CN117606642A - 单向式多点温度-磁场双参数传感系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单向式多点温度‑磁场双参数传感系统及方法，属于传感器技术领域，包括宽带激光光源、隔离器、分束器、复合传感单元、耦合器、FBG解调仪以及数据采集与处理单元；宽带激光光源发出宽带光，经过隔离器传递至分束器中，被分成n束入射至多个复合传感单元内部，经由复合传感单元实现温度与磁场的调制‑解调，多路透射出复合传感单元的光经耦合器合成一路接入FBG解调仪中获取透射光谱，并接入数据采集与处理单元实现多点温度、磁场的感知和补偿。

Description

单向式多点温度-磁场双参数传感系统及方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种单向式多点温度-磁场双参数传感系统及方法。

背景技术

基于法拉第磁光效应的光纤磁场传感器以磁光晶体为传感介质，光纤为信号传输通道，使得传感器整体由纯光学元件构成，具备体积小，绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，在特高压及电磁环境复杂的场合具有突出的优势。但是基于法拉第磁光效应的磁场传感器的测量稳定性容易受到温度的影响，降低磁场感知的精度。目前改善磁场传感性能的典型方法是进行温度补偿，考虑到整个测量系统的经济性问题，为实现双参量的多点传感，将单点式光纤传感系统进行简单叠加所需的成本过高，并且现有技术中使用光电探测器实现各点光强的测量，需要增设附加光探，整体光学配置的成本较高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种单向式多点温度-磁场双参数传感系统及方法，实现多点温度与磁场信息的同步测量，并解决了磁场测量过程中受到温度干扰的问题，该传感器系统具备绝缘可靠、灵敏度高、抗电磁干扰、测量范围广等明显优势，无需复杂与昂贵的硬件支撑，可支撑电力行业中多位置上温度-磁场的双参数测量，具有极其重要的工程意义。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供一种单向式多点温度-磁场双参数传感系统，包括宽带激光光源、隔离器、分束器、复合传感单元、耦合器、FBG解调仪以及数据采集与处理单元；宽带激光光源发出宽带光，经过隔离器传递至分束器中，被分成n束入射至多个复合传感单元内部，经由复合传感单元实现温度与磁场的调制-解调，多路透射出复合传感单元的光经耦合器合成一路接入FBG解调仪中获取透射光谱，并接入数据采集与处理单元实现多点温度、磁场的感知和补偿。

进一步，所述复合传感单元由输入端准直器、光纤布拉格光栅、起偏器、磁光晶体、检偏器、输出端准直器组成；所述复合传感单元分为温度传感单元和磁场传感单元，入射光首先进入温度传感单元，利用光纤布拉格光栅将特定中心波长的光反射回去，其余波长的光透射至磁场传感单元；在磁场传感单元中，透射光通过输入端准直器传输到起偏器上起偏为线偏振光，线偏振光在磁场作用下通过磁光晶体后其偏振方向发生旋转，经检偏器后从输出端准直器射出。

