CN107806944B - 一种基于Sagnac干涉和环形腔衰荡光谱技术的温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Sagnac干涉和环形腔衰荡光谱技术的温度传感器，沿光路方向依次包括：DFB光纤激光器、偏振器、电光调制器、隔离器、衰荡环路、光电探测器；所述衰荡环路沿光路方向依次包括：第一耦合器、第二耦合器、Sagnac干涉环、环形器、滤波器、EDFA放大器、第三耦合器；经过所述电光调制器产生的脉冲光经所述隔离器后，由所述第一耦合器的1％的输入端进入所述衰荡环路，所述脉冲光在环形腔内每循环一周，部分能量由所述第三耦合器的1％端输出，所述光电探测器将其转化为电压信号，由示波器显示。基于Sagnac干涉和环形腔衰荡光谱技术的温度传感器灵敏度提高几十倍。

Description

一种基于Sagnac干涉和环形腔衰荡光谱技术的温度传感器

技术领域

本发明涉及一种示波器探测温度传感器，特别涉及一种基于Sagnac干涉和环形腔衰荡光谱技术的温度传感器。

背景技术

目前基于光纤光栅的温度传感器灵敏度太低，仅为约10pm/℃，基于长周期光栅的温度传感器灵敏度相对较高，但存在对弯曲和外部材料交叉敏感的问题，基于光纤马赫-曾德干涉仪或光纤迈克尔逊干涉仪的温度传感器对外界振动交叉敏感，尽管相比于以上温度传感器，基于单个Sagnac环干涉的温度传感器具有更强的抗外界干扰的能力，但是通常情况下其灵敏度仅有约1nm/℃。因此，研制一种灵敏度较高的光纤传感器成为本领域迫切解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前光纤传感器灵敏度不高的技术问题，开发了一种基于Sagnac干涉和环形腔衰荡光谱技术的温度传感器。

具体的，本发明涉及一种基于Sagnac干涉和环形腔衰荡光谱技术的温度传感器，沿光路方向依次包括：DFB光纤激光器、偏振器、电光调制器、隔离器、衰荡环路、光电探测器；所述DFB光纤激光器、偏振器、电光调制器、隔离器、衰荡环路、光电探测器通过单模光纤连接；

所述衰荡环路沿光路方向依次包括：第一耦合器、第二耦合器、Sagnac干涉环、环形器、滤波器、EDFA放大器、第三耦合器；所述第一耦合器、第二耦合器、Sagnac干涉环、环形器、滤波器、EDFA放大器、第三耦合器通过单模光纤连接；

经过所述电光调制器产生的脉冲光经所述隔离器后，由所述第一耦合器的1％的输入端进入所述衰荡环路，所述脉冲光在环形腔内每循环一周，部分能量由所述第三耦合器的1％端输出，所述光电探测器将其转化为电压信号，由示波器显示。

进一步的，所述Sagnac环内包含一段长度为0.1-2米的双孔光纤，所述双孔光纤两端与所述单模光纤熔接；所述双孔光纤包含纤芯和两个相对于所述纤芯对称分布的空气孔，两个所述空气孔内填充酒精。

进一步的，所述双孔光纤的直径与单模光纤均为110-140微米，所述双孔光纤的两个空气孔的直径均为10-30微米，两孔间隔40-60微米。

进一步的，所述双孔光纤的长度为1米，直径与单模光纤均为125微米，所述双孔光纤的两个空气孔的直径均为20微米，两孔间隔50微米。

进一步的，Sagnac环干涉的透射谱可表示为:

其中，I_sagnac为Sagnac环干涉谱光强,B和L分别为双孔光纤的双折射系数和长度，λ为入射光波长，其自由光谱范围FSR_Sagnac可表示为

FSR_Sagnac＝λ²/BL (2)

当双孔光纤温度变化ΔT时，Sagnac环就会产生频移，频移量Δλ_Sagnac为

其中，ΔB为温度变化ΔT时双孔光纤的双折射系数的变化量；

当DFB激光器的波长λ位于Sagnac环透射谱的边带上时，通过Sagnac 环的信号光的强度变化ΔI随Sagnac环透射谱频移Δλ_Sagnac的变化关系为

ΔI＝k·Δλ_Sagnac (4)

