CN201034747Y - 长周期光纤光栅解调的光纤光栅高温传感系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种长周期光纤光栅解调的光纤光栅高温传感系统，包括调制宽带光源(1)的输出光、并作为解调元件的长周期光纤光栅(2)；传感用布喇格光纤光栅(14)和参考用布喇格光纤光栅(4)；2×2耦合器(3)。系统中的光纤光栅高温传感头包括，传感用布喇格光纤光栅(14)、套桶(5)、两个陶瓷云母小长方柱(6)、两个不同热膨胀系数的金属条(11)和(12)；光纤布喇格光栅(14)被粘贴到两个长方柱(6)的端面上，两个金属条分别穿过金属板(9)的孔洞与两个长方柱(6)固定在一起。本实用新型能测量较高温度又可避免受电磁干扰，具有测量动态范围大，测量精度高，耐高温特点，系统的解调高效、简单、实时且成本低，用于航天和船舶制造业、金属炼制行业、石油开采行业中的温度测控。

Description

长周期光纤光栅解调的光纤光栅高温传感系统

技术领域

本实用新型涉及一种光纤光栅传感系统，尤其涉及长周期光纤光栅解调的光纤光栅高温传感系统。

背景技术

光纤光栅作为一种光学器件，是在光纤中建立起一种空间折射率周期分布，使在其中光的传播特性得以改变的器件。

当宽带光源入射到光纤布喇格光栅(以下简称为FBG)中时，其反射光的中心波长λ_B由布喇格方程给出：

λ_B＝2nΛ(1)

其中，n为纤芯的有效折射率，Λ为光栅周期。

当FBG所处环境的温度和应变等物理量发生变化时会导致λ_B变化，且波长变化量Δλ_B在一定范围内与温度和(或)应变均成线性关系，当环境温度变化量为ΔT时，对应的波长漂移量Δλ_BT可以表示为：

Δλ_BT＝λ_B(α+ξ)ΔT    (2)

其中α和ξ分别为光纤的热膨胀系数和热光系数。对于普通石英光纤，在1550nm时，波长随温度变化的灵敏度系数约为11.2pm/℃。

当FBG受纵向应变为Δε时，对应的波长漂移量Δλ_BS可以表示为：

${\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{BS}}={\mathrm{\λ}}_B\{1-\frac{n^2}{2}[{\mathrm{\ρ}}_{12}-v({\mathrm{\ρ}}_{11}-{\mathrm{\ρ}}_{12})\left]\right\}\mathrm{\Δ\ϵ}---\left(3\right)$

其中，ρ₁₁和ρ₁₂为光纤的应力张量元，v为泊松比。对于普通石英光纤，在1550nm时，波长随应变变化的灵敏度系数约为1.15pm/με。

根据上述线性关系，测出Δλ_BS即可以得出待测物理量的变化情况，因此，FBG被广泛用于测量温度、应变、应力和位移等物理量，作为光纤光栅传感器的常用传感头元件。光纤光栅传感器具有一些明显的优势，包括抗电磁干扰、体积小、灵活方便，传感信号为波长调制，复用能力强，可实现准分布式测量等。

光纤光栅传感器由于其独特的优势和广泛的应用而在光纤传感领域倍受瞩目，在十多年来有了快速的发展。然而，随着光纤光栅传感器应用范围的不断扩大，人们对其性能的要求也越来越多，工业领域中有时需要其测量较高的温度。例如油井中的温度(油井温度是确定油层的位置、厚度、含水层的深度的基本依据)会随开采深度的增加而不断升高。而目前广泛使用的电子式温度传感器(例如由铂、铑等贵重金属制造的热电偶温度计)存在可靠性低、高温漂移大、容易引发火灾等问题，因此研究新型的以光的绝对量波长为编码的光纤光栅传感器系统具有重要的意义。但是由于普通光纤光栅不能承受较高的温度，以其直接作为传感元件，当温度高于200℃时将出现较大的误差，测量不准确，根本原因是光栅的反射谱出现了变形或退化，这是一直困扰在光纤光栅温度传感领域的一个难题，因此在可查到的报道中，利用光纤光栅测量高温的报道很少。根据可查到的报道，国内有关光纤光栅传感器的研究中，最高可测温度为200℃。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种由长周期光纤光栅解调的光纤光栅高温传感系统，以解决现有技术中在高温环境下测量可靠性低、高温漂移大、容易引发火灾等问题。

