CN110296766A - 一种基于倾斜面间隙光纤结构的水下温度测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于倾斜面间隙光纤结构的水下温度测量装置及方法，所述装置包括网状固定套、入射光纤和输出光纤；所述入射光纤和输出光纤相对固定于所述网状固定套内，所述入射光纤和输出光纤的光轴位于同一直线上；网状固定套中，所述入射光纤和输出光纤相对的端面对称倾斜，中间形成倾斜面间隙，水经网状固定套进入所述间隙。本发明基于倾斜面间隙光纤结构，用光纤做为敏感器件，并根据光纤中传输的光强的变化表征温度的变化。因为光纤为石英材质，性能稳定，在水中也可以正常传输光信号，所以不需要做防水处理。其次，光纤尺寸较小，在管道中使用光纤温度传感器，不需要担心传感器对水流速的影响。并且，光纤传感器直接铺设在管道内部，与待测水直接接触，提高了测量精度。
Description
技术领域
本发明属于水下温度测量技术领域，具体涉及一种基于倾斜面间隙光纤结构的水下温度测量装置及方法。
背景技术
水下温度测量传统上采用水电阻电极的方法，但受到水流、水压等因素的影响，测量的水温信号的误差较大。随着水下机器人或深海探测等新兴应用的出现，对能准确且稳定的采集水下温度信号成为了一些领域急切的需要。
光纤温度传感器用光纤做为敏感器件，并根据光纤中传输的光强的变化表征温度的变化。因为光纤为石英材质，性能稳定，在水中也可以正常传输光信号，所以不需要做防水处理。其次，光纤尺寸较小，在管道中使用光纤温度传感器，不需要担心传感器对水流速的影响。并且，光纤传感器直接铺设在管道内部，与待测水直接接触，提高了测量精度。
发明内容
本发明提出一种基于倾斜面间隙光纤结构的水下温度测量装置及方法，以倾斜端面间隙的光纤结构作为温度传感器件，光在光纤中传输时，经空气间隙时，空气隙中的水温变化改变传输光的光强，根据光强变化检测水温变化。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于倾斜面间隙光纤结构的水下温度测量装置，包括网状固定套、入射光纤和输出光纤；
所述入射光纤和输出光纤相对固定于所述网状固定套内，所述入射光纤和输出光纤的光轴位于同一直线上；
网状固定套中，所述入射光纤和输出光纤相对的端面对称倾斜，中间形成倾斜面间隙，水经所述网状固定套进入所述间隙。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的一种基于倾斜面间隙光纤结构的水下温度测量装置的温度测量方法，包括以下步骤：
光源向所述倾斜面间隙水下光纤温度测量装置发射光信号；
测量所述倾斜面间隙水下光纤温度测量装置中输出光纤的输出光功率；
根据输出光功率计算间隙中水的折射率；
由计算所得水的折射率查表获得水温。
上述的光源采用半导体激光器，发射红外宽带光信号。
上述的输出光纤的输出光功率包括入射光纤纤芯光轴上一半的光功率进入输出光纤纤芯的光功率和入射光纤纤芯光轴下一半的光功率进入输出光纤的光功率。
上述的入射光纤纤芯光轴上一半的光功率与进入输出光纤纤芯的光功率比例系数为m＝k(h/a)2，k为耦合系数，h为入射光纤折射点到光轴的垂直距离，a为纤芯半径；所述耦合系数k根据实验得到。
上述的入射光纤纤芯光轴下一半的光功率全部进入输出光纤。
本发明具有以下有益效果：
本发明装置适合于水下温度的测量，不仅尺寸小，质量轻，而且石英材料对水压不敏感，测量误差很小。
附图说明
图1是本发明的一种基于倾斜面间隙光纤结构的水下温度测量装置结构示意图；
图2是本发明实施例中光在倾斜面间隙中的光路示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
如图1所示，本发明的一种基于倾斜面间隙光纤结构的水下温度测量装置，包括网状固定套、入射光纤和输出光纤；
所述入射光纤和输出光纤相对固定于所述网状固定套内，所述入射光纤和输出光纤的光轴位于同一直线上；
网状固定套中，所述入射光纤和输出光纤相对的端面对称倾斜，中间形成倾斜面间隙，水经所述网状固定套进入所述间隙。
