CN117191215A - 一种端面反射式光纤温度传感器及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种端面反射式光纤温度传感器及其测量方法，所述端面反射式光纤温度传感器通过信号发生模块产生正弦光信号，通过信号调制模块调制正弦光信号，得到脉冲光信号，有效消除了背景光和杂散光，抑制了加性噪声带来的漂移问题。此外，耦合器对调制处理后的脉冲光信号分路得到两个相同的分解脉冲光信号，并分别输入信号臂和参考臂进行反射，从而根据信号臂反射回的第一反射脉冲光信号和参考臂反射回的第二反射脉冲光信号确定待检测目标的温度，实现了基于脉冲自参考的强度补偿，从原理上抑制耦合器耦合比波动等因素的影响，提高了测量温度的精确度，解决了温度传感器受解调系统灵敏度和噪声的限制导致温度分辨率有限的问题。
Description
技术领域
本发明涉及温度测量领域，尤其涉及的是一种端面反射式光纤温度传感器及其测量方法。
背景技术
温度是与我们日常生活紧密挂钩的指标，精确测量温度对于工业生产和人民生活方面非常重要。相比较于传统的电学式温度计，光纤温度传感器具有耐高温、高湿、强电磁的特点，能够用于极端环境监测，且易于构成温度链，因此广泛应用于各项科研工作和应用领域。目前在主流的光纤温度传感器中，光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器灵敏度较低；分布式光纤温度传感器系统复杂，温度分辨率有限；F-P光纤温度传感器测温范围有限；干涉式光纤温度传感器过于敏感，稳定性不足。
基于菲涅耳反射的光纤温度传感器原理简单、可重复性强，长期以来一直受到研究人员的关注。但目前该类型常见的温度传感器受解调系统灵敏度和噪声水平的限制，温度分辨率有限，离高精度商用温度传感器还有一定的距离，通常需要提高其温度灵敏度并降低系统噪声。
因此，现有技术还有待改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种端面反射式光纤温度传感器及其测量方法，旨在解决现有技术中的温度传感器受解调系统灵敏度和噪声水平的限制导致温度分辨率有限的问题。
本发明解决问题所采用的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供一种端面反射式光纤温度传感器，其中，所述端面反射式光纤温度传感器包括：
信号发生模块、信号调制模块、耦合器、信号接收模块、信号臂以及参考臂；
所述耦合器分别与所述信号调制模块、所述信号接收模块、所述信号臂以及所述参考臂连接，所述信号发生模块与所述信号调制模块连接；
所述信号调制模块获取所述信号发生模块产生的正弦光信号，并对所述正弦光信号进行调制，得到脉冲光信号，所述耦合器获取所述脉冲光信号，将所述脉冲光信号进行分路，得到两个相同的分解脉冲光信号，将两个所述分解脉冲光信号分别输入所述信号臂和所述参考臂进行反射，得到所述信号臂反射回的第一反射脉冲光信号和所述参考臂反射回的第二反射脉冲光信号，通过所述耦合器将所述第一反射脉冲光信号和所述第二反射脉冲光信号合路，所述信号接收模块将合路后的所述第一反射脉冲光信号和所述第二反射脉冲光信号分别转换为第一反射数字电信号和第二反射数字电信号，并根据所述第一反射数字电信号和所述第二反射数字电信号之间的比值，确定待检测目标的温度。
在一种实施方法中，所述信号调制模块包括：
半导体光放大器，所述半导体光放大器与所述信号发生模块连接，用于将所述正弦光信号放大，并将放大后的所述正弦光信号斩波为第一脉冲光信号；
光衰减器，所述光衰减器与所述半导体光放大器连接，用于调节所述第一脉冲光信号的脉冲幅度，得到第二脉冲光信号；
退偏器，所述退偏器分别与所述光衰减器和所述耦合器连接，用于抑制所述第二脉冲光信号的偏振扰动得到所述脉冲光信号，并将所述脉冲光信号输入到所述耦合器中。
在一种实施方法中，所述信号调制模块还包括：光隔离器；
所述光隔离器分别与所述半导体光放大器和所述光衰减器连接；
所述光隔离器用于阻止所述第一反射脉冲光信号或所述第二反射脉冲光信号经过所述光衰减器传输至所述半导体光放大器。
在一种实施方法中，所述信号臂包括：
