CN105910727A - 一种含错位光纤利用光纤光栅滤波结构拍频测温的方法 - Google Patents

一种含错位光纤利用光纤光栅滤波结构拍频测温的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105910727A
CN105910727A CN201610137688.7A CN201610137688A CN105910727A CN 105910727 A CN105910727 A CN 105910727A CN 201610137688 A CN201610137688 A CN 201610137688A CN 105910727 A CN105910727 A CN 105910727A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fiber
optical fiber
dislocation
beat frequency
beat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201610137688.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105910727B (zh
Inventor
王芳
杨琳琳
王旭
于坤
郭彩霞
刘玉芳
李蕾
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Henan Normal University
Original Assignee
Henan Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Henan Normal University filed Critical Henan Normal University
Priority to CN201610137688.7A priority Critical patent/CN105910727B/zh
Publication of CN105910727A publication Critical patent/CN105910727A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105910727B publication Critical patent/CN105910727B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

本发明公开了一种含错位光纤利用光纤光栅滤波结构拍频测温的方法,其中光纤光栅、掺饵光纤、错位光纤和环形器组成光纤谐振腔,980nm泵浦光源经过980/1550nm波分复用器进入光纤谐振腔,光纤谐振腔中设有非线性增益的掺铒光纤,当泵浦频率达到阈值,光在光纤谐振腔中被激发出正交模式的偏振光,在光纤光栅处进行混频,在频谱分析仪上看到激光拍频信号,最终得到拍频信号与环境温度的对应关系并依据该拍频信号与环境温度的对应关系实现待测环境温度的测量。本发明测量过程简化,方便迅速,有效克服了传统温度测量方法中存在的繁琐流程。

