CN103076111B - 基于单模-多模-单模光纤模间干涉温度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单模-多模-单模光纤模间干涉温度测量装置，包括激光器、SMS光纤、PIN管、数据采集卡以及信号处理器，所述SMS光纤由第一单模光纤、多模光纤和第二单模光纤级联而成，所述激光器输出连接SMS光纤的一端的第一单模光纤，第二单模光纤与PIN管输入连接，PIN管输出与数据采集卡输入连接，数据采集卡输出连接信号处理器，所述信号处理器利用SMS光纤输出光功率携带模间相对相位变化信息，获得温度测量值。

Description

基于单模-多模-单模光纤模间干涉温度测量装置

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于单模-多模-单模光纤模间干涉温度测量装置。

背景技术

与电传感器相比较，光纤传感具有集成度高、抗干扰能力前、成本低廉、灵敏度和精度高、绝缘性好、可实现分布测量等优势，因此光纤传感已经成为一个热门的研究领域。光纤传感器可用于测量应力、应变、振动、温度、位移、声音和湿度等物理量。光纤传感已经广泛应用于交通、军工、建筑、能源、安全、冶金等领域。

目前用于测量温度的仪器主要有温度计、热电阻、热电偶和红外测温仪等,但这些仪器都存在量程有限、精度不高、无法长距离和在狭小空间进行温度测量的缺点；而光纤温度传感很好的解决了上述缺点。

目前，与光纤温度传感相关的专利主要采用光纤F-P技术、长周期光纤光栅（LPG）技术、光纤布拉格光栅（FBG）技术、光纤背向散射（Rayleigh、Brillouin、Raman）技术。但是，这些技术对光纤和探测器的要求较高，不利于成本的降低。基于SMS光纤结构的温度传感逐渐开始引起人们的关注，SMS光纤结构在温度变化时其输出干涉光谱会发生蓝移或红移，利用光谱测量技术（如光谱仪等）可实现温度的高灵敏度传感；目前该技术已经达到了15pm/℃-58.5pm/℃。但是基于SMS光纤结构的温度传感技术需要利用光谱仪对信号进行频谱分析，导致该传感器存在体积大、价格昂贵、不利于***集成等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、价格低廉、灵敏度高和集成度高的光纤温度传感装置，该传感装置是基于单模-多模-单模光纤（SMS）结构在温度变化时其输出光功率的变化规律而设计，只需测量输出光功率，不需要光谱仪对信号进行分析，获得的精度在5%以内。该传感装置不仅可用于测量温度，也可结合相应的数据处理技术实现应力和振动的测量。

为了解决现有技术问题，本发明实施例公开了一种基于单模-多模-单模光纤模间干涉温度测量装置，其特征在于，包括激光器、SMS光纤、PIN管、数据采集卡以及信号处理器，所述SMS光纤由第一单模光纤、多模光纤和第二单模光纤级联而成，所述激光器输出连接SMS光纤的一端的第一单模光纤，第二单模光纤与PIN管输入连接，PIN管输出与数据采集卡输入连接，数据采集卡输出连接信号处理器，所述信号处理器利用SMS光纤输出光功率携带模间相对相位变化信息，获得温度测量值。

进一步，作为优选，所述SMS光纤由G.652标准单模光纤和50/125阶跃型多模光纤构成。

进一步，作为优选，所述信号处理器利用模间相对相位值与温差ΔT的正比关系，获得温度测量值。

进一步，作为优选，所述模间相对相位值与温差ΔT有如下关系：其中常数κβ通过定标获得。

进一步，作为优选，对SMS光纤输出光信号做Hilbert变换得到模间相对相位变化信息，最终得到温度变化信息。

本发明提供了一种基于SMS光纤结构在温度变化时其输出光功率的变化规律而设计的光纤温度传感装置。该光纤温度传感装置采用的光纤为普通单模光纤和多模光纤；由于基于光功率测量，该光纤温度传感装置采用的探测器为普通PIN管，无需采用频谱仪。因此，本发明除了具备一般光纤温度传感的优点外，还有效的解决了目前光纤温度传感技术存在的成本较高、***复杂的缺点。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1为SMS光纤结构示意图。