光纤温度传感探头，所述光纤温度传感探头与所述待检测目标接触，且对所述分解脉冲光信号进行反射，得到第一初始反射脉冲光信号；
延迟光纤，所述延迟光纤分别与所述耦合器和所述光纤温度传感探头连接，用于对所述第一初始反射脉冲光信号延时，得到第一反射脉冲光信号。
在一种实施方法中，所述光纤温度传感探头包括：第一传感光纤、封装液体、金属管、固定胶以及第一陶瓷插芯；
所述第一传感光纤插在所述第一陶瓷插芯的内部，所述第一传感光纤尾端的端面与所述第一陶瓷插芯底端的端面齐平；
所述第一陶瓷插芯通过所述固定胶固定在所述金属管的内壁，所述第一陶瓷插芯底部和所述金属管底部之间充满所述封装液体；
所述第一传感光纤的尾端与所述封装液体接触，所述分解脉冲光信号通过所述第一传感光纤传输至所述第一传感光纤尾端端面，经所述第一传感光纤尾端端面反射回所述第一传感光纤，得到第一初始反射脉冲光信号。
在一种实施方法中，所述参考臂包括：
参考端，所述参考端中第二传感光纤插在第二陶瓷插芯的内部，所述第二传感光纤尾端的端面与所述第二陶瓷插芯底端的端面齐平，所述第二传感光纤尾端与空气接触，其中，所述第二传感光纤与所述第一传感光纤相同，所述参考端通过所述第二传感光纤将所述分解脉冲光信号传输至所述第二传感光纤尾端端面，经所述第二传感光纤尾端端面反射后得到第二初始反射脉冲光信号；
宏观弯曲衰减装置，所述宏观弯曲衰减装置分别连接所述耦合器和所述参考端，用于调整所述第二初始反射脉冲光信号的功率，得到第二反射脉冲光信号，以使得所述第二反射脉冲光信号的功率与所述第一反射脉冲光信号的功率之间的差值小于预设阈值。
在一种实施方法中，所述信号接收模块包括：
光电探测器，所述光电探测器与所述耦合器连接，用于接收所述第一反射脉冲光信号和所述第二反射脉冲光信号，并将所述第一反射脉冲光信号和所述第二反射脉冲光信号分别转换为第一反射脉冲电信号和所述第一反射脉冲电信号；
模数转换器，所述模数转换器与所述光电探测器连接，用于将所述第一反射脉冲电信号和所述第二反射脉冲电信号分别转换为所述第一反射数字电信号和所述第二反射数字电信号；
终端设备，所述终端设备与所述模数转换器连接，用于根据所述第一反射数字电信号和所述第二反射数字电信号之间的比值，确定待检测目标的温度。
第二方面，本发明实施例还提供一种基于上述方案中任一项所述的端面反射式光纤温度传感器的端面反射式光纤温度测量方法，其中，所述端面反射式光纤温度测量方法包括：
通过所述信号发生模块产生连续的所述正弦光信号；
将所述正弦光信号发送给所述信号调制模块，通过所述信号调制模块对所述正弦光信号进行调制，得到所述脉冲光信号；
通过所述耦合器将所述脉冲光信号分路，得到两个相同的所述分解脉冲光信号；
将各所述分解脉冲光信号分别发送给所述信号臂和所述参考臂，得到所述信号臂反射的所述第一反射脉冲光信号和所述参考臂反射的所述第二反射脉冲光信号；
通过所述耦合器对所述第一反射脉冲光信号和所述第二反射脉冲光信号进行合路；
通过所述信号接收模块将合路后的所述第一反射脉冲光信号和所述第二反射脉冲光信号分别转换为第一反射数字电信号和第二反射数字电信号，并根据所述第一反射数字电信号和所述第二反射数字电信号之间的比值，确定待检测目标的温度。
在一种实施方法中，所述根据所述第一反射数字电信号和所述第二反射数字电信号之间的比值，确定待检测目标的温度，包括：
根据所述第一反射数字电信号和所述第二反射数字电信号之间的比值，确定所述端面反射式光纤温度传感器的相对传输损耗变化；
根据所述相对传输损耗变化，确定所述端面反射式光纤温度传感器的相对反射率级；
根据所述相对反射率级，确定所述待检测目标的温度。
在一种实施方法中，所述根据所述第一反射数字电信号和所述第二反射数字电信号之间的比值，确定所述端面反射式光纤温度传感器的相对传输损耗变化，包括：
根据所述第一反射数字电信号和所述第二反射数字电信号计算，得到所述端面反射式光纤温度传感器的第一相对传输损耗；
获取所述端面反射式光纤温度传感器在预设温度时的第二相对传输损耗；
根据所述第一相对传输损耗和所述第二相对传输损耗，确定所述相对传输损耗变化。
