实现光纤温度传感器解调系统

1.本实用新型涉及光纤温度传感器技术领域，尤其是实现光纤温度传感器解调系统。


背景技术：

2.布拉格光纤光栅(fiberbragg gratings，fbg)传感器通过解调光纤光栅中心波长受诸如温度、压力、位移等外界因素引起的偏移量的大小来推测温度、压力等大小。相对电类传感器，布拉格光纤光栅传感器具有体积小、重量轻、插入损耗低、绝缘性好等优点，对于埋入式材料可方便地实现准分布式测量，在建筑施工、航天航空、市政管廊等方面具有广泛应用，而解调技术是光纤光栅传感器的一个关键技术。
3.传统的光纤光栅温度传感器解调系统是基于扫描波长来实现，波长受温度影响的偏移量的测定精度和速度一直是难点，主要的方法有边缘滤波法、马赫森德干涉仪法和可调谐滤波法等，这些方法都用到了光谱仪或者光功率计。使用光功率计或者光谱仪，可以直接观测光谱或光功率整体随温度变化的特性，但是无法直接解调出温度值大小，波长偏移量未能实时进行与温度的解调，无法显示当前温度加之其价格昂贵笨重，系统较大，因此不适于实际应用环境。


技术实现要素：

4.本实用新型提出实现光纤温度传感器解调系统，具有结构简单、直观、易携带、实用性强等优点。
5.本实用新型采用以下技术方案。
6.实现光纤温度传感器解调系统，所述传感器解调系统包括用于光纤测温的传感器；所述传感器输出信号为光信号，还包括用于对传感器光信号解码的光信号解码模块；所述光信号解码模块包括光电转换器件和贮有电温转换公式的解码器；所述光电转换器件把传感器光信号转换为电信号并送至解码器；所述解码器根据电信号以电温转换公式计算出对应的测量温度值。
7.所述传感器包括三端环形器3
‑
circulator；所述三端环形器3
‑
circulator 内部光路的光传输路径上依次设有第一端口、第二端口和第三端口，第一端口与宽带光源ase的输出端相通，第二端口与布拉格啁啾光纤光栅fbga相连、第三端口与布拉格啁啾光纤光栅fbgb相连；
8.所述布拉格啁啾光纤光栅fbga设于预设温度的参照环境中，所述布拉格啁啾光纤光栅fbgb设于传感器的传感头处；
9.所述布拉格啁啾光纤光栅fbga、布拉格啁啾光纤光栅fbgb的中心波长、带宽和满足反射的啁啾条件相同。
10.当进行检测时，所述布拉格啁啾光纤光栅fbga作为参考端；宽带光源ase 输入的光先经三端环形器3
‑
circulator内部光路送至第二端口，然后被布拉格啁啾光纤光栅fbga
反射至第三端口；
11.当布拉格啁啾光纤光栅fbgb的温度与参照环境的预设温度相同时，经第三端口入射布拉格啁啾光纤光栅fbgb的光被全部反射；
12.当布拉格啁啾光纤光栅fbgb的温度与参照环境的预设温度不同时，fbgb 的中心波长发生偏移，经第三端口入射的光在布拉格啁啾光纤光栅fbgb处产生透射光，该透射光为传感器输出的光信号。
13.所述传感器输出的光信号的透射谱即是布拉格啁啾光纤光栅fbgb的反射谱和布拉格啁啾光纤光栅fbga的反射谱的重叠谱。
14.所述布拉格啁啾光纤光栅fbga的一端与三端环形器3
‑
circulator的第二端口相连，另一端悬置并以光纤帽套住。
15.所述光电转换器件为光接收子模块rosa，所述光接收子模块rosa内部集成光电二极管pin管和跨阻放大器tia，光电二极管pin管将传感器输出的光信号转化为电流输出至跨阻放大器，跨阻放大器用于将光电二极管pin管输出的电流转化为电压信号并以差分信号方式输出。
16.所述光电二极管pin管输出的电流ir来自pin管的1:1镜像；光电二极管 pin管电流输出端的串接点vr串接有电阻r；所述串接点vr与解码器的adc 输入通道pc1口相连。
17.所述解码器为集成adc模块、显示屏的处理器mcu；所述adc模块接收光电转换器件输出的电压信号并送至处理器mcu；所述处理器mcu根据电压信号以电温转换公式计算出对应的测量温度值在显示屏处显示，当本系统用于测量光纤在不同光功率下的温度时，处理器mcu以测量温度值根据预设的光温转换公式计算得出当前光纤的光功率值，并把计算结果在显示屏处显示。