本实用新型提供的一种由长周期光纤光栅解调的光纤光栅高温传感系统包括：调制宽带光源1的输出光、并作为解调元件的长周期光纤光栅2；将长周期光纤光栅2的输出光耦合到传感用布喇格光纤光栅14和参考用布喇格光纤光栅4中的2×2耦合器3；连接套桶内外光路的法兰盘15；分别接收参考布喇格光栅4的透射光信号和传感布喇格光栅14反射光信号的两个光电二极管16和17，采集光电二极管的输出信号的数据采集卡18和处理、显示数据的计算机19。

光纤光栅高温传感头包括，传感用布喇格光纤光栅14、套桶5、两个长方柱6、较高热膨胀系数的金属条11和较低热膨胀系数的金属条12；光纤布喇格光栅14被粘贴到两个长方柱(6)的端面上，较高热膨胀系数的金属条11和较低热膨胀系数的金属条12分别穿过金属板9的孔洞与两个长方柱6固定在一起。

玻璃管7和陶瓷云母10均用作金属条11和金属条12的隔热保护元件，用来最大限度的保护两个金属条免受干扰。

周期光纤光栅2是经过温度补偿封装的长周期光纤光栅，其特征波长不受环境温度的影响。

参考用布喇格光纤光栅4是经过温度补偿的布喇格光纤光栅，其布喇格波长不受环境温度的影响。

光纤布喇格光栅14是用两个环氧树脂粘贴点13粘贴到两个长方柱6的端面上，金属条11和金属条12是通过两个螺钉8与两个长方柱6固定在一起。

光纤布喇格光栅14的透射光进入折射率匹配液20中。

为便于说明计算，给出高温传感头的结构示意图，如图2所示。由线膨胀系数不同的两种金属加工而成的金属圆杆11、12，被热的不良导体加工而成的陶瓷云母圆盘10固定在一起，金属杆11、12的右端与陶瓷云母圆盘10固定在一起，然后利用环氧树脂把光栅14的两端分别粘贴在另外两个陶瓷云母方柱(两者分别与金属杆固定在一起)的端面上。当传感头的传感端(金属杆右端)接触高温物体或处于高温场时，金属杆吸收热量并将热量从右端向左端传导，同时产生热膨胀，长度和线膨胀系数的不同导致两个金属杆热膨胀量(即ΔL₁和ΔL₂)不同，从而两个环氧树脂粘贴点13点间距变化，光栅14受到拉伸或压缩的应力作用，这样就巧妙地把待测温度转化为光栅14的应变，避免因高温而损坏光栅14。选择合适的波长解调系统，解调应力引起的光栅波长变化即可得知待测的温度。

取高膨胀金属长度在室温时为L₁，低膨胀金属长度在室温时为L₂，环氧树脂粘接点13两点间距为L。设被测温度为T时，两金属杆的伸缩量差为ΔL，则此时光纤的应变为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{\ΔL}}_1-{\mathrm{\ΔL}}_2}{L}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}---\left(4\right)$

因此光栅的波长漂移为：

${\mathrm{\Δ\λ}}_B={\mathrm{\λ}}_B(1-p_e)\mathrm{\ϵ}={\mathrm{\λ}}_B(1-p_e)\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}---\left(5\right)$

其中： $p_e=-\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\frac{{\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{eff}}}{n_{\mathrm{eff}}}=\frac{n_{\mathrm{eff}}^2}{2}[p_{12}-v(p_{11}+p_{12})]---\left(6\right)$