进一步，所述数据采集与处理单元运用多个复合传感单元的透射光进行温度、磁场的同步调制-解调，具体包括：

射入磁场模块的透射光强I_M0-i的表达式为：

I_M0-i＝I_In-i-S_De0-i

其中，I_In-i为第i条支路的总输入光强，当传感系统制备完成后确定其值；

透射光进入磁场传感部分后，受到外部磁场的调制，透射光强关于磁场的表达式为：

各波段内光谱缺口面积从原有的S_De0-i变为S_De-i，变化后的输出缺口面积表示为：

利用FBG解调仪获取总输出光谱，通过数据处理分别获取各缺口波段内缺口的面积值S_De-i，进而从缺口面积值中有效解调出各点磁场值B_i：

通过FBG解调仪获取谷值波长的偏移量，解调出各点温度值T_i：

将所解调出的温度值T_i用于磁场B_i的补偿，实现磁场测量的温度补偿。

另一方面，本发明提供一种单向式多点温度-磁场双参数传感方法，包括以下步骤：

S1：制备出光纤光栅与磁光晶体的复合结构器件，以此作为温度-磁场双参数传感单元；

S2：搭建单向式多点温度-磁场传感系统，以实现多点温度、磁场的双参量感知；

S3：将所搭建的传感系统应用于电力设备上，以实现电力设备内部多点温度、磁场双参数感知。

进一步，所述光纤光栅与磁光晶体的复合结构器件制备流程如下：

S11：制备多个不同中心波长、反射光谱不重叠的光纤光栅；

S12：对不同磁光晶体的类型进行选择，选择具备高费尔德系数值的磁光晶体材料作为目标晶体材料；

S13：将光纤光栅、磁光晶体、输入端准直器、输出端准直器、起偏器、检偏器通过微加工的方式制备成小尺寸；

S14：将光栅进一步处理、加工，插入至准直器中并进行固定，使其完整地封装于准直器内部；

S15：完成各器件单元的组装、光路调试与封装；

S16：对传感单元的外观、结构进行检查，并对其传感性能展开试验测试，进而完成光纤光栅-磁光晶体复合结构传感单元的制备。

进一步，步骤S2所述搭建单向式多点温度-磁场传感系统，具体包括以下步骤：

S21：搭建出光路系统，将宽带激光光源发出光束依次传输至隔离器、分束器、多点温度-磁场的复合传感单元、耦合器、FBG解调仪中，其中分束器、耦合器分别用于分解、合并光线；

S22：将经耦合器合并后的光输入至FBG解调仪中，并将FBG解调仪测量到的数据输出至数据采集与处理单元进行处理；

S23：获取光纤光栅透射谱线数据(x_i,y_i)_{tr-i＝1,...,n}，并提取出透射谱中谷值所对应的横坐标数据，即FBG光栅中心波长值λ_{ctr,tr-i＝1,...,n}，将该中心波长值与与参考温度T₀下的中心波长值λ_{ctr0,tr-i＝1,...,n}相减，获取温度变化下的波长变化量；

S24：获取光纤光栅透射谱线中各缺口波段内缺口的面积值S_De-i，用其作为磁场解调的关键参量；

S25：依据之前所建立的单向式多点传感结构下温度-磁场双参量传感模型，设计出双参量求解算法，将各波长偏移量代入传感算法中求解出各点的温度值，将各缺口波段内缺口的面积值代入传感算法中求解出各点的初始磁场值，具体如下：

其中k与b的大小与材料结构有关，ξ表示热光系数，α表示热膨胀系数，λ_{ctr,tr-i＝1,...,n}为光纤光栅中心波长值，其中n为传感点数；λ_{ctr0,tr-i＝1,...,n}为参考温度T₀下的中心波长值；

S26：引入所求解到的各点实时温度值对初始磁场进行修正，以实现磁场测量的温度补偿。

本发明的有益效果在于：本发明不仅实现多点温度与磁场信息的同步测量，还无需增设附加光探用于各传感点的光强测量，具备低成本、绝缘可靠、抗电磁干扰、测量范围广等明显优势，具有重要的工程意义。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为单向式多点温度-磁场双参数传感结构示意图；

图2为复合传感单元结构示意图；

图3为多点光栅的透射光谱。

附图标记：1-宽带激光光源；2-隔离器；3-分束器；4-复合传感单元；5-耦合器；6-FBG解调仪；7-数据采集与处理单元；8-信号线；9-光纤；10-高分子外涂敷胶层；11-输入端准直器；12-光纤布拉格光栅；13-起偏器；14-磁光晶体；15-检偏器；16-输出端准直器；17-导热光学胶；18-玻璃管。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图3，本发明提出的多点式温度-磁场双参数传感系统由光纤光栅与磁光晶体复合传感单元、多点式温度-磁场传感结构、多点温度-磁场双参数解调系统三部分构成：

(1)光纤光栅与磁光晶体复合传感单元由输入端准直器11、光纤布拉格光栅12、起偏器13、磁光晶体14、检偏器15、输出端准直器16组成，上述装置被放置在玻璃管18中，玻璃管18中充满导热光学胶17，玻璃管18外部包裹有高分子外涂敷胶层10，其结构如附图2所示。其中，磁光晶体与光纤光栅处于同一光路中，利用复合传感单元出射的透射光可以实现温度与磁场的调制-解调。入射光首先进入温度传感单元，其中光纤光栅将特定中心波长的光反射回去，其余波长的光透射至磁场传感单元。在磁场传感单元中，透射光传输到起偏器上进行起偏变成线偏振光，线偏振光在磁场作用下通过磁光晶体后其偏振方向发生旋转，经检偏器后射出复合传感单元。