图2为本发明温度传感装置示意图。

图3为该本发明温度传感测量***示意图。

图4为温度线性缓慢上升时光功率信号的电压值随时间的变化曲线。

图5为温度线性缓慢上升时光纤测量的温差随时间变化曲线。

图6为温度线性缓慢下降时光功率信号的电压值随时间的变化曲线。

图7为温度线性缓慢下降时光纤测量的温差随时间变化曲线。

图8为温度快速上升时光功率信号的电压值随时间的变化曲线。

图9为温度快速上升时光纤测量的温差随时间变化曲线。

具体实施方式

参照图1-9对本发明的实施例进行说明。

为使上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图2所示，一种基于单模-多模-单模光纤模间干涉温度测量装置，包括激光器201、SMS光纤、PIN管206、数据采集卡207以及信号处理器208，所述SMS光纤由第一单模光纤103、多模光纤104和第二单模光纤级105联而成，所述激光器202输出连接SMS光纤的一端的第一单模光纤103，第二单模光纤105与PIN管206输入连接，PIN管206输出与数据采集卡207输入连接，数据采集卡207输出连接信号处理器208，所述信号处理器208利用SMS光纤输出光功率携带模间相对相位变化信息，获得温度测量值。

例如采用1550nm DFB激光器202光源，输出功率约为10mw，激光器202尾纤连接一段SMS光纤，SMS光纤结构由G.652标准单模光纤和长度为10米的50/125阶跃型多模光纤构成，光纤置于测试环境中，测试环境由水槽305和加热板304组成，数字信号处理部分由PIN管206、数据采集卡207和信号处理器208（Labview软件）组成，激光器202和信号采集部分在***集成箱201中。

如附图1所示，激光器输出光101经第一单模光纤纤芯106耦合进入多模光纤纤芯107，激励多模光纤中大量模式传输，这些模式相互干涉，在光纤横截面109上形成不同的干涉图样110，即散斑，输出端的第二单模光纤105耦合光纤横截面109某局部区域的光强输出。由以上分析知，输出光强102与多模光纤所处的环境温度有关。

本发明实现温度测量的原理如下：

SMS光纤结构由两段单模光纤和熔接在它们中间的一段多模光纤构成。激光器输出光经单模光纤耦合进入多模光纤，激励多模光纤中大量模式传输，这些模式相互干涉，在光纤横截面上形成不同的干涉图样，即散斑，输出端的单模光纤耦合某局部区域的光强输出。散斑的空间分布形式由激励条件（单模光纤到多模光纤的耦合）和众多模式之间的相位差决定，因此，在耦合条件不变的情况下，检测光功率的变化即可获得模式之间的相位差的变化，进而解调得到引起相位差变化的外部因素，如环境温度，从而实现温度的检测。

当多模光纤所处环境温度发生变化时，由于热光效应和热胀冷缩，纤芯折射率和光纤长度均发生变化，温度T时模式有效折射率n和光纤长度的变化可用下式表示：

n＝n₀+(dn₀/dT)(T-T₀)＝[C_T(T-T₀)+1]n₀，  (1)

$L=L_{T0}+({\mathrm{dL}}_0+\mathrm{dT})(T-T_0)=[a_T(T-T_0)+1]{L_T}_0,---\left(2\right)$

其中n₀为某一模式在T₀温度时的有效折射率，为初始温度T₀时光纤长度，C_T＝dn₀/dT/n₀为折射率温度系数，约为1.0×10^-5/℃，a_T＝dL₀/dT/L_T0为热膨胀系数，约为5.0×10⁷/℃[3]。若两个模式的有效折射率分别为n₁和n₂，有效折射率差Δn＝n₁-n₂，