这里ρ₁₁和p₁₂为应变光张量的Pockels系数，v为泊松比，通常ρ_e为常数，有ρ_e＝0.22。因此，波长变化Δλ_B主要决定于光栅纵向伸缩量ΔL和L。而ΔL取决于两金属杆的长度L₁和L₂以及两金属杆的线膨胀系数α₁和α₂。

热平衡时，金属杆上不同位置的温度不同(右端较高，左端较低)，不同温度时金属的线膨胀系数也不同。为计算的简单，这里采用分段计算求和法，将每一小段的平均温度作为这一段的温度，并用这一温度对应的线膨胀系数作为这一小段的平均膨胀系数，求得每一小段的膨胀量，最后求和得到金属杆的总膨胀量，如7和8式所示：

${\mathrm{\ΔL}}_1=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{l}_{1j}\·{\mathrm{\ΔT}}_{1j}\·{\mathrm{\α}}_{1j},(j=\mathrm{1,2}.....n)---\left(7\right)$

${\mathrm{\ΔL}}_2=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{l}_{2j}\·{\mathrm{\ΔT}}_{2j}\·{\mathrm{\α}}_{2j},(j=\mathrm{1,2}.....n)---\left(8\right)$

其中，l_ij、ΔT_ij、α_ij分别为金属杆上响应第j小段的长度、温度和对应的线膨胀系数，两者的膨胀量之差即光栅的纵向伸缩量为：ΔL＝|ΔL₁-ΔL₂|，我们采用压力加工黄铜(H62)和钢(45号)分别作为高、低膨胀金属(同一温度变化范围时有α_铜(H62)＞α_钢45)，压力加工黄铜(H62)的长度为L1，钢(45号)的长度为L2。选取这两种金属的不同长度组合，根据这两个金属杆的温度下降规律(见附录1)及其线膨胀系数随温度的变化规律(见附录2)，和光栅的波长-应变响应特性，从理论上模拟了被测温度为0-500℃时光栅反射中心波长(设光栅在室温自由状态下的原波长为1550nm)与温度之间的关系，如图3所示。为了解更高温度时光栅波长的响应情况，采用同样方法计算了在0-1000℃(H62铜的熔点为1085℃，刚45的熔点为1370℃)时，光栅波长与温度之间的关系，如图4所示。由图3和图4可知，选择图3中A曲线所示的金属组合可提高传感器的灵敏度，因为A曲线的斜率大于B曲线的斜率。值得提出的是金属的热膨胀系数随温度改变将有所变化，当达到一定的温度时，L1的绝对膨胀量将大于L2的绝对膨胀量，所以光栅应变将会有所减小，因此图4中稍有弯曲。

下面介绍利用长周期光纤光栅解调布喇格光纤光栅传感信号的原理。当一个输出光谱形较为平坦的宽带光源进入长周期光纤光栅后，透射光谱中包含一个主吸收损耗峰，主损耗峰的强度下降边(或上升边)所包含的波长范围内其光强度为线性(线性拟合误差在10^-4量级)的减小(或增大)，利用这一点可实现长周期光栅对宽带光源的调制，产生一个在特定波长范围内强度为线性变化(下降或上升)的光源(可参见图5中的最大损耗峰的单边光强变化)。

为利用经长周期光纤光栅调制后的光源的强度线性变化部分，可使布喇格光纤光栅4和14都具有合适的中心波长，使两者中心波均处于长周期光栅透射谱的主损耗峰单边线性区范围内，并靠近线性区的中间位置。以其中的传感布喇格光纤光栅为例，如图(5)所示，虚线为布喇格光纤光栅14的反射谱，实线表示长周期光纤光栅2的透射谱中的主损耗峰。当传感光栅14的波长被传感信号调制时，其反射峰在线性区的位置发生变化，但其谱型不随被测信号改变，则反射的绝对光功率将线性变化，因此光电探测器17接收到的光电流将随传感光栅的波长而线性变化，这样可根据光电探测器17的输出信号解调出布喇格光栅的波长(或其变化)。这一原理与线性滤波器相似，但长周期光栅相对于线性滤波器有两点明显优势，即速度快和代价小。