本发明的有益效果：本发明实施例的所述端面反射式光纤温度传感器通过信号发生模块产生正弦光信号，通过信号调制模块调制正弦光信号，得到脉冲光信号，有效消除了背景光和杂散光，抑制了加性噪声带来的漂移问题。此外，耦合器对调制处理后的脉冲光信号分路得到两个相同的分解脉冲光信号并分别输入信号臂和参考臂进行反射，从而根据信号臂反射回的第一反射脉冲光信号和参考臂反射回的第二反射脉冲光信号确定待检测目标的温度，实现了基于脉冲自参考的强度补偿，从原理上抑制耦合器耦合比波动等因素的影响，提高了测量温度的精确度，解决了温度传感器受解调系统灵敏度和噪声的限制导致温度分辨率有限的问题。
附图说明
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，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的端面反射式光纤温度传感器的内部模块示意图。
图2是本发明实施例提供的端面反射式光纤温度传感器的装置结构图。
图3是本发明实施例提供的端面反射式光纤温度传感器的光纤温度传感探头的结构图。
图4是本发明实施例提供的端面反射式光纤温度传感测量方法的流程示意图。
图5是本发明实施例提供的端面反射式光纤温度传测量方法的第一信号脉冲时域波形图。
图6是本发明实施例提供的端面反射式光纤温度传感测量方法的第一信号脉冲幅度谱。
图7是本发明实施例提供的端面反射式光纤温度传感测量方法20℃到60℃实验结果的拟合图。
图8是本发明实施例提供的端面反射式光纤温度传感测量方法短期(2min)稳定性测试结果。
图9是本发明实施例提供的端面反射式光纤温度传感测量方法长期(2h)稳定性测试结果。
图10是本发明实施例提供的终端的原理框图。
具体实施方式
本发明公开了一种端面反射式光纤温度传感器及其测量方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
温度是与我们日常生活紧密挂钩的指标，精确测量温度对于工业生产和人民生活方面非常重要。相比较于传统的电学式温度计，光纤温度传感器具有耐高温、高湿、强电磁的特点，能够用于极端环境监测，且易于构成温度链，因此广泛应用于各项科研工作和应用领域。目前在主流的光纤温度传感器中，光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器灵敏度较低；分布式光纤温度传感器系统复杂，温度分辨率有限；F-P光纤温度传感器测温范围有限；干涉式光纤温度传感器过于敏感，稳定性不足。
基于菲涅耳反射的光纤温度传感器原理简单、可重复性强，长期以来一直受到研究人员的关注。但目前该类型常见的温度传感器受解调系统灵敏度和噪声水平的限制，温度分辨率有限，离高精度商用温度传感器还有一定的距离，通常需要提高其温度灵敏度并降低系统噪声。
针对现有技术的上述缺陷，本发明提供一种端面反射式光纤温度传感器，所述端面反射式光纤温度传感器通过信号发生模块产生正弦光信号，通过信号调制模块调制正弦光信号，得到脉冲光信号，有效消除了背景光和杂散光，抑制了加性噪声带来的漂移问题。此外，耦合器对调制处理后的脉冲光信号分路得到两个相同的分解脉冲光信号并分别输入信号臂和参考臂进行反射，从而根据信号臂反射回的第一反射脉冲光信号和参考臂反射回的第二反射脉冲光信号确定待检测目标的温度，实现了基于脉冲自参考的强度补偿，从原理上抑制耦合器耦合比波动等因素的影响，提高了测量温度的精确度，解决了温度传感器受解调系统灵敏度和噪声的限制导致温度分辨率有限的问题。
如图1所示，本实施例提供了一种端面反射式光纤温度传感器，所述端面反射式光纤温度传感器包括信号发生模块01、信号调制模块02、耦合器03、信号臂04、参考臂05、信号接收模块06，耦合器03分别与信号调制模块02、信号接收模块06、信号臂04以及参考臂05连接，信号发生模块01与信号调制模块02连接；信号调制模块02获取信号发生模块01产生的正弦光信号，并对正弦光信号进行调制，得到脉冲光信号，耦合器03获取脉冲光信号，将脉冲光信号进行分路，得到两个相同的分解脉冲光信号，将两个分解脉冲光信号分别输入信号臂04和参考臂05进行反射，得到信号臂04反射的第一反射脉冲光信号和参考臂05反射的第二反射脉冲光信号，通过耦合器03将第一反射脉冲光信号和第二反射脉冲光信号合路，信号接收模块06将合路后的第一反射脉冲光信号和第二反射脉冲光信号分别转换为第一反射数字电信号和第二反射数字电信号，并根据第一反射数字电信号和第二反射数字电信号之间的比值，确定待检测目标的温度。本实施例中耦合器03为2*2光纤耦合器。