$\mathrm{\Δn}\left(T\right)=[C_T(T-T_0)+1]{{\mathrm{\Δn}}_T}_0,---\left(3\right)$

为初始温度时的有效折射率差。两个模式之间的相位差可表示为

其中k＝2π/λ，λ为真空中光的波长。当温度T变化时，有效折射率差Δn和光纤长度L也随之改变，对（4）进行微分，可得两模式之间相位差的变化

由于 $\mathrm{\Δn}\left(T\right)\≈{{\mathrm{\Δn}}_T}_0,$ $L\left(T\right)\≈{L_T}_0,$ （5）式可简化为

令 $\mathrm{\β}=(a_T+C_T){{\mathrm{\Δn}}_T}_0{L_T}_0,$ 则(6)式可进一步简化为

因为（7）式中κ和β均为常数，故可表示为如下差分形式

其中为相对相位差，ΔT为温差。

以基模为参考，第i阶高阶模式的横向电场矢量和相对基模的相位差分别记为Ei(x,y)和以i=0表示基模，即如果多模光纤中共有高阶模N个，那么在输出端横截面S区域内检测到的光功率可以表示为下式。

如果S区域为整个横截面，式（9）右侧第二项积分因模式的正交性而为零，检测到的总光功率不变；

式（9）取一阶近似，可得到如下简单形式，

由式（10）可知，如果利用单模光纤检测多模光纤横截面部分区域，检测到的光功率P将与模式之间的相位差有关。由式（8）知道，模式之间的相位差与温度变化成正比，因此，利用SMS光纤结构检测光功率，对光功率幅值进行Hilbert变换，可以获取对应的相位变化，从而得到对应的温度变化。

通过实验对该温度传感器进行定标，获得该温度传感器相位差和温度差之间的定标系数kβ=2.5347。

图3为该温度测量***图，***集成箱201，包含电源、激光器202、PIN管206、数据采集卡207、信号处理器208；基本工作过程是，激光器202输出光经第一单模光纤203耦合到多模光纤204，再耦合进第二单模光纤205；加热板304对水槽305中的水进行加温，使得置于水槽中的光纤206温度也随之发生变化，导致输入光功率发生变化；PIN管206将第二单模光纤205的输出光信号转换为电信号，数据采集卡207将模拟电信号转换为数字电信号，传输到信号处理208对信号进行处理，最终获得温度变化量。

图4为线性升温过程中光功率信号的电压值随时间的变化曲线；在该实验实施过程中，加热板304对水槽305中的水进行缓慢加温，使得光纤温度随之线性上升。该曲线表征随着温度的上升，输出光功率有规律性的波动。

图5为线性升温过程中光纤测量的温差随时间变化曲线；实验实施过程与图3一致。将图3中的光功率值进行希尔伯特变换，从而得到相对相位差随时间的变化曲线，再将相对相位差除以定标系数2.5347，最终得到温差随时间变化的曲线，该曲线表明该光纤温度传感器对测试环境温度的缓慢变化有良好稳定的反应。

图6为线性降温过程中光功率信号的电压值随时间的变化曲线；在该实验实施过程中，水槽305中的水在初始时刻处于高温，在室温下光纤温度随之线性缓慢下降。该曲线表征随着温度的下降，输出光功率有规律性的波动。

图7为线性降温过程中光纤测量的温差随时间变化曲线；实验实施过程与图5一致。将图5中的光功率值进行希尔伯特变换，从而得到相对相位差随时间的变化曲线，再将相对相位差除以定标系数2.5347，最终得到温差随时间变化的曲线。

图8为快速升温过程中光功率信号的电压值随时间的变化曲线；在该实验实施过程中，水槽305中的水在初始时刻处于高温，将光纤轻放进水槽中，使得光纤温度从室温快速上升到热水温度。该曲线表征随着温度的下降，输出光功率有规律性的波动。

