CN110823411A - 基于光谱傅里叶变换解调的高精度光纤温度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光谱傅里叶变换解调的高精度光纤温度测量装置及方法，该测量装置包括宽谱光源、第一光纤耦合器、光纤温度测量模块、偏振控制器、第二光纤耦合器、长周期光纤光栅、光谱分析仪、计算机，光纤温度测量模块包括输入单模光纤、输出单模光纤、熔接在输入单模光纤、输出单模光纤之间的熊猫保偏光纤、管式加热炉以及温度控制器，所述熊猫保偏光纤被放置于管式加热炉内内，管式加热炉内的温度由温度控制器控制。本发明实现了对温度信号的高精度、大动态范围、准确可靠的探测效果。

Description

基于光谱傅里叶变换解调的高精度光纤温度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤温度传感技术领域，具体涉及一种基于光谱傅里叶变换解调的高精度光纤温度测量装置及方法。

背景技术

准确的光纤温度测量在工业生产和人民生活中的很多方面都具有广泛应用，具有十分重要的意义。

近年来，作为最普遍的传感器之一，光纤温度传感器被广泛应用于医疗、工业、航空等领域。当前被研究较多的光纤温度传感器为光栅型、特种光纤、微结构、干涉型等等。它们的解调方式大体可以归结为波长式解调、强度式解调、相位式解调。波长式解调方法通常需要复杂的相位掩膜刻写技术；强度式解调方法往往受到光源抖动的影响从而降低测量精度；相位式解调方法又会因干扰相移而影响到测量精度和传感范围。因此，如何获得高精度、大动态范围且稳定可靠对外界干扰不敏感的光纤温度传感器是目前的一大技术难题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明通过提供一种基于光谱傅里叶变换解调的高精度光纤温度测量装置及方法，实现了对温度信号的高精度、大动态范围、准确可靠的探测效果。

一种基于光谱傅里叶变换解调的高精度光纤温度测量装置，包括宽谱光源、第一光纤耦合器、光纤温度测量模块、偏振控制器、第二光纤耦合器、长周期光纤光栅、光谱分析仪、计算机，所述宽谱光源连接至第一光纤耦合器的输入端口，第一光纤耦合器的上下两个输出端口分别通过光纤温度测量模块、偏振控制器连接至第二光纤耦合器的两个输入端口，第二光纤耦合器的输出端口通过长周期光纤光栅连接至光谱分析仪，光谱分析仪输出的光谱数据传输至计算机进行数据处理；所述光纤温度测量模块包括输入单模光纤、熊猫保偏光纤、输出单模光纤、管式加热炉以及温度控制器，输入单模光纤的一端与第一光纤耦合器的其中一个输出端口连接，输入单模光纤的另一端与熊猫保偏光纤的一端熔接，熊猫保偏光纤的另一端与输出单模光纤的一端连接，输出单模光纤的另一端与第二光纤耦合器的一个输入端口连接，所述熊猫保偏光纤被放置于管式加热炉内内，管式加热炉内的温度由温度控制器控制。

进一步的，所述第一光纤耦合器、第二光纤耦合器均为1×2光纤耦合器，分光比均为50:50。

进一步的，所述长周期光纤光栅为透射式滤波器件。

进一步的，所述马赫泽德臂长差为3～6mm，熊猫保偏光纤双折射为6×10-4左右，熊猫保偏光纤长度为4～12cm。

一种基于光谱傅里叶变换解调的高精度光纤温度测量方法，其特征在于：采用权上述测量装置进行，所述测量方法包括：

步骤一、使用温度控制器数字控制管式加热炉内的温度变化，熊猫保偏光纤受到热膨胀效应和热光效应的影响，其内部双折射发生改变，从而引起输出的包络光谱发生漂移；

步骤二、通过监测包络光谱在某一小段范围内FFT变换后的频谱幅值变化信息，解调得到温度变化的信息，利用电脑软件画图形成示幅值-温度变化曲线，即形成光纤温度传感器的标准刻度线，外界温度的变化对应FFT幅值信息；

步骤三、将检测所得FFT幅值与光纤温度传感器的标准刻度线对应，即可获得FFT幅值所对应的外界温度值。

本发明至少具有如下技术效果或优点：

本发明通过的光路结构在普通光纤马赫泽德干涉仪的传感臂中嵌入一段熊猫保偏光纤形成复合干涉仪结构，复合干涉仪的光谱输出由两部分组成：马赫泽德臂长差引起的精细光谱和保偏光纤双折射引起的包络光谱，外界温度变化会引起保偏光纤双折射的变化从而导致包络光谱发生漂移，通过监测包络光谱在某一小段范围内傅里叶变换后的频谱幅值信息可以解调得到温度变化的信息，这种光纤温度测量方法新颖奇妙，传感精度被大大提高，动态范围大；此外，本发明的传感干涉仪结构对光源功率抖动、光谱仪波长漂移、参考臂相移等干扰因素不敏感，探测更加准确可靠。