根据光功率变化引起的光电探测器的输出值变化就能解调出光纤布喇格光栅(14)的中心波长漂移量，从而得知各个通道中被测量的大小。

本实用新型的有益效果：

1.长周期光纤光栅解调的光纤光栅高温传感系统因光栅不直接受高温调制，通过高温传感头把温度的变化转化为两个金属条绝对膨胀量的变化，最后转化为光栅中心波长的变化，避免了光栅反射谱的退化和变形，所以既能测量较高温度又可避免受电磁干扰，还具有测量动态范围大，测量精度高，耐高温的特点。

2.可根据被测目标的具体状况选用适当的金属条。当被测目标明确时，可根据被测温度的大致范围和精度要求，选择金属条的种类(即金属条的线膨胀系数)，并确定金属条的长度。

3.以长周期光纤光栅作为线性滤波器，解调布喇格传感光栅的波长漂移，根据波长漂移推算被测温度，大大降低了系统的成本。

4.选择不同的金属条的长度、长度差值、线膨胀系数(即改变金属种类)，可方便的调节本发明光纤光栅高温传感系统的测量动态范围和测量的灵敏度。

5.系统中加入了一个经过温度补偿封装的布喇格光栅作为参考光栅，其反射峰值波长不受环境温度影响，其反射信号的大小仅随光源输出功率波动的影响，因此以光电探测器16输出的信号作为参考信号可消除光源波动对测量的影响，大大提高了系统的测量精度。

附图说明

图1由长周期光纤光栅解调的光纤光栅传感系统。

图2光纤光栅高温传感头。

图30-500℃测温范围内光栅波长漂移量与温度的关系曲线。

图40-1000℃测温范围内光栅波长与温度的关系曲线。

图5长周期光栅透射谱和布喇格光栅反射谱示意图。

图6系统实验结果。

图7系统的重复性和稳定性实验结果。

图8传感系统的抗干扰性实验结果。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

实施例1

本实用新型光纤光栅高温传感系统，其特征构成是：宽带光源1的输出光经长周期光纤光栅2的调制后进入2×2的耦合器3。耦合器3的输出光的一部分进入参考光栅4并其后的光电二极管16中，而另一部分光进入传感光纤布喇格光栅14中。传感光栅14的反射光经耦合器3进入光电二极管17中。传感光栅14的透射光进入折射率匹配液20中。两个光电二极管16和17的输出信号均进入数据采集卡18和计算机19中，由计算机19进行信号的处理和显示。

传感布喇格光纤光栅14和两个金属条11是本实用新型中光纤光栅高温传感头的核心元件。两个金属条被固定到金属板9上，如图2中所示，金属板左侧部分的金属条被玻璃套管保护，可减少外界干扰。通过两个螺钉8分别把两个截面为正方形的长方柱6固定到金属条的左端，两个方柱的端面为平面，通过两个环氧树脂粘贴点13把传感光纤布喇格光栅14粘贴到两个长方柱的端面上，整个传感头中金属板9左侧的部分被套桶5所保护，套桶可防止与外界热交换并防止光栅受外界影响，套桶底面的法兰盘15可连接套桶内外的光纤光路。

目前利用长周期光纤光栅解调，系统在实验中实现了500℃的动态范围和1℃的温度分辨率，实验数据如图6所示。图6中横坐标表示被测温度场的温度，纵坐标为根据数据采集卡输出电压的相对值而解调出的传感光栅的波长。因受限于目前我单位的实验条件，只在0-500℃的范围内作了实验，但结果与理论分析图4一致。因此可推论该高温传感系统可测温度范围为0-800℃，可实现的温度分辨率为1℃。