本实施例中提供的端面反射式光纤温度传感器通过设置信号臂04和参考臂05分别对分解脉冲光信号进行反射，得到第一反射脉冲光信号和第二反射脉冲光信号，得到反射脉冲光信号，通过信号接收模块根据反射脉冲光信号确定待检测目标的温度，再通过耦合器对第一反射脉冲光信号和第二反射脉冲光信号合路，通过信号接收模块根据合路后的第一反射脉冲光信号和第二反射脉冲光信号确定待检测目标的温度，实现了脉冲自参考技术，从原理上抑制了光源强度波动、探测器响应度漂移、耦合器耦合比波动等影响因素；通过信号发生模块01生成正弦光信号，并采用信号调制模块02对正弦光信号进行调制，消除背景光与杂散光，抑制加性噪声带来的漂移问题，提高了端面反射式光纤温度传感器检测温度的准确性。
具体地，如图2所示，本实施例中的信号发生模块01包括光源11(SLD光源)和信号函数发生器12。其中，光源11为超辐射发光二极管，用于产生光信号，信号函数发生器12与光源11连接，给光源11施加一个特定频率的正弦波信号，从而生成正弦光信号。由于在光源11的特定工作区域内，其输出功率与驱动电流呈现近似线性关系，此时在工作区域内光源11输出光强也呈现近似正弦变换。本实施例中通过信号函数发生器12给光源11施加一个频率为1KZ的正弦波信号，得到频率为1KZ的正弦光信号。由于1KZ为较高频率，而背景光和杂散光大多是低频的光信号，因此，可以通过过滤低频信号的方法，消除背景光和杂散光，从而抑制加性噪声带来的漂移问题。
信号调制模块02包括半导体光放大器21(SOA)、光衰减器22(VOA)以及退偏器23(Loyt退偏器)。其中，半导体光放大器21，与信号发生模块01连接，其在本施例中起到两个作用：放大和斩波。半导体光放大器21与光源11连接，对输出光强进行放大；此外，半导体光放大器21与信号函数发生器12连接，当信号函数发生器12对半导体光放大器21施加40KHz的脉冲信号，半导体光放大器21相当于一个开关，脉冲高电平对应开，低电平对应关。只有当其处于开的状态时，才会允许光从光源输出，从而对光源进行斩波。当正弦光信号频率为1KHz时，该正弦光信号一个周期对应40个脉冲。半导体光放大器21对正弦光信号斩波后，即可得到第一脉冲光信号。
光衰减器22，与半导体光放大器21连接，用于调节第一脉冲光信号的脉冲幅度，得到第二脉冲光信号。本实施例中，通过光衰减器22，调节第一脉冲光信号的光强至合适的大小，得到第二脉冲光信号，使得第二脉冲光信号的脉冲幅度小于信号接收模块06中的光电探测器61的阈值，以保证光电探测器61的安全。退偏器23，分别与光衰减器22和所述耦合器03连接，用于抑制第二脉冲光信号的偏振扰动，得到脉冲光信号，并将所述脉冲光信号输入到所述耦合器中,从而减小光源11输出光的偏振态变化对端面反射式光纤温度传感器的影响，降低端面反射式光纤温度传感器的噪声水平。
在一种实现方式中，所述信号调制模块02还包括光隔离器24(ISO)；光隔离器24分别与半导体光放大器21和光衰减器22连接；光隔离器24用于阻止所述反射脉冲光信号经过所述光衰减器22传输至所述半导体光放大器21，防止从耦合器03中放回的反射脉冲光信号经过半导体光放大器21对光源11产生干扰，保证输出结果的稳定。
具体地，信号臂04包括：延迟光纤41和光纤温度传感探头42；延迟光纤41分别与耦合器03和光纤温度传感探头42连接；光纤温度传感探头42与待检测目标接触，且对分解脉冲光信号进行反射，得到第一初始反射脉冲光信号；延迟光纤41用于给第一初始反射脉冲光信号设置延时，得到第一反射脉冲光信号，从而减少第一反射脉冲光信号和第二反射脉冲光信号之间的耦合串扰影响。本实施例中由于延迟光纤41的作用，第一反射脉冲光信号和第二反射脉冲光信号到达信号接收模块06有200ns的延时。