Description

一种含错位光纤利用光纤光栅滤波结构拍频测温的方法
技术领域
本发明属于错位光纤测温技术领域,具体涉及一种含错位光纤利用光纤光栅滤波结构拍频测温的方法。
背景技术
光拍频技术作为相干检测技术的一种十分重要的手段,自1955年发现以来尤其是1960年激光出现以来得到迅速的发展。它对工业技术发展及科学研究起着非常重要的作用。在民用方面,光拍频在现代光学测量技术中有着重要的应用,它是一种检测微小频率差的特别灵敏和比较简单的方法。在军事方面,利用光拍频技术对多普勒测速雷达进行干扰的技术已成为现代电子战争中非常关键的技术。光拍频技术作为相干检测的重要手段进入测试技术领域以来,已从工业测试发展到大长度无导轨测量及小尺寸的超高精度测量,以及一些物理量的测量。它的优点及潜力吸引着许多研究人员进行开发性研究。目前基于拍频理论的光纤传感器的研究已取得多项研究成果,但也存在许多亟待解决的问题。比如,现有的利用光拍频理论测温的结构普遍对光源、光纤的性能要求严格、光路复杂,需考虑很多因素等,又由于干涉的复杂性,传感器探测到的信号很微弱,温度分辨率不高,稳定性差,所有这些导致成本增加且对温度传感***的研究没有保障。
发明内容
本发明为解决基于光拍频理论对光纤温度传感***研究的稳定性差、温度分辨率低和成本高等问题而提供了一种含错位光纤利用光纤光栅滤波结构拍频测温的方法,该方法通过分析、研究光纤光栅滤波结构下错位光纤在不同温度下输出波长不同进而影响相应输出激光拍频频率来实现环境温度的测量。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案,一种含错位光纤利用光纤光栅滤波结构拍频测温的方法,其特征在于主要由980nm泵浦光源、980/1550nm波分复用器、光纤光栅、掺铒光纤、错位光纤、环形器、光电探测器和频谱分析仪构成错位光纤测温***,其中沿光线传输方向依次设有通过光纤相连的980nm泵浦光源、980/1550nm波分复用器、光纤光栅、掺铒光纤、错位光纤和环形器,频谱分析仪和光电探测器依次通过光纤与980/1550nm波分复用器相连,具体测温过程为:光纤光栅、掺铒光纤、错位光纤和环形器组成光纤谐振腔,980nm泵浦光源经过980/1550nm波分复用器进入光纤谐振腔,光纤谐振腔中设有非线性增益的掺铒光纤,当泵浦频率达到阈值,光在光纤谐振腔中被激发出正交模式的偏振光,在光纤光栅处进行混频,在频谱分析仪上看到激光拍频信号,首先错位 光纤在室温环境中,980nm泵浦光源经过光纤谐振腔输出拍频信号,记录、存储此时的实验数据,经数字信号处理器进行处理,并通过理论计算值进行校正,作为参考值,然后让错位光纤处于不同于室温的环境中,经频谱分析仪观察拍频信号的变化,并记录、存储不同温度环境下的拍频信号,最终得到拍频信号与环境温度的对应关系并依据该拍频信号与环境温度的对应关系实现待测环境温度的测量。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
(1)利用激光拍频理论,光信号在光纤谐振腔中多次循环放大溢出,通过频谱分析仪记录、测量数据并利用数字信号处理模块对数据进行快速处理,同时可进行计算校准,提高了测量精度;
(2)本发明利用光纤环形器代替反射镜,避免了由反射镜带来的光信号损耗对光纤谐振腔的影响;
(3)错位光纤对环境温度改变灵敏度高,***结构简单、体积小巧,可以实现对不同环境温度的精确测量;
(4)测量过程简化,方便迅速,有效克服了传统温度测量方法中存在的繁琐流程。
附图说明
1是本发明错位光纤测温***的光路原理
图中:1、980nm泵浦光源,2、980/1550nm波分复用器,3、光纤光栅,4、掺铒光纤,5、错位光纤,6、环形器,7、光电探测器,8、频谱分析仪,9、光纤。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明,但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例,凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
(1)错位光纤测温***
由980nm泵浦光源1,980/1550nm波分复用器2、光纤光栅3、掺铒光纤4、错位光纤5、环形器6、光电探测器7和频谱分析仪8构成错位光纤测温***,其中沿光线传输方向依次设有通过光纤9相连的980nm泵浦光源1、980/1550nm波分复用器2、光纤光栅3、掺铒光纤4、错位光纤5和环形器6,频谱分析仪8和光电探测器7依次通过光纤9与980/1550nm波分复用器2相连。
(2)环境温度的测量
光纤光栅、掺铒光纤、错位光纤和环形器组成一个光纤谐振腔,980nm泵浦光源通过980/1550nm波分复用器进入光纤谐振腔,光纤谐振腔中设有非线性增益的掺铒光纤,当泵 浦频率达到阈值,光在光纤谐振腔中被激发出正交模式的偏振光,在光纤光栅处进行混频,在频谱分析仪上可以清楚的看到激光拍频信号。首先错位光纤在室温环境中,980nm泵浦光源经过光纤谐振腔输出拍频信号,记录、存储此时的实验数据,经数字信号处理器进行处理,并通过理论计算值进行校正,作为参考值,然后让错位光纤处于不同于室温的环境中,经频谱分析仪观察拍频信号的变化,并记录、存储不同温度环境下的拍频信号,测温***结构如图 1所示。
(3)数据采集和处理
观察频谱分析仪显示的拍频信号的同时,对输出的拍频信号经数字信号处理器进行数据采集、存储并处理,利用同一段错位光纤,改变其周围环境温度得到不同的拍频信号曲线,记录拍频信号与被测环境温度的对应关系并依据该拍频信号与被测环境温度的对应关系实现待测环境温度的测量。
光通过光纤光栅、掺铒光纤、错位光纤和环形器组成一个光纤激光谐振腔,光在其中包含两个正交的偏振态,假设为x-偏振模和y-偏振膜,两个偏振态都将满足谐振条件,可以表示为:
2 k x 0 , y 0 L = 2 M π - - - ( 1 )
其中L为腔长,M为一个整数表示谐振模数,是每个偏振态的传播常数。将 带入公式(1),谐振条件可以写成:
2 π c f x 0 , y 0 ( n x , y · L ) = 2 M π - - - ( 2 )
其中c为光在真空中的传播速度,为每个偏振模式的激光频率,nx y是光纤x-偏振模和y-偏振膜的有效折射率。nx y·L项为每个偏振模式的光程。光纤激光器产生拍频信号,其频率大小为由公式(2),拍频可以表示为:
f = B n 0 f a v e - - - ( 3 )
其中B=nx-ny是正交偏振模式的折射率差,fave为平均激光频率,n0为平均有效折射率, 为平均激光频率。将fave=v/λ带入公式(3),激光谐振腔激发出来的正交模式偏振光拍频可以写为:
f = B n 0 · v λ - - - ( 4 )
其中,v表示光在光纤谐振腔中的传播速度,n0为光纤的有效模式折射率,λ为光纤谐振腔激发出来的光的波长。
保持激光谐振腔中其他元器件周围温度不变,改变错位光纤周围温度,由于错位光纤干涉信号波长发生改变,因此谐振腔激发出来的激光波长也发生相应改变,即从频谱仪上观察到拍频信号的间隔发生改变。
光束未通过错位光纤时沿着纤芯传输,当光信号通过错位熔接处时开始分解,其一部分光信号进入包层形成包层模,另一部分光信号进入纤芯形成纤芯模,光信号在光纤中传输一段距离后,包层模和纤芯模再次耦合进入同一根光纤中,两种模式光束在纤芯发生干涉。
我们假设I1和I2为单模中纤芯模的光强和包层主要模的光强,则干涉信号强度可以表示为:
其中是光纤的相差,Δneff是有效折射率差,L是错位光纤有效干涉区域长度,λ是工作波长。当相差满足干涉条件(m是整数)时,相应的波长变化可以表示为:
λ m = 2 Δn e f f L 2 m + 1 - - - ( 6 )
根据公式(6)可知,在两个干涉最小值之间的自由光谱范围可以近似表示为:
F S R = Δλ m = λ 2 Δn m e f f L - - - ( 7 )
公式(7)表明,自由光谱范围与有效折射率和错位光纤有效长度有关,波长最低点的变化可以表示为:
Δλ m = λ m ( 1 Δn e f f m ∂ δΔn m e f f ∂ T + 1 L ∂ Δ L ∂ T ) Δ T = λ m ( α + ϵ ) Δ T - - - ( 8 )
其中α为热膨胀系数,ε为热光系数。
综上所述,当温度变化作用于错位光纤时,拍频信号的变化量可以表示为:
Δ f f = [ 1 B d B d T - ( α + 2 ϵ ) ] Δ T - - - ( 9 )
其中,ΔT是错位光纤周围的温度变化量。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点,本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明原理的范围下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (1)