一种基于倾斜面间隙光纤结构的水下温度测量装置的温度测量方法，包括以下步骤：
步骤1：光源向所述倾斜面间隙水下光纤温度测量装置发射光信号；
实施例中，所述光源采用半导体激光器，发射红外宽带光信号。
步骤2：测量所述倾斜面间隙水下光纤温度测量装置中输出光纤的输出光功率；
带一定倾角的光纤端面，纤芯中的光水平入射时其菲涅耳反射几乎全部会进入光纤包层中，引起较大的损耗，所以这种光纤端面的结构无法检测后向传输的菲涅耳反射光。但由于倾斜角的原因，其正向传输光的***损耗与倾角角度、间隙的折射率等因素有关，可以通过***损耗与折射率的关系测量出水温的变化。
如图2所示，没有间隙时入射光纤水平传输的光可以全部进入输出光纤(不考虑菲涅耳反射)，但当端面有一个倾角α时，只有一部分光可以进入输出光纤纤芯传输，另一部分的光会进入输出光纤的包层损耗掉，有多少比例的光可以进入输出光纤则与空气隙折射率n0有关。
设从A点到光轴的光经折射可以进入输出光纤，A点到光轴的垂直距离为h。根据折射定理，n1sinθ＝n0sinθ0，θ+α＝90°，则θ0＝arcsin(n1cosα/n0)，在△ABC中：
∠BAC＝θ0-θ＝θ0-90°-α；
AC＝(a-h)ctgα+L；
AC·tg(θ0-θ)＝a-h；
(a-h)tg(θ0-90°-α)+L＝a-h；
L＝(a-h)[tg(θ0-90°-α)-1]。
所述入射光纤纤芯光轴上一半的光功率与进入输出光纤纤芯的光功率比例系数为m＝k(h/a)2，k为耦合系数，h为入射光纤折射点到光轴的垂直距离，a为纤芯半径；所述耦合系数k根据实验得到。
则入射光纤纤芯光轴上一半的光功率与进入输出光纤纤芯的光功率：
式中纤芯半径a，倾角α，空气隙间距L，纤芯折射率n1，入射光总光强P为已知量。
对于光轴下一半的光功率，由于倾角角度，所以可以全部进入输出光纤，则最后输出光纤总的光功率为：Po＝P1+P/2。
步骤3：根据输出光功率计算间隙中水的折射率；
步骤4：由计算所得水的折射率查表获得水温：间隙中的水的折射率n0随水温的变化发生改变，所以输出光功率也就随水温发生改变，从而检测水温的变化。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于倾斜面间隙光纤结构的水下温度测量装置，其特征在于：包括网状固定套、入射光纤和输出光纤；
所述入射光纤和输出光纤相对固定于所述网状固定套内，所述入射光纤和输出光纤的光轴位于同一直线上；
网状固定套中，所述入射光纤和输出光纤相对的端面对称倾斜，中间形成倾斜面间隙，水经网状固定套进入所述间隙。
2.根据权利要求1所述的一种基于倾斜面间隙光纤结构的水下温度测量装置的温度测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
光源向所述倾斜面间隙水下光纤温度测量装置发射光信号；
测量所述倾斜面间隙水下光纤温度测量装置中输出光纤的输出光功率；
根据输出光功率计算间隙中水的折射率；
由计算所得水的折射率查表获得水温。
3.根据权利要求2所述的一种基于倾斜面间隙光纤结构的水下温度测量装置的温度测量方法，其特征在于：所述光源采用半导体激光器，发射红外宽带光信号。
4.根据权利要求2所述的一种基于倾斜面间隙光纤结构的水下温度测量装置的温度测量方法，其特征在于：所述输出光纤的输出光功率包括入射光纤纤芯光轴上一半的光功率进入输出光纤纤芯的光功率和入射光纤纤芯光轴下一半的光功率进入输出光纤的光功率。
5.根据权利要求2所述的一种基于倾斜面间隙光纤结构的水下温度测量装置的温度测量方法，其特征在于：所述入射光纤纤芯光轴上一半的光功率与进入输出光纤纤芯的光功率比例系数为m＝k(h/a)2，k为耦合系数，h为入射光纤折射点到光轴的垂直距离，a为纤芯半径；所述耦合系数k根据实验得到。
6.根据权利要求2所述的一种基于倾斜面间隙光纤结构的水下温度测量装置的温度测量方法，其特征在于：所述入射光纤纤芯光轴下一半的光功率全部进入输出光纤。
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