图9为快速升温过程中光纤测量的温差随时间变化曲线；实验实施过程与图7一致。将图7中的光功率值进行希尔伯特变换，从而得到相对相位差随时间的变化曲线，再将相对相位差除以定标系数2.5347，最终得到温差随时间变化的曲线，该曲线表明该光纤温度传感器对测试环境温度快速上升有良好快速的反应。

通过大量的实验表明，该光纤温度传感器在环境温度为20℃到90℃之间变化时，精度达到了5%以内。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和***的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种基于单模-多模-单模光纤模间干涉温度测量装置，其特征在于，包括激光器、SMS光纤、PIN管、数据采集卡以及信号处理器，所述SMS光纤由第一单模光纤、多模光纤和第二单模光纤级联而成，所述激光器输出连接SMS光纤的一端的第一单模光纤，第二单模光纤与PIN管输入连接，PIN管输出与数据采集卡输入连接，数据采集卡输出连接信号处理器，所述信号处理器利用SMS光纤输出光功率携带模间相对相位变化信息，获得温度测量值；

所述信号处理器利用模间相对相位值与温差ΔT的正比关系，获得温度测量值；

对SMS光纤输出光信号做Hilbert变换得到模间相对相位变化信息，最终得到温度变化信息；

当多模光纤所处环境温度发生变化时，由于热光效应和热胀冷缩，纤芯折射率和光纤长度均发生变化，温度T时模式有效折射率n和光纤长度的变化可用下式表示：

n＝n₀+(dn₀/dT)(T-T₀)＝[C_T(T-T₀)+1]n₀，     (1)

$L=L_{T0}+({\mathrm{dL}}_0/\mathrm{dT})(T-T_0)=[a_T(T-T_0)+1]L_{T_0},---\left(2\right)$

其中n₀为某一模式在T₀温度时的有效折射率，为初始温度T₀时光纤长度，C_T＝dn₀/dT/n₀为折射率温度系数，a_T＝dL₀/dT/L_T0为热膨胀系数，[3]；两个模式的有效折射率分别为n₁和n₂，有效折射率差Δn＝n₁-n₂，

$\mathrm{\Δn}\left(T\right)=[C_T(T-T_0)+1]{\mathrm{\Δn}}_{T_0},---\left(3\right)$

为初始温度时的有效折射率差；两个模式之间的相位差表示为

其中k＝2π/λ，λ为真空中光的波长；当温度T变化时，有效折射率差Δn和光纤长度L也随之改变，对(4)进行微分，可得两模式之间相位差的变化

由于 $\mathrm{\Δn}\left(T\right)\≈{\mathrm{\Δn}}_{T_0},L\left(T\right)\≈L_{T_0},$ (5)式简化为

令则(6)式进一步简化为

(7)式中κ和β均为常数，故表示为如下差分形式

其中为相对相位差，ΔT为温差；

以基模为参考，第i阶高阶模式的横向电场矢量和相对基模的相位差分别记为Ei(x,y)和以i＝0表示基模，即如果多模光纤中共有高阶模N个，那么在输出端横截面S区域内检测到的光功率可以表示为下式；

如果S区域为整个横截面，式(9)右侧第二项积分因模式的正交性而为零，检测到的总光功率不变；

式(9)取一阶近似，得到如下简单形式，

根据式(10)，利用单模光纤检测多模光纤横截面部分区域，检测到的光功率P将与模式之间的相位差有关；根据式(8)，模式之间的相位差与温度变化成正比，利用SMS光纤结构检测光功率，对光功率幅值进行Hilbert变换，获取对应的相位变化，从而得到对应的温度变化。

2.根据权利要求1所述基于单模-多模-单模光纤模间干涉温度测量装置，其特征在于，所述SMS光纤由G.652标准单模光纤和50/125阶跃型多模光纤构成。

3.根据权利要求1所述基于单模-多模-单模光纤模间干涉温度测量装置，其特征在于，所述模间相对相位值与温差ΔT有如下关系：其中常数κβ通过定标获得。