1.一种含错位光纤利用光纤光栅滤波结构拍频测温的方法,其特征在于主要由980nm泵浦光源、980/1550nm波分复用器、光纤光栅、掺饵光纤、错位光纤、环形器、光电探测器和频谱分析仪构成错位光纤测温***,其中沿光线传输方向依次设有通过光纤相连的980nm泵浦光源、980/1550nm波分复用器、光纤光栅、掺饵光纤、错位光纤和环形器,频谱分析仪和光电探测器依次通过光纤与980/1550nm波分复用器相连,具体测温过程为:光纤光栅、掺饵光纤、错位光纤和环形器组成光纤谐振腔,980nm泵浦光源经过980/1550nm波分复用器进入光纤谐振腔,光纤谐振腔中设有非线性增益的掺铒光纤,当泵浦频率达到阈值,光在光纤谐振腔中被激发出正交模式的偏振光,在光纤光栅处进行混频,在频谱分析仪上看到激光拍频信号,首先错位光纤在室温环境中,980nm泵浦光源经过光纤谐振腔输出拍频信号,记录、存储此时的实验数据,经数字信号处理器进行处理,并通过理论计算值进行校正,作为参考值,然后让错位光纤处于不同于室温的环境中,经频谱分析仪观察拍频信号的变化,并记录、存储不同温度环境下的拍频信号,最终得到拍频信号与环境温度的对应关系并依据该拍频信号与环境温度的对应关系实现待测环境温度的测量。
CN201610137688.7A 2016-03-09 2016-03-09 一种含错位光纤利用光纤光栅滤波结构拍频测温的方法 Expired - Fee Related CN105910727B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610137688.7A CN105910727B (zh) 2016-03-09 2016-03-09 一种含错位光纤利用光纤光栅滤波结构拍频测温的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610137688.7A CN105910727B (zh) 2016-03-09 2016-03-09 一种含错位光纤利用光纤光栅滤波结构拍频测温的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105910727A true CN105910727A (zh) 2016-08-31
CN105910727B CN105910727B (zh) 2018-11-16