如图3所示，光纤温度传感探头42包括：第一传感光纤1、封装液体4、金属管5、固定胶3以及第一陶瓷插芯2；第一传感光纤1用光纤切割刀切割并将第一传感光纤1端面研磨光滑后，将其牢固的插在第一陶瓷插芯2的内部，第一传感光纤1尾端的端面与所述陶瓷插芯2底端的端面齐平，制作成一个FC/PC光纤接头；第一陶瓷插芯2通过固定胶3固定在金属管5的内壁，本实施例中金属管的管壁的厚度范围为0.1-0.2mm，第一陶瓷插芯2底部和金属管5底部之间充满封装液体4；第一传感光纤1尾端与封装液体4接触，分解脉冲光信号通过所述第一传感光纤1传输至第一传感光纤1尾端端面，经第一传感光纤1尾端端面反射后得到第一初始反射脉冲光信号，其中，封装液体4为无水乙醇。第一传感光纤1尾端端面与封装液体接触，当分解脉冲光信号传输到第一传感光纤尾端端面后，会有部分光会经由第一传感光纤尾端端面-封装液体反射回第一传感光纤，当外界温度改变时，由于封装液体4的热光效应，其折射率会发生变化，从而光纤端面和液体之间的界面反射率随之改变。由于将切割光滑平整的第一传感光纤1尾端端面浸与液体中，构成的光纤-液体界面会发生菲涅尔反射，反射率表示为其中，nA为第一传感光纤1的纤芯直径，nf为封装液体4折射率。此外，本实施例中，第一陶瓷插芯2作为光纤跳线的一部分，能够保护光纤端面；金属薄管重量轻、导热性能好，能够很好的将封装液体4封装起来，使得光纤温度传感探头42具有更高的灵敏性。
另外，除无水乙醇外，还可以选取不同材料的液体作为封装液体，也可以选择固体材料涂覆在第一传感光纤端面，或选用不同材质的特种光纤材料与第一传感光纤熔接并用其进行温度传感。
在一种实现方式中，参考臂05包括宏观弯曲衰减装置51和参考端52；宏观弯曲衰减装置51分别与耦合器03和参考端52连接；参考端52中第二传感光纤插在第二陶瓷插芯的内部，所述第二传感光纤尾端的端面与所述第二陶瓷插芯底端的端面齐平，所述第二传感光纤尾端与空气接触，其中，所述第二传感光纤与所述第一传感光纤相同，参考端通过第二传感光纤将反射分解脉冲光信号传输到第二传感光纤尾端端面，经第二传感光纤尾端端面反射后得到第二初始反射脉冲光信号；由于光纤-空气的反射率远高于光纤-液体的反射率，因此，通过宏观弯曲衰减装置51调整第二初始反射脉冲光信号的功率，得到第二反射脉冲光信号，以使得第二反射脉冲光信号的功率与第一反射脉冲光信号的功率之间的差值小于预设阈值，即使得第二反射脉冲光信号的功率接近第一反射脉冲光信号的功率。
具体地，信号接收模块06包括：光电探测器61、(A/D转换器)模数转换器62以及终端设备63。光电探测器61的主要作用是利用光电效应把光信号转化为电信号。本实施例中光电探测器61与耦合器03连接，用于接收第一反射脉冲光信号和第二反射脉冲光信号，并将第一反射脉冲光信号和第二反射脉冲光信号转换为第一反射脉冲电信号和第二反射脉冲电信号；模数转换器62，与光电探测器61连接，用于将第一反射脉冲电信号和第二反射脉冲电信号分别转换为第一反射数字电信号和第二反射数字电信号；终端设备63，与模数转换器62连接，用于根据第一反射数字电信号和第二反射数字电信号之间的比值，确定待检测目标的温度。
基于上述实施例，本发明还提供了一种端面反射式光纤温度传感测量方法，如图4所示，所述方法包括：
步骤S100、通过信号发生模块产生正弦光信号；
步骤S200、将所述正弦光信号发送给信号调制模块，通过所述信号调制模块对所述正弦光信号进行调制，得到脉冲光信号；
步骤S300、通过耦合器将所述脉冲光信号分路，得到两个相同的分解脉冲光信号；
步骤S400、将各所述分解脉冲光信号分别发送给所述信号臂和所述参考臂，得到所述信号臂反射回的第一反射脉冲光信号和所述参考臂反射回的第二反射脉冲光信号；
步骤S500、通过所述耦合器对所述第一反射脉冲光信号和所述第二反射脉冲光信号进行合路；
步骤S600、通过信号接收模块将合路后的所述第一反射脉冲光信号和所述第二脉冲光信号分别转换为第一反射数字电信号和第二反射数字电信号，并根据所述第一反射数字电信号和所述第二反射数字电信号之间的比值，确定待检测目标的温度。