18.所述宽带光源ase产生中心波长范围为1540nm
‑
1560nm、功率20mw的光源。
19.所述方法使用以上所述的实现光纤温度传感器解调系统；所述方法为通过测量两路性能一致的光纤光栅反射谱的重叠谱光功率来实现对温度变化的监测，包括以下步骤；
20.步骤a1、以一路布拉格啁啾光纤光栅fbga作为基准，另一路布拉格啁啾光纤光栅fbgb作为测温的传感头；
21.步骤a2、宽带光源ase出来的光通过三端环形器反射给布拉格啁啾光纤光栅fbgb，当fbgb温度不受外界影响时，fbgb会把fbga的反射光再全部反射回来，而当fbgb在测温时温度产生变化后，fbgb中心波长发生偏移，偏移的光会透过fbgb出射；
22.步骤a3、根据功率谱密度公式可推知该解调系统中光纤光栅的光谱功率为
23.其中p
t
是透射谱光功率，p
i
是光源ase的总功率，a1是三端环形口的损耗因子， b
t
是fbgb透射谱的半高宽，b
i
是ase的半高宽；
24.在忽略传输损耗的前提下，fbga反射谱经fbgb后全部反射回去，b
t
接近为0，透射功率接近为0；当温度变化时，假设fbgb中心波长偏移量为δλ
b
，则该波长偏移量对应的光功率变化量为，
25.其中为常数；
26.如上可知，本系统中fbgb透射光功率与波长偏移量呈线性关系；
27.所述光纤光栅的反射中心波长为λ＝2neffλ，其中neff表示纤芯折射率，λ表示光栅周期。当光纤光栅受环境影响而使其温度变化时，波长的变化量为
28.δλ＝2n
eff
δλ+2δn
eff
λ
ꢀꢀ
公式二；
29.所述光纤光栅中，温度的变化会引起光纤光栅的热光效应和热膨胀效应，分别使得光纤光栅的纤芯折射率和光栅周期发生变化，从而引起波长偏移；
30.在忽略压力因素时，光纤光栅纤芯折射率受热效应变化引起的偏移量为δn
eff
＝α
·
n
eff
·
δt，光栅周期受热膨胀变化引起的偏移量为δλ＝ξ
·
λ
·
δt，其中α和ξ为光纤热效应系数和光纤热膨胀系数，δn
eff
、δλ和δt分别为纤芯折射率、光栅周期和温度的变化量，由此可得，波长受温度影响的偏移量δλ为，
[0031][0032]
其中为常量；
[0033]
由此可知，本系统的光纤光栅中，光功率与波长偏移量呈线性关系；当忽略压力影响时，中心波长偏移量δλ和光栅光纤温度变化量δt呈线性关系；因此，透射光功率与光栅光纤温度变化量δt呈线性关系；
[0034]
步骤a4、以上述方法所得结论，结合光纤光栅中心波长对温度的敏感特性，则可通过测量fbgb的透射光功率在温度变化时的变化情况，可拟合出能以光温转换公式表述的光功率
‑
温度特性曲线，再根据光功率值即能推知温度值大小；
[0035]
步骤a5、fbgb的透射光作为传感头的输出信号供给光信号解码模块后，光信号解码模块利用光接收子模块rosa将光功率进行光电转换、电流电压转换后，由adc采集转换后的信号，并由mcu计算并显示温度值、光功率大小。
[0036]
相较于现有技术的光纤光栅温度传感器解调系统，本实用新型具有以下有益效果：
[0037]
1、本实用新型通过测量两路性能一致的光纤光栅反射谱的重叠谱光功率来实现对温度变化的监测，该方法避免昂贵的光谱仪等的使用，系统成本较低、功耗较低；采用光接收子模块rosa将光功率进行光电转换、iv转换后由adc 采集并实时显示温度值、光功率，系统实用性强。
[0038]
2、虽然使用光功率计或者光谱仪可以直接测量光功率或者光谱的温度特性，但是无法直接观测温度值，而本实用新型所述方案既实现信号解调功能又实现了信号的解码功能，具有实时显示温度的功能，避免了外部光功率计或光谱仪在相关功能上的不足，具有结构简单、直观、易携带、实用性强等优点。
附图说明
[0039]
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步详细的说明：
[0040]
附图1是本实用新型的系统示意图；
[0041]
附图2是光接收子模块rosa的内部原理示意图；
[0042]
附图3是实施例中能以光温转换公式表述的光功率
‑
温度特性曲线示意图；
[0043]