附图说明

图1是本发明基于光谱傅里叶变换解调的高精度光纤温度测量装置其中一个实施例的结构示意图；

图2是本发明中光纤温度测量模块的内部结构示意图；

图3是从光谱分析仪输出光谱的指定一段波长范围内通过计算机采取傅里叶变换FFT计算获得的不同温度情况下的频谱图；

图4是根据不同温度下的频谱幅值基本呈线性变化、频率值基本保持不变绘制的幅值-温度变化曲线。

图中：1-宽谱光源，2-第一光纤耦合器，3-光纤温度测量模块，4-偏振控制器，5-第二光纤耦合器，6-长周期光纤光栅，7-光谱分析仪，8-计算机，9-输入单模光纤，10-熊猫保偏光纤，11-输出单模光纤，12-管式加热炉，13-温度控制器。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参见图1，本发明基于光谱傅里叶变换解调的高精度光纤温度测量装置其中一个实施例，包括宽谱光源1、第一光纤耦合器2、光纤温度测量模块3、偏振控制器4、第二光纤耦合器5、长周期光纤光栅、光谱分析仪7、计算机8。

所述宽谱光源1连接至第一光纤耦合器2的输入端口，第一光纤耦合器2的上下两个输出端口分别通过光纤温度测量模块3、偏振控制器4连接至第二光纤耦合器5的两个输入端口，第二光纤耦合器5的输出端口通过长周期光纤光栅6连接至光谱分析仪7，光谱分析仪7用于监测输出光谱，光谱分析仪7输出的光谱数据传输至计算机7进行数据处理。

请一并参见图1，所述光纤温度测量模块3包括输入单模光纤9、熊猫保偏光纤10、输出单模光纤11、管式加热炉12以及温度控制器13，输入单模光纤9的一端与第一光纤耦合器2的其中一个输出端口连接，输入单模光纤9的另一端与熊猫保偏光纤10的一端熔接，熊猫保偏光纤10的另一端与输出单模光纤11的一端连接，输出单模光纤11的另一端与第二光纤耦合器5的一个输入端口连接。所述熊猫保偏光纤10被放置于管式加热炉内12内，管式加热炉12内的温度由温度控制器13控制。

其中所述第一光纤耦合器2、第二光纤耦合器5均为1×2光纤耦合器，分光比均为50:50左右；所述偏振控制器4用于控制干涉仪的偏振态以保持较好的干涉对比度；所述长周期光纤光栅6为透射式滤波器件，用于分辨对比度变化级数以扩展测量范围。

所述马赫泽德臂长差(即光纤温度测量模块3和偏振控制器4所在两根光纤的长度差)为3～6mm，熊猫保偏光纤10双折射为6×10-4左右，保偏光纤长度为4～12cm。

所述光纤温度测量模块3能够直接感测光纤周围的温度信息。光纤温度测量模块3的工作原理在于：温度控制器13用于数字控制管式加热炉12内的温度变化，由于管式加热炉12内熊猫保偏光纤10受到热膨胀效应和热光效应的影响，其内部双折射将发生改变，这会引起复合干涉仪光谱的相对强度变化，通过监测FFT(快速傅立叶变换)变换的幅值变化将会解调得到温度变化信息。

本发明的光路结构为在普通光纤马赫泽德干涉仪的传感臂中嵌入一段熊猫保偏光纤10形成复合干涉仪结构。复合干涉仪的光谱输出由两部分组成：马赫泽德臂长差引起的精细光谱和保偏光纤双折射引起的包络光谱。外界温度变化会引起保偏光纤双折射的变化从而导致包络光谱发生漂移，通过监测包络光谱在某一小段范围内傅里叶变换后的频谱幅值变化信息可以解调得到温度变化的信息，大致效果如图3和图4所示。

图3为从光谱分析仪7输出光谱的指定一段波长范围内通过计算机8采取傅里叶变换FFT计算获得的不同温度情况下的频谱图，可见不同温度下的频谱幅值基本呈线性变化，频率值基本保持不变。根据这种变化规律可以利用电脑软件画图形成如图4所示幅值-温度变化曲线，即等同于刻画了光纤温度传感器的标准刻度线，这样外界温度的变化就对应了FFT幅值信息，在进行温度测量时，通过将检测所得FFT幅值与光纤温度传感器的标准刻度线对应，即可获得FFT幅值所对应的外界温度值，就可以采用本发明的光纤温度传感器来探测外界温度信息。

