CN208350235U - 一种基于光纤环形腔衰荡的长周期光纤光栅温度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光纤环形腔衰荡的长周期光纤光栅温度传感器，包括激光器、调制器、信号发生器、2×1耦合器、传输光纤、长周期光纤光栅传感头、光电探测器、数据采集卡以及PC机；2×1耦合器包括第一耦合器和第二耦合器；第一耦合器、传输光纤、第二耦合器、长周期光纤光栅传感头形成环形腔；所述长周期光纤光栅传感头采用应力不敏感长周期光纤光栅；随着温度的变化，传感头中光纤纤芯和包层的折射率以及光栅的相隔周期发生改变，选定的入射激光光波长位置处的光强随之发生改变，进而影响环形腔内衰荡时间的变化，通过测量衰荡时间变化，可以实现温度的高灵敏度测量。本实用新型温度传感器具有不受光源波动影响，灵敏度高，结构简单，成本低，安全可靠等优点。

Description

一种基于光纤环形腔衰荡的长周期光纤光栅温度传感器

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于光纤环形腔衰荡的长周期光纤光栅温度传感器。

背景技术

光纤传感器技术是随着光纤器件工艺的日益完善和信号处理技术的迅猛发展而逐步发展起来的，其广泛应用于电力、石油石化、医疗器械等领域。在各个领域里测温是为了防止高温导致隐患发生，而光纤温度传感器会是未来的一种趋势，因为它非常适用于高电压、强磁场、易燃易爆场合的测温，例如轨道交通干式变压器等电气设备的高压热点测温，光伏设备、开关柜高压触点等特殊环境的测温，它能够更有效地提升这类环境的安全等级。

光纤环形腔衰荡技术是一种新型测量技术，其结合了光纤传感和腔衰荡的高灵敏特性，适用于光纤传输的低损耗过程。且该技术所测量的衰荡时间利用探测器探测到的强度的比值来定义，因而系统可以不受光源波动的影响，测量结果准确，可靠性更高，响应迅速。尽管光纤环形腔衰荡技术被提出距今仅仅十余年的时间，但是它在物理、化学传感等方面的应用表现出了其他技术无法比拟的优势，已经被越来越多的人所关注。

温度是表征物体冷热程度的物理量，在户外加油站、储油库等地方，为防止环境温度过高引燃引爆油品，保障大型设施安全，防止恶性以及灾难性事故，对温度的测量显得尤为重要。光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，而周期为几十至几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光栅。长周期光纤光栅在温度测量方面相对于其它传统的测温装置具有对温度变化非常敏感、抗电磁干扰、插入损耗低、体积小、无源等优点。但基于长周期光纤光栅的测温装置大多是通过光谱仪测量波长移动来实现温度测量，这样就会导致其价格昂贵，且测量精度差，在实际使用中有很大的局限性。

实用新型内容

本实用新型的目的是：针对现有技术存在的不足，提供了一种基于光纤环形腔衰荡的长周期光纤光栅温度传感器，该温度传感器具有不受光源波动影响，灵敏度高，结构简单，成本低，安全可靠等优点。

本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案为：

一种基于光纤环形腔衰荡的长周期光纤光栅温度传感器，包括激光器、调制器、信号发生器、2×1耦合器、传输光纤、长周期光纤光栅传感头、光电探测器、数据采集卡以及PC机。

2×1耦合器包括第一耦合器和第二耦合器。

调制器的光输入端口与激光器相连，调制器的电驱动端口与信号发生器通过电缆相连，调制器的光输出端口与第一耦合器两端口一侧的低分光比端口相连，第一耦合器的一端口一端与传输光纤的一端相连，传输光纤的另一端与第二耦合器的一端口一端相连，第二耦合器两端口一侧的高分光比端口与长周期光纤光栅传感头的一端相连，长周期光纤光栅传感头的另一端与第一耦合器两端口一侧的高分光比端口相连，第二耦合器两端口一侧的低分光比端口与光电探测器的输入端相连，光电探测器的输出端通过数据采集卡与PC机相连。

第一耦合器、传输光纤、第二耦合器、长周期光纤光栅传感头形成环形腔。

所述长周期光纤光栅传感头采用应力不敏感长周期光纤光栅。

当温度发生变化的时候，由于热光效应，传感头中光纤纤芯和包层的折射率发生变化，引起纤芯基模和包层模有效折射率差的变化，同时，长周期光纤光栅的相隔周期也会由于光纤的热胀冷缩而发生改变，使得相应匹配条件发生变化，从而导致它的谐振波长发生变化，选定的入射激光光波长位置处的光强随之发生改变，进而影响环形腔内衰荡时间的变化，通过测量衰荡时间变化，可以实现温度的高灵敏度测量。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型采用基于光纤环形腔衰荡的传感装置，检测的是衰荡时间，可以使传感免受光源波动影响。

本实用新型利用应力不敏感长周期光纤光栅为传感头，避免应力与温度的交叉敏感问题。随着温度的变化，传感头中光纤纤芯和包层的折射率以及光栅的相隔周期发生改变，选定的入射激光光波长位置处的光强随之发生改变，进而影响环形腔内衰荡时间的变化，通过测量衰荡时间变化，可以实现温度的高灵敏度测量。