式中，ΔI为信号光强度，k为Sagnac环透射谱的边带斜率；

将(3)式带入(4)式得：

所述光电探测器将信号光强转化为电压信号，其电压变化量与温度变化的关系为

式中，ΔV为电压变化量，α为光电探测器的转化效率；

通过检测光电探测器的输出电压的变化即可获得温度的变化。

本发明的有益效果：本发明提出了一种基于Sagnac干涉和环形腔衰荡光谱技术的温度传感器，将窄带DFB激光器的波长置于Sagnac环干涉谱的边带上，采用强度解调的方式即可实现温度信号的解调。经过改进的光纤温度传感器，温度测量灵敏度可提高1-2个数量级。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例温度传感器的结构原理示意图；

图2为本发明实施例双孔光纤截面图；

图3为本发明实施例边带解调原理示意图；

图4为本发明实施脉冲衰荡信号图。

具体实施方式

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进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

如图1所示，具体的，本发明涉及一种基于Sagnac干涉和环形腔衰荡光谱技术的温度传感器，沿光路方向依次包括：DFB光纤激光器、偏振器、电光调制器、隔离器、衰荡环路、光电探测器；所述DFB光纤激光器、偏振器、电光调制器、隔离器、衰荡环路、光电探测器通过单模光纤连接；

所述衰荡环路沿光路方向依次包括：第一耦合器、第二耦合器、Sagnac干涉环、环形器、滤波器、EDFA放大器、第三耦合器；所述第一耦合器、第二耦合器、Sagnac干涉环、环形器、滤波器、EDFA放大器、第三耦合器通过单模光纤连接；

经过所述电光调制器产生的脉冲光经所述隔离器后，由所述第一耦合器的1％的输入端进入所述衰荡环路，所述脉冲光在环形腔内每循环一周，部分能量由所述第三耦合器的1％端输出，所述光电探测器将其转化为电压信号，由示波器显示。

如图2所示，其中，所述Sagnac环内包含一段长度为0.1-2米的双孔光纤，所述双孔光纤两端与所述单模光纤熔接；所述双孔光纤包含纤芯和两个相对于所述纤芯对称分布的空气孔，两个所述空气孔内填充酒精，也可以填充煤油等其他热敏感液体，通过敏感性液体材料对周围温度的变化，引起光 纤折射率的变化，进而使得Sagnac环的自由光谱范围发生变化，入射光发生干涉，最终反映到整体传感器的自由光谱范围的放大变化信号，通过示波器进行检测。

其中，所述双孔光纤的直径与单模光纤均为110-140微米，所述双孔光纤的两个空气孔的直径均为10-30微米，两孔间隔40-60微米，所述尺寸为根据上述公式推导出来的能够精准测量温度变化的较佳尺寸，也通过实验模拟具有优良的可检测性，能够获得最优的温度检测精度。

其中，所述双孔光纤的长度为1米，直径与单模光纤均为125微米，所述双孔光纤的两个空气孔的直径均为20微米，两孔间隔50微米，所述尺寸为根据上述公式推导出来的能够精准测量温度变化的较佳尺寸，也通过实验模拟具有优良的可检测性，能够获得最优的温度检测精度。

进一步的，Sagnac环干涉的透射谱可表示为:

其中，I_sagnac为Sagnac环干涉谱光强,B和L分别为双孔光纤的双折射系数和长度，λ为入射光波长，其自由光谱范围FSR_Sagnac可表示为

FSR_Sagnac＝λ²/BL (2)

当双孔光纤温度变化ΔT时，Sagnac环就会产生频移，频移量Δλ_Sagnac为

其中，ΔB为温度变化ΔT时双孔光纤的双折射系数的变化量；

当DFB激光器的波长λ位于Sagnac环透射谱的边带上时，通过Sagnac环的信号光的强度变化ΔI随Sagnac环透射谱频移Δλ_Sagnac的变化关系为

ΔI＝k·Δλ_Sagnac (4)

式中，ΔI为信号光强度，k为Sagnac环透射谱的边带斜率；如图3所示。

将(3)式带入(4)式得：

所述光电探测器将信号光强转化为电压信号，其电压变化量与温度变化的关系为

式中，ΔV为电压变化量，α为光电探测器的转化效率；

通过检测光电探测器的输出电压的变化即可获得温度的变化。

进一步的光纤环形腔衰荡光谱技术原理：

如图4所示，ASE光源发出的连续光被电光调制器调制后变为脉冲信号光，脉冲信号光进入环形衰荡腔内并在其内循环多次，直至损耗消失。每次的循环中，只有一小部分脉冲信号光通过耦合器3的1％端输出，并被光电探测器探测，其余部分继续在环形腔中衰荡损耗。被光电探测器探测到的脉冲信号光随时间呈现指数衰减变化，可以用下式表示：