(2)多点式温度-磁场传感结构基于单向光参量解调模型实现多个测量点的温度、磁场同步测量。其中，为了实现多点温度感知，需要对各个复合传感单中光栅进行差异化设计，即各光栅中心波长存在差异并且反射光谱不重叠。

单向式多点传感结构利用多个光纤光栅与磁光晶体复合传感单元输出的单向透射光来获取多点温度、磁场值。将多路复合传感单元输出的透射光汇聚成单一光路，形成由多个透射光谱叠加而成的透射谱线。当温度变化时，透射光谱中各谷值点所对应的波长也会发生相应变化，通过算法提取出透射谱线中谷值点所对应波长的偏移量，进而根据温度与波长偏移量的标定关系，获取各传感点的温度信息。与双向传感结构不同，单向传感结构的磁场感知是通过对透射光谱中各波段缺口区域进行积分，由缺口面积值获取各传感单元的光强大小，而后解调出各点的磁场大小。建立该单向式结构下多位置的双参量传感模型，并实现磁场测量的温度补偿。

光路测量系统为整体测量系统的硬件部分，与单向式多点传感结构相匹配，主要包括了通过光纤9连接传输的宽带激光光源1、隔离器2、分束器3、复合传感单元4、耦合器5、FBG解调仪6，其结构如附图1所示。宽带激光光源发出宽带光，经过隔离器传递至分束器中，被分成n束入射至多个复合传感单元内部。其中，隔离器阻止反射光进入光源并对其造成损坏，而多路透射光经耦合器合成一路接入FBG解调仪中获取透射光谱。

(3)多点温度-磁场双参数解调系统包括了数据采集与处理单元7、温度-磁场双参数解调算法、磁场测量温度补偿算法。其中，数据采集与处理单元7应用数据采集卡和信号线8对FBG解调仪输出数据进行采集，由计算机进行数据处理。

温度-磁场双参数的传感主要基于光纤光栅的热光效应、磁光晶体的法拉第磁光效应，其中各参量的感知原理如下：

①温度感知：

当温度发生变化时，光纤布拉格光栅(FBG)会产生热光效应导致其折射率发生变化，进而使得中心波长发生偏移。光纤光栅中心波长随温度的变化关系如下：

其中，λ_B表示FBG的中心波长，Δλ_B表示中心波长的变化量，T₀表示基准温度值，ξ表示热光系数，α表示热膨胀系数，一般情况下，α＜＜ξ。FBG的热光系数和热膨胀系数均取决于材料本体特性，因此当材料选定后可看作常数。

进一步，可推导出温度的表达式为：

②磁场感知

磁场感知主要利用法拉第磁光效应，即磁光晶体在磁场作用下其线偏振光的偏振方向在晶体中发生旋转，且旋转角度θ与所测磁场B呈线性关系，即：

θ＝VBL (3)

其中，V为磁光晶体的费尔德系数，B为通光方向上的磁感应强度值，L为光束在磁光晶体中的有效光程。

费尔德系数V具有温度敏感特性，即表征磁光晶体受温度的影响，将温度干扰耦合至磁场测量，有待跟踪温度变化以修正温度干扰，其温度依赖性可以表示为：

其中k与b的大小与材料结构有关，因此不同性能的磁光晶体所对应的k,b取值存在差异。

为了获得对旋转角度θ变化的最大灵敏度，需要对起偏器、检偏器的位置进行配置，通过对输出光强求解关于旋转角度θ、起偏器的偏振方向与检偏器偏振方向之间的夹角α的二阶偏导，解得在时，旋转角度θ对于输出光强最为灵敏。因此，出射光强I_out可表达为：

其中，I_M0为经过光纤光栅后输入磁场传感模块的透射光强。进一步，磁场B可通过测量光强值被解调出:

基于上述关系式，可以支撑后续磁场解调算法的设计。其中，温度值T将由温度测量系统所获得，用于实时修正磁场值，降低温度对磁场测量的干扰。同时值得注意的是，透射光强不受温度变化的影响，且光纤光栅测温与磁光晶体测试磁场两者相互独立。

基于上述单点温度、磁场的感知原理，设计并推导出多点温度、磁场解调模型：

(i)多点温度解调

单向式传感结构运用多个中心波长不同、反射谱不重叠的光纤光栅进行温度的调制-解调，其透射光谱如附图3所示。

利用FBG解调仪获取透射谱，通过算法提取出各谷值点所对应的波长数据，即光纤光栅中心波长值λ_{ctr,tr-i＝1,...,n}，其中n为传感点数。通过与参考温度T₀下的中心波长值λ_{ctr0,tr-i＝1,...,n}相减，即可提取出各光栅中心波长的数据偏移值集合：

{Δλ_B-i＝λ_ctr,tr-i-λ_ctr0,tr-i|i＝1,...,n} (7)

进一步根据各波长的偏移值求解出各点温度的变化值ΔT_i，进而确定出各点温度值{T_i＝T_0-i+ΔT_i|i＝1,...,n}。

最终可得单向式多点传感结构下各点的温度表达式为：

(ii)多点磁场解调

单向式传感结构运用多个复合传感单元的透射光对磁场进行调制-解调。光线首先经过光纤光栅，其特定波长区间的光将被反射，进而形成透射光谱。由于各光纤光栅的反射作用，经过光栅反射后的透射光谱都将呈现为局部凹陷形状，即该光谱缺口表示特定波段内光被光栅给反射回去而将不进入磁场模块，而该缺口面积S_De0-i即表征反射光强的大小，其值并不会随着光栅中心波长的变化而变化，当测量系统制备完成后该值将确定下来。

进一步可求得射入磁场模块的透射光强I_M0-i的表达式为

I_M0-i＝I_In-i-S_De0-i (9)

其中，I_In-i为第i条支路的总输入光强，当传感系统制备完成后其值即可确定。

透射光进入磁场传感部分后，受到外部磁场的调制，各路输出光强的大小将发生变化，该透射光强关于磁场的表达式为：

而该光强变化也反映于各路复合传感单元的输出光谱上，如附图3所示，相较于入射前的光谱位置，出射光谱整体发生变化，并且变化量受磁场的影响。各波段内光谱缺口面积将从原有的S_De0-i变为S_De-i，变化后的输出缺口面积可表示为：

进一步，各支路的输出光将进入耦合器进而汇合成单一光路。因此，该光路的光谱是由各路透射光的光谱叠加而成。并且，由于各子光路的缺口波段不重合，对此耦合前后各缺口面积并未发生变化，仍为S_De-i。

最终，利用FBG解调模块获取总输出光谱，通过数据处理分别获取各缺口波段内缺口的面积值S_De-i，进而从缺口面积值中有效解调出各点磁场值B_i：

进一步，将上述所解调出的温度值T_i用于磁场B_i的补偿，实现磁场测量的温度补偿。

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步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可以实现本方法的步骤，所述的存储介质，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种单向式多点温度-磁场双参数传感系统，其特征在于：包括宽带激光光源、隔离器、分束器、复合传感单元、耦合器、FBG解调仪以及数据采集与处理单元；宽带激光光源发出宽带光，经过隔离器传递至分束器中，被分成n束入射至多个复合传感单元内部，经由复合传感单元实现温度与磁场的调制-解调，多路透射出复合传感单元的光经耦合器合成一路接入FBG解调仪中获取透射光谱，并接入数据采集与处理单元实现多点温度、磁场的感知和补偿。

2.根据权利要求1所述的单向式多点温度-磁场双参数传感系统，其特征在于：所述复合传感单元由输入端准直器、光纤布拉格光栅、起偏器、磁光晶体、检偏器、输出端准直器组成；所述复合传感单元分为温度传感单元和磁场传感单元，入射光首先进入温度传感单元，利用光纤布拉格光栅将特定中心波长的光反射回去，其余波长的光透射至磁场传感单元；在磁场传感单元中，透射光通过输入端准直器传输到起偏器上起偏为线偏振光，线偏振光在磁场作用下通过磁光晶体后其偏振方向发生旋转，经检偏器后从输出端准直器射出。