具体地，本实施例通过信号发生模块01产生高频的正弦光信号，并通过信号调制模块02对正弦光信号进行调制，有效消除了背景光和杂散光，抑制了加性噪声带来的漂移问题；另外，本实施例中，通过耦合器03将脉冲光信号分路，分别输入到信号臂04和参考臂05，得到光纤-液体和光纤-空气的反射结果，即第一反射脉冲光信号和第二反射脉冲光信号，并对第一反射脉冲光信号和第二反射脉冲光信号合路，将合路后的所述第一反射脉冲光信号和所述第二脉冲光信号分别转换为第一反射数字电信号和第二反射数字电信号，并根据所述第一反射数字电信号和所述第二反射数字电信号之间的比值，确定待检测目标的温度，从原理上抑制了光源11强度波动，探测器响应度漂移、耦合器耦合比波动等影响因素，使得本实施例中的端面反射式光纤温度传感器具有结构简单，温度分辨率高，测量稳定性好，适用范围光的特点。
在一种实现方式中，所述根据所述第一反射数字电信号和所述第二反射数字电信号之间的比值，确定待检测目标的温度，包括：
步骤S601、根据所述第一反射数字电信号和所述第二反射数字电信号之间的比值，确定端面反射式光纤温度传感器的相对传输损耗变化；
步骤S602、根据所述相对传输损耗变化，确定所述端面反射式光纤温度传感器的相对反射率级；
步骤S603、根据所述相对反射率级，确定所述待检测目标的温度。
具体地，首先根据第一反射数字电信号和第二反射数字电信号之间的比值，确定端面反射式光纤温度传感器的相对传输损耗变化，根据所述相对传输损耗变化，确定端面反射式光纤温度传感器的相对反射率级。本实施例中相对反射率级实际等于相对传输损耗变化。根据相对反射率级即可确定待检测目标的温度。本实施例中，首先定义相对反射率级为其中，Rs为光纤温度传感探头42的实时反射率，Rs0为光纤温度传感探头42在预设温度为T0时的反射率。根据液体和第一传感光纤1的热光系数公式，相对反射率级与温度之间的关系可推导为如下公式：
其中，RRL为所述相对反射率级，T为待检测目标的温度，A＝(Cf-CA)/(nf0-nA0)，B＝(Cf+CA)/(nf0+nA0)，CA是所述第一传感光纤1的热光系数，Cf是所述封装液体4的热光系数，nA0是所述第一传感光纤1在预设温度T0时的折射率，nf0是所述封装液体4在预设温度时的折射率。20℃为本实施例中设置的预设温度。
在一种实现方式中，所述根据所述第一反射数字电信号和所述第二反射数字电信号之间的比值，确定所述端面反射式光纤温度传感器的相对传输损耗变化，包括：
步骤S6011、根据所述第一反射数字电信号和所述第二反射数字电信号计算，得到所述端面反射式光纤温度传感器的第一相对传输损耗；
步骤S6012、获取所述端面反射式光纤温度传感器在预设温度时的第二相对传输损耗；
步骤S6013、根据所述第一相对传输损耗和所述第二相对传输损耗，确定所述相对传输损耗变化。
具体地，终端设备63在接收到第一反射数字电信号和第二反射数字电信号后，分别从第一反射数字电信号和第二反射数字电信号取数十个点取平均值并记作US1和Ur1，US1的时域波形如图5所示，其幅度谱如图6所示。根据图6，本实施例中取1KHz时的振幅作为第一反射数字电信号的振幅Us，同样，可以根据第二反射数字电信号的频域波形图中1KHz时的振幅作为第二反射数字电信号的振幅Ur，此时，即可计算得到第一相对传输损耗本实施例通过采用第一反射数字电信号和第二反射数字电信号的振幅比值求解第一相对传输损耗，从原理上消除了光源强度波动、探测器响应度漂移、耦合器耦合比波动等影响因素，提高了温度测量结果的准确性。
获取预先测量的端面反射式光纤温度传感器在预设温度时的第二相对传输损耗。本实施例中第二相对传输损耗RL0为20℃时端面反射式光纤温度传感器的相对传输损耗,RL0＝0.2928dB。
根据第一相对传输损耗和第二相对传输损耗即可计算得到相对传输损耗变化δRL，有δRL＝RL-RL0。
本实施例中将光纤温度传感探头42放置在恒温水浴锅中，从20℃到60℃，每2.5℃测量一次δRL。在达到每个温度点并保持约5分钟后开始测量。得到数据并进行二次函数拟合，结果表明温度灵敏度为0.036dB/℃，R平方值为0.9997。重复上述实验，将实验数据和第一次实验结果结合起来，放入图7中，结果表明具有传感器良好的重复性。另外，分别进行了短期(2min)和长期(2h)稳定性测试。图8是2min内的测试，数据表明温度分辨率为0.0083℃；图9是2h内的测试，温度分辨率为0.016℃。实验结果表明本发明能够实现高分辨率温度传感。