为探索该实用新型高温传感系统的重复性和稳定性，在0-300℃的温度范围内重复做了三次实验。三次实验中除了光源的输出功率不同外(为了便于分清和观察实验结果的曲线)，其他条件均相同，得到的实验结果如图7所示。

图7中横坐标表示被测温度场的温度，纵坐标表示数据采集卡输出电压的相对值，其与光栅的波长成正比，因此只要经过适当的定标和逆推算即可得知被测温度场的温度。从图上很明显可以看出光纤光栅高温传感系统具有较好的重复性。对三套数据进行曲线拟合得到最大重复性偏差为1.2％。

为了解该高温传感系统的抗外界干扰能力，分别在无干扰和有干扰两种情况下进行了对比实验，实验中的干扰主要是模拟系统使用过程中最有可能出现的气流、振动等。实验的温度范围是0-300℃。实验结果如图8所示。

由图8可以看出，当被测温度较低时，光纤光栅高温传感器的抗干扰能力较差，但是当被测温度点处在高于100℃的高温区时其抗干扰的能力有所提高，当被测温度高于150℃时，光纤光栅高温传感器的测量数据基本不受干扰的影响。

Claims (7)

1.一种长周期光纤光栅解调的光纤光栅高温传感系统，包括：调制宽带光源(1)的输出光、并作为解调元件的长周期光纤光栅(2)；2×2耦合器(3)；长周期光纤光栅(2)的输出光被耦合输入到传感用布喇格光纤光栅(14)和参考用布喇格光纤光栅(4)中，连接套桶(5)内外光路的法兰盘(15)；两个光电二极管(16)和(17)分别接收参考布喇格光栅(4)的透射光信号和传感布喇格光栅(14)的反射光信号，光电二极管的输出信号由数据采集卡(18)采集到处理、显示数据的计算机(19)，其特征在于：所述的光纤光栅高温传感头包括，传感用布喇格光纤光栅(14)、套桶(5)、两个陶瓷云母长方柱(6)、较高热膨胀系数的金属条(11)和较低热膨胀系数的金属条(12)；光纤布喇格光栅(14)被粘贴到两个长方柱(6)的端面上，较高热膨胀系数的金属条(11)和较低热膨胀系数的金属条(12)分别穿过金属板(9)的孔洞与两个长方柱(6)固定在一起。

2.如权利要求1所述的长周期光纤光栅解调的光纤光栅高温传感系统，其特征在于：所述的玻璃管(7)和陶瓷云母(10)均用作金属条(11)和金属条(12)的隔热保护元件，用来最大限度的保护两个金属条免受干扰。

3.如权利要求1所述的长周期光纤光栅解调的光纤光栅高温传感系统，其特征在于：所述的长周期光纤光栅(2)是经过温度补偿封装的长周期光纤光栅，其特征波长不受环境温度的影响。

4.如权利要求1所述的长周期光纤光栅解调的光纤光栅高温传感系统，其特征在于：所述的参考用布喇格光纤光栅(4)是经过温度补偿的布喇格光纤光栅，其布喇格波长不受环境温度的影响。

5.如权利要求1所述的长周期光纤光栅解调的光纤光栅高温传感系统，其特征在于：所述的光纤布喇格光栅(14)是用两个环氧树脂粘贴点(13)粘贴到两个长方柱(6)的端面上，金属条(11)和金属条(12)是通过两个螺钉(8)分别与两个长方柱(6)固定在一起。

6.如权利要求1～5中任意一权利要求所述的长周期光纤光栅解调的光纤光栅高温传感系统，其特征在于：光纤布喇格光栅(14)的透射光进入折射率匹配液(20)中。

7.如权利要求6所述的长周期光纤光栅解调的光纤光栅高温传感系统，其特征在于：所述的传感用布喇格光纤光栅(14)的波段为1550nm，所述的较高热膨胀系数的金属条(11)和较低热膨胀系数的金属条(12)分别为H62号压力加工黄铜和45号钢。

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