其特征在于，所述的信号光输入模块(1)包括：窄线宽激光器(11)、偏振控制器(13)、光电调制器(15)、波形发生器(16)，具体连接为：窄线宽激光器(11)通过连接光纤与偏振控制器(13)相连、再通过连接光纤与光电调制器(15)相连，光电调制器的第一输出端(15a)与波形发生器(16)相连、光电调制器的第二输出端(15b)与信号采集处理模块(2)中的光纤环形器第一个输入端(21a)相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤敏感环高精度温度灵敏度系数测试的装置，其特征在于，所述的信号采集处理模块(2)包括：光纤环形器(21)、波分复用器(23)、第一个雪崩光电二极管(24)、第二个雪崩光电二极管(25)，具体连接为：光纤环形器的第一个输出端(21b)和光纤环形器的第二个输出端(21c)通过光纤分别连接到光纤敏感环模块(3)和波分复用器(23)，波分复用器的第一个输出端(23a)和波分复用器的第二个输出端(23b)通过光纤分别连接到第一个雪崩光电二极管(24)和第二个雪崩光电二极管(25)。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤敏感环高精度温度灵敏度系数测试的装置，其特征在于，所述的光纤敏感环模块(3)包括：公里级光纤敏感环(32)、快速温度控制试验箱(33)，具体连接为：将公里级光纤敏感环(31)放置于快速温度控制试验箱(33)中。

5.一种利用权利要求1所述的一种基于光纤敏感环高精度温度灵敏度系数测试的装置的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将公里级光纤敏感环(32)放置于快速温度控制试验箱(33)中；

(2)打开窄线宽激光器(11)，得到室温T₀下公里级光纤敏感环(32)的斯托克斯光的光强度L(T₀)和反斯托克斯光的光强度L_α(T₀)，将斯托克斯光的光强度L(T₀)相除以反斯托克斯光的光强度L_α(T₀)，可获得温度T₀下的温度分布信息；

(3)设置温度控制试验箱(33)从室温T₀升温或降温到T₁，得到T₁温度下公里级光纤敏感环(31)的斯托克斯光的光强度L(T₁)和反斯托克斯光的光强度L_α(T₁)，将斯托克斯光的光强度L(T₁)相除以反斯托克斯光的光强度L_α(T₁)，可获得温度T₁下的温度分布信息；

(4)将测得的T₁温度分布信息与室温下T₀温度分布信息作差，得到公里级光纤敏感环(32)各处对应的温度变化ΔT；

(5)计算公里级光纤敏感环(32)的温度波动信息T_(r)。

6.根据权利要求5所述的基于光纤敏感环高精度温度灵敏度系数测试的装置的方法，其特征是对每段光纤的温度影响进行积分的计算方法：

式中λ为光源的中心波长，n为光纤折射率，β为光纤的热光系数，α为光纤的热膨胀系数，L为光纤的总长度。

7.根据权利要求5所述的基于光纤敏感环高精度温度灵敏度系数测试的装置的方法，其特征是光纤敏感环的温度灵敏度系数的计算方法：

式中λ为光源的中心波长，n为光纤折射率，β为光纤的热光系数，α为光纤的热膨胀系数，L为光纤的总长度，T₀、T₁为温度。

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