基于上述实施例，本发明还提供了一种终端，其原理框图可以如图10所示。该终端包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏。其中，该终端的处理器用于提供计算和控制能力。该终端的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该终端的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现端面反射式光纤温度测量方法。该终端的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏。
本领域技术人员可以理解，图10中示出的原理框图，仅仅是与本发明方案相关的部分结构的框图，并不构成对本发明方案所应用于其上的终端的限定，具体的终端可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一种实现方式中，所述终端的存储器中存储有一个以上的程序，且经配置以由一个以上处理器执行所述一个以上程序包含用于进行端面反射式光纤温度测量方法的指令。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
综上所述，本发明公开了一种端面反射式光纤温度传感器及其测量方法，所述端面反射式光纤温度传感器通过信号发生模块产生正弦光信号，通过信号调制模块调制正弦光信号，得到脉冲光信号，有效消除了背景光和杂散光，抑制了加性噪声带来的漂移问题。此外，耦合器对调制处理后的脉冲光信号分路得到两个相同的分解脉冲光信号并分别输入信号臂和参考臂进行反射，从而根据信号臂反射回的第一反射脉冲光信号和参考臂反射回的第二反射脉冲光信号确定待检测目标的温度，实现了基于脉冲自参考的强度补偿，从原理上抑制耦合器耦合比波动等因素的影响，提高了测量温度的精确度，解决了温度传感器受解调系统灵敏度和噪声的限制导致温度分辨率有限的问题。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种端面反射式光纤温度传感器，其特征在于，所述端面反射式光纤温度传感器包括：
信号发生模块、信号调制模块、耦合器、信号接收模块、信号臂以及参考臂；
所述耦合器分别与所述信号调制模块、所述信号接收模块、所述信号臂以及所述参考臂连接，所述信号发生模块与所述信号调制模块连接；
所述信号调制模块获取所述信号发生模块产生的正弦光信号，并对所述正弦光信号进行调制，得到脉冲光信号，所述耦合器获取所述脉冲光信号，将所述脉冲光信号进行分路，得到两个相同的分解脉冲光信号，将两个所述分解脉冲光信号分别输入所述信号臂和所述参考臂进行反射，得到所述信号臂反射回的第一反射脉冲光信号和所述参考臂反射回的第二反射脉冲光信号，通过所述耦合器将所述第一反射脉冲光信号和所述第二反射脉冲光信号合路，所述信号接收模块将合路后的所述第一反射脉冲光信号和所述第二反射脉冲光信号分别转换为第一反射数字电信号和第二反射数字电信号，并根据所述第一反射数字电信号和所述第二反射数字电信号之间的比值，确定待检测目标的温度。
2.根据权利要求1所述的端面反射式光纤温度传感器，其特征在于，所述信号调制模块包括：
半导体光放大器，所述半导体光放大器与所述信号发生模块连接，用于将所述正弦光信号放大，并将放大后的所述正弦光信号斩波为第一脉冲光信号；
光衰减器，所述光衰减器与所述半导体光放大器连接，用于调节所述第一脉冲光信号的脉冲幅度得到第二脉冲光信号；
退偏器，所述退偏器分别与所述光衰减器和所述耦合器连接，用于抑制所述第二脉冲光信号的偏振扰动得到所述脉冲光信号，并将所述脉冲光信号输入到所述耦合器中。
3.根据权利要求2所述的端面反射式光纤温度传感器，其特征在于，所述信号调制模块还包括：光隔离器；
所述光隔离器分别与所述半导体光放大器和所述光衰减器连接；
所述光隔离器用于阻止所述第一反射脉冲光信号或所述第二反射脉冲光信号经过所述光衰减器传输至所述半导体光放大器。
4.根据权利要求1所述的端面反射式光纤温度传感器，其特征在于，所述信号臂包括：
光纤温度传感探头，所述光纤温度传感探头与所述待检测目标接触，且对所述分解脉冲光信号进行反射，得到第一初始反射脉冲光信号；