本发明实施例还提供一种基于光谱傅里叶变换解调的高精度光纤温度测量方法，起采用上述测量装置进行，所述测量方法包括：

步骤一、使用温度控制器13数字控制管式加热炉12内的温度变化，熊猫保偏光纤10受到热膨胀效应和热光效应的影响，其内部双折射发生改变，从而引起输出的包络光谱发生漂移；

步骤二、通过监测包络光谱在某一小段范围内FFT变换后的频谱幅值变化信息，解调得到温度变化的信息，利用电脑软件画图形成示幅值-温度变化曲线，即形成光纤温度传感器的标准刻度线，外界温度的变化对应FFT幅值信息；

步骤三、将检测所得FFT幅值与光纤温度传感器的标准刻度线对应，即可获得FFT幅值所对应的外界温度值。

本发明设计的光纤温度测量方法新颖奇妙，相对传统光谱漂移解调方法受到光谱仪分辨率限制，由于强度幅值分辨率更高的原因最终的传感精度会被大大提高，同时又由于测量范围摆脱了光谱偏移方法中自由光谱范围的约束，动态范围也会增大；此外，本发明的核心在于复合干涉仪光谱的相对强度变化，因此传感干涉仪结构对光源绝对功率抖动、光谱仪波长漂移、参考臂相移等干扰因素不敏感，探测将会更加准确可靠。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于光谱傅里叶变换解调的高精度光纤温度测量装置，其特征在于：包括宽谱光源(1)、第一光纤耦合器(2)、光纤温度测量模块(3)、偏振控制器(4)、第二光纤耦合器(5)、长周期光纤光栅(6)、光谱分析仪(7)、计算机(8)，所述宽谱光源(1)连接至第一光纤耦合器(2)的输入端口，第一光纤耦合器(2)的上下两个输出端口分别通过光纤温度测量模块(3)、偏振控制器(4)连接至第二光纤耦合器(5)的两个输入端口，第二光纤耦合器(5)的输出端口通过长周期光纤光栅(6)连接至光谱分析仪(7)，光谱分析仪(7)输出的光谱数据传输至计算机(7)进行数据处理；所述光纤温度测量模块(3)包括输入单模光纤(9)、熊猫保偏光纤(10)、输出单模光纤(11)、管式加热炉(12)以及温度控制器(13)，输入单模光纤(9)的一端与第一光纤耦合器(2)的其中一个输出端口连接，输入单模光纤(9)的另一端与熊猫保偏光纤(10)的一端熔接，熊猫保偏光纤(10)的另一端与输出单模光纤(11)的一端连接，输出单模光纤(11)的另一端与第二光纤耦合器(5)的一个输入端口连接，所述熊猫保偏光纤(10)被放置于管式加热炉内(12)内，管式加热炉(12)内的温度由温度控制器(13)控制。

2.如权利要求1所述的基于光谱傅里叶变换解调的高精度光纤温度测量装置，其特征在于：所述第一光纤耦合器(2)、第二光纤耦合器(5)均为1×2光纤耦合器，分光比均为50:50。

3.如权利要求1所述的基于光谱傅里叶变换解调的高精度光纤温度测量装置，其特征在于：所述长周期光纤光栅(6)为透射式滤波器件。

4.如权利要求1所述的基于光谱傅里叶变换解调的高精度光纤温度测量装置，其特征在于：所述马赫泽德臂长差为3～6mm，熊猫保偏光纤(10)双折射为6×10-4左右，熊猫保偏光纤(10)长度为4～12cm。

5.一种基于光谱傅里叶变换解调的高精度光纤温度测量方法，其特征在于：采用权利要求1-4中任一项所述测量装置进行，所述测量方法包括：

步骤一、使用温度控制器(13)数字控制管式加热炉(12)内的温度变化，熊猫保偏光纤(10)受到热膨胀效应和热光效应的影响，其内部双折射发生改变，从而引起输出的包络光谱发生漂移；

步骤二、通过监测包络光谱在某一小段范围内FFT变换后的频谱幅值变化信息，解调得到温度变化的信息，利用电脑软件画图形成示幅值-温度变化曲线，即形成光纤温度传感器的标准刻度线，外界温度的变化对应FFT幅值信息；

步骤三、将检测所得FFT幅值与光纤温度传感器的标准刻度线对应，即可获得FFT幅值所对应的外界温度值。

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