3.根据权利要求1所述的单向式多点温度-磁场双参数传感系统，其特征在于：所述数据采集与处理单元运用多个复合传感单元的透射光进行温度、磁场的同步调制-解调，具体包括：

射入磁场模块的透射光强I_M0-i的表达式为：

I_M0-i＝I_In-i-S_De0-i

其中，I_In-i为第i条支路的总输入光强，当传感系统制备完成后确定其值；

透射光进入磁场传感部分后，受到外部磁场的调制，透射光强关于磁场的表达式为：

各波段内光谱缺口面积从原有的S_De0-i变为S_De-i，变化后的输出缺口面积表示为：

利用FBG解调仪获取总输出光谱，通过数据处理分别获取各缺口波段内缺口的面积值S_De-i，进而从缺口面积值中有效解调出各点磁场值B_i：

通过FBG解调仪获取谷值波长的偏移量，解调出各点温度值T_i：

将所解调出的温度值T_i用于磁场B_i的补偿，实现磁场测量的温度补偿。

4.一种单向式多点温度-磁场双参数传感方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：制备出光纤光栅与磁光晶体的复合结构器件，以此作为温度-磁场双参数传感单元；

S2：搭建单向式多点温度-磁场传感系统，以实现多点温度、磁场的双参量感知；

S3：将所搭建的传感系统应用于电力设备上，以实现电力设备内部多点温度、磁场双参数感知。

5.根据权利要求4所述的单向式多点温度-磁场双参数传感方法，其特征在于：所述光纤光栅与磁光晶体的复合结构器件制备流程如下：

S11：制备多个不同中心波长、反射光谱不重叠的光纤光栅；

S12：对不同磁光晶体的类型进行选择，选择具备高费尔德系数值的磁光晶体材料作为目标晶体材料；

S13：将光纤光栅、磁光晶体、输入端准直器、输出端准直器、起偏器、检偏器通过微加工的方式制备成小尺寸；

S14：将光栅进一步处理、加工，插入至准直器中并进行固定，使其完整地封装于准直器内部；

S15：完成各器件单元的组装、光路调试与封装；

S16：对传感单元的外观、结构进行检查，并对其传感性能展开试验测试，进而完成光纤光栅-磁光晶体复合结构传感单元的制备。

6.根据权利要求4所述的单向式多点温度-磁场双参数传感方法，其特征在于：步骤S2所述搭建单向式多点温度-磁场传感系统，具体包括以下步骤：

S21：搭建出光路系统，将宽带激光光源发出光束依次传输至隔离器、分束器、多点温度-磁场的复合传感单元、耦合器、FBG解调仪中，其中分束器、耦合器分别用于分解、合并光线；

S22：将经耦合器合并后的光输入至FBG解调仪中，并将FBG解调仪测量到的数据输出至数据采集与处理单元进行处理；

S23：获取光纤光栅透射谱线数据(x_i,y_i)_{tr-i＝1,...,n}，并提取出透射谱中谷值所对应的横坐标数据，即FBG光栅中心波长值λ_{ctr,tr-i＝1,...,n}，将该中心波长值与与参考温度T₀下的中心波长值λ_{ctr0,tr-i＝1,...,n}相减，获取温度变化下的波长变化量；

S24：获取光纤光栅透射谱线中各缺口波段内缺口的面积值S_De-i，用其作为磁场解调的关键参量；

S25：依据之前所建立的单向式多点传感结构下温度-磁场双参量传感模型，设计出双参量求解算法，将各波长偏移量代入传感算法中求解出各点的温度值，将各缺口波段内缺口的面积值代入传感算法中求解出各点的初始磁场值，具体如下：

其中k与b的大小与材料结构有关，ξ表示热光系数，α表示热膨胀系数，λ_{ctr,tr-i＝1,...,n}为光纤光栅中心波长值，其中n为传感点数；λ_{ctr0,tr-i＝1,...,n}为参考温度T₀下的中心波长值；

S26：引入所求解到的各点实时温度值对初始磁场进行修正，以实现磁场测量的温度补偿。