延迟光纤，所述延迟光纤分别与所述耦合器和所述光纤温度传感探头连接，用于对所述第一初始反射脉冲光信号延时，得到第一反射脉冲光信号。
5.根据权利要求4所述的端面反射式光纤温度传感器，其特征在于，所述光纤温度传感探头包括：第一传感光纤、封装液体、金属管、固定胶以及第一陶瓷插芯；
所述第一传感光纤插在所述第一陶瓷插芯的内部，所述第一传感光纤尾端的端面与所述第一陶瓷插芯底端的端面齐平；
所述第一陶瓷插芯通过所述固定胶固定在所述金属管的内壁，所述第一陶瓷插芯底部和所述金属管底部之间充满所述封装液体；
所述第一传感光纤的尾端与所述封装液体接触，所述分解脉冲光信号通过所述第一传感光纤传输至所述第一传感光纤尾端端面，经所述第一传感光纤尾端端面反射回所述第一传感光纤，得到第一初始反射脉冲光信号。
6.根据权利要求5所述的端面反射式光纤温度传感器，其特征在于，所述参考臂包括：
参考端，所述参考端中第二传感光纤插在第二陶瓷插芯的内部，所述第二传感光纤尾端的端面与所述第二陶瓷插芯底端的端面齐平，所述第二传感光纤尾端与空气接触，其中，所述第二传感光纤与所述第一传感光纤相同，所述参考端通过所述第二传感光纤将所述分解脉冲光信号传输至所述第二传感光纤尾端端面，经所述第二传感光纤尾端端面反射后得到第二初始反射脉冲光信号；
宏观弯曲衰减装置，所述宏观弯曲衰减装置分别连接所述耦合器和所述参考端，用于调整所述第二初始反射脉冲光信号的功率，得到第二反射脉冲光信号，以使得所述第二反射脉冲光信号的功率与所述第一反射脉冲光信号的功率之间的差值小于预设阈值。
7.根据权利要求1所述的端面反射式光纤温度传感器，其特征在于，所述信号接收模块包括：
光电探测器，所述光电探测器与所述耦合器连接，用于接收所述第一反射脉冲光信号和所述第二反射脉冲光信号，并将所述第一反射脉冲光信号和所述第二反射脉冲光信号分别转换为第一反射脉冲电信号和第二反射脉冲电信号；
模数转换器，所述模数转换器与所述光电探测器连接，用于将所述第一反射脉冲电信号和所述第二反射脉冲电信号分别转换为第一反射数字电信号和第二反射数字电信号；
终端设备，所述终端设备与所述模数转换器连接，用于根据所述第一反射数字电信号和所述第二反射数字电信号之间的比值，确定待检测目标的温度。
8.一种基于上述权利要求1-7任一项所述的端面反射式光纤温度传感器的端面反射式光纤温度测量方法，其特征在于，所述方法包括：
通过所述信号发生模块产生连续的所述正弦光信号；
将所述正弦光信号发送给所述信号调制模块，通过所述信号调制模块对所述正弦光信号进行调制，得到所述脉冲光信号；
通过所述耦合器将所述脉冲光信号分路，得到两个相同的所述分解脉冲光信号；
将各所述分解脉冲光信号分别发送给所述信号臂和所述参考臂，得到所述信号臂反射回的所述第一反射脉冲光信号和所述参考臂反射回的所述第二反射脉冲光信号；
通过所述耦合器对所述第一反射脉冲光信号和所述第二反射脉冲光信号进行合路；
通过所述信号接收模块将合路后的所述第一反射脉冲光信号和所述第二反射脉冲光信号分别转换为第一反射数字电信号和第二反射数字电信号，并根据所述第一反射数字电信号和所述第二反射数字电信号之间的比值，确定待检测目标的温度。
9.根据权利要求8所述的端面反射式光纤温度测量方法，其特征在于，所述根据所述第一反射数字电信号和所述第二反射数字电信号之间的比值，确定待检测目标的温度，包括：
根据所述第一反射数字电信号和所述第二反射数字电信号之间的比值，确定所述端面反射式光纤温度传感器的相对传输损耗变化；
根据所述相对传输损耗变化，确定所述端面反射式光纤温度传感器的相对反射率级；
根据所述相对反射率级，确定所述待检测目标的温度。
10.根据权利要求9所述的端面反射式光纤温度测量方法，其特征在于，所述根据所述第一反射数字电信号和所述第二反射数字电信号之间的比值，确定所述端面反射式光纤温度传感器的相对传输损耗变化，包括：
根据所述第一反射数字电信号和所述第二反射数字电信号计算，得到所述端面反射式光纤温度传感器的第一相对传输损耗；
获取所述端面反射式光纤温度传感器在预设温度时的第二相对传输损耗；
根据所述第一相对传输损耗和所述第二相对传输损耗，确定所述相对传输损耗变化。
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