式中，I表示在t时刻的光强(也即从第二耦合器第二输出端输出的光强)，L，c，n和δ分别表示该环形衰荡腔腔的光纤的总长度，光在光纤中的传播速度，光纤纤芯的折射率及光在环形腔内的总损耗。实时脉冲信号光强度I可以表示为：

I₀表示初始光强(也即脉冲光进入环形腔的初始光强)，t_r为光脉冲信号在环形腔中传输一圈所用的时间，当光电探测器检测到光强在环形腔内衰减到初始光强I₀的1/e时，衰荡光谱的衰荡时间τ与环形衰荡腔损耗(δ₀是环形衰荡腔的固定损耗值，δ_t是外界物理量作用下脉冲光信号在传感单元中产 生的损耗)之间的关系为：

对公式(8)两边进行微分可得：

当温度变化ΔT时，Sagnac环透射谱频移ΔλSagnac，导致信号光产生的损耗为

将公式(10)代入公式(9)得：

公式(11)表明：脉冲光在环形衰荡腔内的衰荡时间的变化量dτ随温度的变化而变化，通过测量脉冲光在环形衰荡腔内的衰荡时间即可获得温度变化。

脉冲信号光的脉宽和周期以及所述环形腔的长度被设置成：使所述脉冲信号光在所述环形腔内循环一周所需的时间t_r在所述脉冲信号光的脉宽的2-10倍范围内、且在所述脉冲信号光的周期的1/50-1/20范围内。

综上，本发明提出了一种基于Sagnac干涉和环形腔衰荡光谱技术的温度传感器，将窄带DFB激光器的波长置于Sagnac环干涉谱的边带上，采用强度解调的方式即可实现温度信号的解调。经过改进的光纤温度传感器，温度测量灵敏度可提高1-2个数量级。该结构对外界振动具有极高的抗干扰能力。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于Sagnac干涉和环形腔衰荡光谱技术的温度传感器，其特征在于，沿光路方向包括：DFB光纤激光器、偏振器、电光调制器、隔离器、衰荡环路、光电探测器；所述DFB光纤激光器、偏振器、电光调制器、隔离器、衰荡环路、光电探测器通过单模光纤连接；

所述衰荡环路沿光路方向包括：第一耦合器、第二耦合器、Sagnac环、环形器、滤波器、EDFA放大器、第三耦合器；所述第一耦合器、第二耦合器、Sagnac环、环形器、滤波器、EDFA放大器、第三耦合器通过单模光纤连接；

经过所述电光调制器产生的脉冲光经所述隔离器后，由所述第一耦合器的1％的输入端进入所述衰荡环路，所述脉冲光在环形腔内每循环一周，部分能量由所述第三耦合器的1％端输出，所述光电探测器将其转化为电压信号，由示波器显示。

2.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，

所述Sagnac环内包含一段长度为0.1-2米的双孔光纤，所述双孔光纤两端与所述单模光纤熔接；所述双孔光纤包含纤芯和两个相对于所述纤芯对称分布的空气孔，两个所述空气孔内填充酒精。

3.根据权利要求2所述的温度传感器，其特征在于，

所述双孔光纤与单模光纤的直径均为110-140微米，所述双孔光纤的两个空气孔的直径均为10-30微米，两孔间隔40-60微米。

4.根据权利要求3所述的温度传感器，其特征在于，

所述双孔光纤的长度为1米，其与单模光纤的直径均为125微米，所述双孔光纤的两个空气孔的直径均为20微米，两孔间隔50微米。

5.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，

Sagnac环干涉的透射谱可表示为:

其中，I_sagnac为Sagnac环干涉谱光强,B和L分别为双孔光纤的双折射系数和长度，λ为入射光波长，其自由光谱范围FSR_Sagnac可表示为

FSR_Sagnac＝λ²/BL (2)

当双孔光纤温度变化ΔT时，Sagnac环就会产生频移，频移量Δλ_Sagnac为

其中，ΔB为温度变化ΔT时双孔光纤的双折射系数的变化量；

当DFB激光器的波长λ位于Sagnac环透射谱的边带上时，通过Sagnac环的信号光的强度变化ΔI随Sagnac环透射谱频移Δλ_Sagnac的变化关系为

ΔI＝k·Δλ_Sagnac (4)

式中，ΔI为信号光强度，k为Sagnac环透射谱的边带斜率；

将(3)式带入(4)式得：

所述光电探测器将信号光强转化为电压信号，其电压变化量与温度变化的关系为

式中，ΔV为电压变化量，α为光电探测器的转化效率；

通过检测光电探测器的输出电压的变化即可获得温度的变化。