附图4是实施例中的电流
‑
温度特性曲线示意图；
[0044]
附图5是实施例中能以电温转换公式表述的电压
‑
温度特性曲线示意图；
[0045]
图中：1－布拉格啁啾光纤光栅fbga；2－布拉格啁啾光纤光栅fbgb；3 －三端环形器3
‑
circulator；4－宽带光源ase；5－光电转换器件；6－解码器； 7－光电二极管pin管；8－跨阻放大器tia。
具体实施方式
[0046]
如图所示，实现光纤温度传感器解调系统，所述传感器解调系统包括用于光纤测温的传感器；所述传感器输出信号为光信号，还包括用于对传感器光信号解码的光信号解码模块；所述光信号解码模块包括光电转换器件5和贮有电温转换公式的解码器6；所述光电转换器件把传感器光信号转换为电信号并送至解码器；所述解码器根据电信号以电温转换公式计算出对应的测量温度值。
[0047]
所述传感器包括三端环形器3
‑
circulator 3；所述三端环形器3
‑
circulator 内部光路的光传输路径上依次设有第一端口、第二端口和第三端口，第一端口与宽带光源ase4的输出端相通，第二端口与布拉格啁啾光纤光栅fbga1相连、第三端口与布拉格啁啾光纤光栅fbgb2相连；
[0048]
所述布拉格啁啾光纤光栅fbga设于预设温度的参照环境中，所述布拉格啁啾光纤光栅fbgb设于传感器的传感头处；
[0049]
所述布拉格啁啾光纤光栅fbga、布拉格啁啾光纤光栅fbgb的中心波长、带宽和满足反射的啁啾条件相同。
[0050]
当进行检测时，所述布拉格啁啾光纤光栅fbga作为参考端；宽带光源ase 输入的光先经三端环形器3
‑
circulator内部光路送至第二端口，然后被布拉格啁啾光纤光栅fbga反射至第三端口；
[0051]
当布拉格啁啾光纤光栅fbgb的温度与参照环境的预设温度相同时，经第三端口入射布拉格啁啾光纤光栅fbgb的光被全部反射；
[0052]
当布拉格啁啾光纤光栅fbgb的温度与参照环境的预设温度不同时，fbgb 的中心波长发生偏移，经第三端口入射的光在布拉格啁啾光纤光栅fbgb处产生透射光，该透射光为传感器输出的光信号。
[0053]
所述传感器输出的光信号的透射谱即是布拉格啁啾光纤光栅fbgb的反射谱和布拉格啁啾光纤光栅fbga的反射谱的重叠谱。
[0054]
所述布拉格啁啾光纤光栅fbga的一端与三端环形器3
‑
circulator的第二端口相连，另一端悬置并以光纤帽套住。
[0055]
所述光电转换器件为光接收子模块rosa，所述光接收子模块rosa内部集成光电二极管pin管7和跨阻放大器tia8，光电二极管pin管将传感器输出的光信号转化为电流输出
至跨阻放大器，跨阻放大器用于将光电二极管pin管输出的电流转化为电压信号并以差分信号方式输出。
[0056]
所述光电二极管pin管输出的电流ir来自pin管的1:1镜像；光电二极管 pin管电流输出端的串接点vr串接有电阻r；所述串接点vr与解码器的adc 输入通道pc1口相连。
[0057]
所述解码器为集成adc模块、显示屏的处理器mcu；所述adc模块接收光电转换器件输出的电压信号并送至处理器mcu；所述处理器mcu根据电压信号以电温转换公式计算出对应的测量温度值在显示屏处显示，当本系统用于测量光纤在不同光功率下的温度时，处理器mcu以测量温度值根据预设的光温转换公式计算得出当前光纤的光功率值，并把计算结果在显示屏处显示。
[0058]
所述宽带光源ase产生中心波长范围为1540nm
‑
1560nm、功率20mw的光源。
[0059]
所述方法使用以上所述的实现光纤温度传感器解调系统；所述方法为通过测量两路性能一致的光纤光栅反射谱的重叠谱光功率来实现对温度变化的监测，包括以下步骤；
[0060]
步骤a1、以一路布拉格啁啾光纤光栅fbga作为基准，另一路布拉格啁啾光纤光栅fbgb作为测温的传感头；
[0061]
步骤a2、宽带光源ase出来的光通过三端环形器反射给布拉格啁啾光纤光栅fbgb，当fbgb温度不受外界影响时，fbgb会把fbga的反射光再全部反射回来，而当fbgb在测温时温度产生变化后，fbgb中心波长发生偏移，偏移的光会透过fbgb出射；
[0062]
步骤a3、根据功率谱密度公式可推知该解调系统中光纤光栅的光谱功率为
[0063][0064]
其中p
t
是透射谱光功率，p
i
是光源ase的总功率，a1是三端环形口的损耗因子， b
t
是fbgb透射谱的半高宽，b
i
是ase的半高宽；
[0065]
在忽略传输损耗的前提下，fbga反射谱经fbgb后全部反射回去，b
t
接近为0，透射功率接近为0；当温度变化时，假设fbgb中心波长偏移量为δλ
b
，则该波长偏移量对应的光功率变化量为，其中为常数；
[0066]
如上可知，本系统中fbgb透射光功率与波长偏移量呈线性关系；
[0067]
所述光纤光栅的反射中心波长为λ＝2neffλ，其中neff表示纤芯折射率，λ表示光栅周期。当光纤光栅受环境影响而使其温度变化时，波长的变化量为
[0068]
δλ＝2n
eff
δλ+2δn
eff
λ
ꢀꢀ
公式二；
[0069]
所述光纤光栅中，温度的变化会引起光纤光栅的热光效应和热膨胀效应，分别使得光纤光栅的纤芯折射率和光栅周期发生变化，从而引起波长偏移；
[0070]
在忽略压力因素时，光纤光栅纤芯折射率受热效应变化引起的偏移量为δn
eff
＝α
·
n
eff
·
δt，光栅周期受热膨胀变化引起的偏移量为δλ＝ξ
·
λ
·
δt，其中α和ξ为光纤热效应系数和光纤热膨胀系数，δn
eff
、δλ和δt分别为纤芯折射率、光栅周期和温度的变化量，由此可得，波长受温度影响的偏移量δλ为，
[0071][0072]
其中为常量；
[0073]
由此可知，本系统的光纤光栅中，光功率与波长偏移量呈线性关系；当忽略压力影响时，中心波长偏移量δλ和光栅光纤温度变化量δt呈线性关系；因此，透射光功率与光栅光纤温度变化量δt呈线性关系；
[0074]
步骤a4、以上述方法所得结论，结合光纤光栅中心波长对温度的敏感特性，则可通过测量fbgb的透射光功率在温度变化时的变化情况，可拟合出能以光温转换公式表述的光功率
‑
温度特性曲线，再根据光功率值即能推知温度值大小；
[0075]
步骤a5、fbgb的透射光作为传感头的输出信号供给光信号解码模块后，光信号解码模块利用光接收子模块rosa将光功率进行光电转换、电流电压转换后，由adc采集转换后的信号，并由mcu计算并显示温度值、光功率大小。
[0076]
优选地，在本例中，也可采用具有电温转换数据、光温转换数据的标定数据集来检索得出相关的测量温度及光功率。
[0077]
本例中，fbgb受到温度影响时，fbgb的中心波长会发生偏移(长波或者短波方向)，造成部分光反射回来，部分光透射，而透射的部分是由温度变化造成的，因此透射光功率的大小表征了温度变化的大小；该透射谱即是fbgb的反射谱和fbga的反射谱的重叠谱。
[0078]
实施例：
[0079]
在拟合光功率
‑
温度特性曲线、电流
‑
温度特性曲线来设定解码器的内置公式及标定数据集时，可引入光功率计、温度计、加热台进行数据收集实验。
[0080]
实验中，温度从20℃～100℃，步长为5℃，每次等温度计、加热台和电压都稳定后开始记录，每次采集100个数据取平均值，再由origin拟合曲线。
[0081]
附图3中的光功率特性曲线，曲线为y＝0.07242x+45.503，拟合线性度为 0.92335。
[0082]
附图4中的为光电流温度特性曲线，拟合线性度为0.9868，曲线为 y＝0.04449x+43.938。
[0083]
附图5为电压
‑
温度曲线，为y＝0.00222x+2.09675，拟合线性度约为0.97。
[0084]
从以上曲线的拟合度对比，解调后的光功率、光电流与采集电压与温度基本呈线性变化，测试结果验证了本实用新型在理论上的正确性。
[0085]
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的实现光纤光栅温度传感器解调系统及方法，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。