附图说明

图1为一种基于光纤环形腔衰荡的长周期光纤光栅温度传感器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

如图1所示，一种基于光纤环形腔衰荡的长周期光纤光栅温度传感器，包括激光器1，调制器2，信号发生器3，第一耦合器4，传输光纤5，第二耦合器6，长周期光纤光栅传感头7，光电探测器8，数据集采集卡9以及PC机10。调制器2的光输入端口与激光器1相连，调制器2的电驱动端口与信号发生器3通过电缆相连，调制器2的光输出端口与第一耦合器4两端口一侧的低分光比端口402相连，第一耦合器4的一端口一端401与传输光纤5的一端相连，传输光纤5的另一端与第二耦合器6的一端口一端601相连，第二耦合器6两端口一侧的高分光比端口602与长周期光纤光栅传感头7的一端相连，长周期光纤光栅传感头7的另一端与第一耦合器4两端口一侧的高分光比端口403相连，第二耦合器6两端口一侧的低分光比端口603与光电探测器8的输入端相连，光电探测器8的输出端通过数据采集卡9与PC机10相连。第一耦合器4、传输光纤5、第二耦合器6、长周期光纤光栅传感头7形成环形腔。光电探测器8、数据采集卡9与PC机10组成信号解调部分。

本实用新型的工作方式为：激光器1发出的光和信号发生器3发出的电脉冲由调制器2整合成脉冲光，该脉冲光从第一耦合器4两端口一侧的低分光比端口402输入，从第一耦合器4的一端口一端401输出，通过掺铒光纤5，从第二耦合器6的一端口一端601输入，大部分脉冲光从第二耦合器6两端口一侧的高分光比端口602输出，通过长周期光纤光栅传感头7，再从第一耦合器4两端口一侧的高分光比端口403输入形成一个回路，每走完一个回路，就会有一部分脉冲光从第二耦合器6两端口一侧的低分光比端口603输出，由光电探测器8将脉冲光转化为电信号后，通过数据采集卡9传输到PC机10中进行衰荡时间检测。在环形腔中，当温度发生变化的时候，由于热光效应，传感头中光纤纤芯和包层的折射率发生变化，引起纤芯基模和包层模有效折射率差的变化，同时，长周期光纤光栅的相隔周期也会由于光纤的热胀冷缩而发生改变，使得相应匹配条件发生变化，从而导致它的谐振波长发生变化，选定的入射激光光波长位置处的光强随之发生改变，进而影响环形腔内衰荡时间的变化，通过建立衰荡时间与外界温度之间的关系，可以实现温度的高灵敏度测量。

该装置能够实现一种基于光纤环形腔衰荡的长周期光纤光栅温度传感器的温度测量的关键技术有：

1、光纤环形腔衰荡。采用基于光纤环形腔衰荡的传感装置是保证传感不受光源波动影响的关键。为了避免衰荡光谱出现重叠或者失真的情况，脉冲光绕环形腔一周的时间应该小于信号发生器所设脉冲周期，且大于所设脉宽。

2、耦合器耦合比的选取。耦合器耦合比的选取应保证经第一耦合器和第二耦合器分光后大部分脉冲光仍保留在环形腔内循环，从而延长脉冲光在环形腔内的循环时间，进而增加衰荡光谱中的衰荡峰数量，最终实现传感器灵敏度的提高。

3、光纤传感头的结构。长周期光纤光栅传感头是实现高灵敏度传感的基础，且其采用应力不敏感长周期光纤光栅，避免应力与温度的交叉敏感问题，使温度测量更加准确。

本实用新型的一个具体案例中，激光器的输出波长选用1550nm；信号发生器输出脉冲的周期为125μs，脉宽为500ns；光电探测器选用雪崩光电二极管；传输光纤用的是常规单模光纤，长度为1km；长周期光纤光栅传感头用的应力不敏感长周期光纤光栅，周期为440μm。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围。

Claims (1)

1.一种基于光纤环形腔衰荡的长周期光纤光栅温度传感器，其特征在于，包括激光器、调制器、信号发生器、2×1耦合器、传输光纤、长周期光纤光栅传感头、光电探测器、数据采集卡以及PC机；2×1耦合器包括第一耦合器和第二耦合器；调制器的光输入端口与激光器相连，调制器的电驱动端口与信号发生器通过电缆相连，调制器的光输出端口与第一耦合器两端口一侧的低分光比端口相连，第一耦合器的一端口一端与传输光纤的一端相连，传输光纤的另一端与第二耦合器的一端口一端相连，第二耦合器两端口一侧的高分光比端口与长周期光纤光栅传感头的一端相连，长周期光纤光栅传感头的另一端与第一耦合器两端口一侧的高分光比端口相连，第二耦合器两端口一侧的低分光比端口与光电探测器的输入端相连，光电探测器的输出端通过数据采集卡与PC机相连；第一耦合器、传输光纤、第二耦合器、长周期光纤光栅传感头形成环形腔；所述长周期光纤光栅传感头采用应力不敏感长周期光纤光栅。