Family

ID=56744571

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610137688.7A Expired - Fee Related CN105910727B (zh) 2016-03-09 2016-03-09 一种含错位光纤利用光纤光栅滤波结构拍频测温的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105910727B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107505063A (zh) * 2017-07-13 2017-12-22 北京航空航天大学 一种基于高频正弦校准光的激光光线偏折校正装置及方法
CN113483912A (zh) * 2021-07-05 2021-10-08 江南大学 一种基于光纤拍频技术的生物温度检测***及方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009006000A2 (en) * 2007-07-03 2009-01-08 Schlumberger Canada Limited Distributed sensing in an optical fiber using brillouin scattering
CN101572375A (zh) * 2009-04-30 2009-11-04 天津理工大学 利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置
WO2013185938A1 (en) * 2012-06-13 2013-12-19 Omnisens Sa Sensing systems and methods for distributed brillouin sensing
CN105092085A (zh) * 2015-09-01 2015-11-25 河南师范大学 基于带校正的双耦合结构单模错位光纤测量温度的方法
CN204944516U (zh) * 2015-05-14 2016-01-06 河南师范大学 一种基于光纤光栅的测量装置
CN204963883U (zh) * 2015-08-25 2016-01-13 河南师范大学 一种利用啁啾光纤光栅实现激光拍频的测量装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009006000A2 (en) * 2007-07-03 2009-01-08 Schlumberger Canada Limited Distributed sensing in an optical fiber using brillouin scattering
CN101572375A (zh) * 2009-04-30 2009-11-04 天津理工大学 利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置
WO2013185938A1 (en) * 2012-06-13 2013-12-19 Omnisens Sa Sensing systems and methods for distributed brillouin sensing
CN204944516U (zh) * 2015-05-14 2016-01-06 河南师范大学 一种基于光纤光栅的测量装置
CN204963883U (zh) * 2015-08-25 2016-01-13 河南师范大学 一种利用啁啾光纤光栅实现激光拍频的测量装置
CN105092085A (zh) * 2015-09-01 2015-11-25 河南师范大学 基于带校正的双耦合结构单模错位光纤测量温度的方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107505063A (zh) * 2017-07-13 2017-12-22 北京航空航天大学 一种基于高频正弦校准光的激光光线偏折校正装置及方法
CN107505063B (zh) * 2017-07-13 2019-07-12 北京航空航天大学 一种基于高频正弦校准光的激光光线偏折校正装置及方法
CN113483912A (zh) * 2021-07-05 2021-10-08 江南大学 一种基于光纤拍频技术的生物温度检测***及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105910727B (zh) 2018-11-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Shi et al. Humidity sensor based on Fabry–Perot interferometer and intracavity sensing of fiber laser
CN109709070B (zh) 利用复合光纤光栅传感器的折射率和温度双参量测量方法
Shao et al. High-resolution refractive index sensing with dual-wavelength fiber laser
CN111024258B (zh) 一种碱金属气室内部热分布与热稳定测量装置
CN105092085A (zh) 基于带校正的双耦合结构单模错位光纤测量温度的方法
CN104634369B (zh) 一种环形激光器传感器
CN105910727A (zh) 一种含错位光纤利用光纤光栅滤波结构拍频测温的方法
WO2016127321A1 (zh) 一种环形激光器传感器
CN102914418B (zh) 一种光纤Shupe常数测试装置及其方法
Vengsarkar et al. Fiber optic sensor for simultaneous measurement of strain and temperature
Zeltner et al. Crystalline MgF2 whispering gallery mode resonators for enhanced bulk index sensitivity
CN110411959A (zh) 用于海水盐度和温度同时测量的低探测极限内腔传感器
JP5608025B2 (ja) ガス濃度測定方法及びガス濃度測定装置
CN104019760A (zh) 布拉格光纤光栅应变传感器的灵敏度增强解调方法及装置
CN106052594A (zh) 一种含磁光光纤利用光纤光栅激光拍频测量旋光角的方法
Iho et al. Characterization of modal coupling of Bragg gratings in large-mode-area fibers
Christensen et al. Compact, fiber-based, fast-light enhanced optical gyroscope
Tarjányi et al. Investigation of group birefringence of polarisation maintaining highly birefringent optical fiber
US11815404B2 (en) High accuracy frequency measurement of a photonic device using a light output scanning system and a reference wavelength cell
US11422320B1 (en) Stabilization system based on properties of polarization maintaining fibers
Ahmed et al. Transitioning from resistance devices to photonic devices for temperature measurements
CN202710208U (zh) 光子晶体光纤折射率温度传感器及测量***
Wang et al. Michelson interferometer composite cavity fiber laser sensor with radio frequency interrogation
Fourneau et al. Online optical refractive index measurement in research reactor core
Tentori et al. Birefringence evaluation of erbium-doped optical fibers

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Liu Yufang

Inventor after: Wang Fang

Inventor after: Yang Linlin

Inventor after: Wang Xu

Inventor after: Yu Kun

Inventor after: Guo Caixia

Inventor after: Li Lei

Inventor before: Wang Fang

Inventor before: Yang Linlin

Inventor before: Wang Xu

Inventor before: Yu Kun

Inventor before: Guo Caixia

Inventor before: Liu Yufang

Inventor before: Li Lei

CB03 Change of inventor or designer information
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20181116

Termination date: 20200309

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee