一种光腔衰荡技术的温度补偿传感装置的制作方法

本实用新型属于光纤传感技术领域，特别涉及一种光腔衰荡技术的温度补偿传感装置。

背景技术：

光腔衰荡光谱技术起源于上世纪六十年代。1961年，Jackson首次研究法布里-珀罗腔内介质的吸收。1974年，Kastler证实了光学腔透射出的激光束强度呈e的指数衰减形式。并且衰减时间常数与腔内的损耗有关。直到1988年，O’Keefe和Deacon在测量高反镜的反射率时，发现一系列的吸收谱峰，经解析为氧分子的禁阻跃迁谱线，意识到这种技术可用于光谱测量，并于1988年正式提出光腔衰荡光谱(cavityring-down spectroscopy，CRDS)一词，标志着光腔衰荡技术的诞生。在CRDS技术中，光耦合进包含待测气体的高精细度稳定谐振光腔中，通过测量腔内光腔的衰荡比率就能得到待测气体的浓度。在气体先行吸收范围内，腔内光强呈单指数衰减，衰荡比率不受入射光波动的影响，故CRDS技术有极高的测量灵敏度。随着光纤技术的发展，人们将腔衰荡光谱技术与光纤传感结束结合起来，在2001年之后，出现了各种结构的光纤衰荡腔并且在传感领域得到了成功的应用。

光纤环形腔衰荡光谱技术(FLRDS)是一种新颖而优越的灵敏吸收光谱技术，其使用光纤环路而不是高反射镜作为谐振腔，不仅具有一般光纤传感器的优点，而且具有独特的优势，如快速检测、实时响应、免受光源功率波形影像，减少对超高反镜的依赖等。因此，在化学、环境、食品安全和医疗应用等领域具有潜在的应用价值。然而，基于该技术的传感通常都会受到温度的交叉影响，使得测量不准确。2009年，瑞尔森大学的Sean Pu and Xijia Gu发表在OPTICS LETTERS的论文中，提出了一种具有长周期光栅腔的光纤环结衰荡光谱，该设计提供了一个相对较大的消失波吸收面积，同时保持了光纤环的很低损耗。该腔作为敏感的化学传感器的有效性也得到了证明。但是对化学量进行测量时，化学反应的热量会对测量的结果造成误差。2010年，西北工业大学的Daqing Tang等人发表在Optics and Lasers in Engineering的论文，结合基于FLRDS的压力传感器测量气压变化，灵敏度为0.384ms/MPa、最小可探测压力为0.20MPa。该传感器在0.10～4.90MPa的压力范围内，表现出良好的线性响应。但是该文中未考虑环境温度对气压灵敏度的影响，气压的测量结果不精确。2015年，Di Wu等人发表在IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS的论文，基于FLRDS技术采用拉锥光纤测量氯化钠溶液的折射率，实验结果表明氯化钠折射率的灵敏度为-388.581μs/RIU。然而，温度对氯化钠溶液折射率的影响达到了1.41×10^-4RIU/℃，很显然温度的影响会造成测量误差。2017年，波尔图大学的Susana Silva等人发表在Optics&Laser Technology的文章给出了基于多模干涉的光纤传感器在谐振腔折射率测量系统中的应用，在1.324-1.331的RI 范围内，折射率灵敏度为580μs/RIU，同时，该测量系统对温度敏感，温度灵敏度为-1.6×10- 9μs/℃，尽管该测量系统对温度的影响控制到很小，但还是没有完全消除。综上所述，基于光纤环形腔衰荡光谱技术(FLRDS)的传感系统具有结构简单、体积小，低损耗、抗电磁扰，耐高温、耐腐蚀等优点，但是该技术中存在温度交叉敏感现象，导致不能实现对待测量的精准测量，严重限制了该技术在一些领域的应用和发展。

技术实现要素：

为了克服上述光纤环形腔衰荡光谱技术(FLRDS)的传感系统中不能够同时剔除环境温度的影响、对待测物理量不能准确测量的问题。本实用新型提出了一种结构简单、稳定性好、能够及时消除温度交叉影响的一种光腔衰荡技术的温度补偿传感装置。

本实用新型为解决技术问题所采取的装置：

一种光腔衰荡技术的温度补偿传感装置包括：宽带光源、信号发生器、调制器、光隔离器、2×1光纤耦合器、传输光纤、温度补偿光纤光栅(FBG1)、传感光纤光栅(FBG2)、光电转换器、PC机以及示波器。

宽带光源通过光纤与调制器的光输入端口连接，调制器的电信号输入端口与信号发生器用电缆接连，调制器的光输出端与光隔离器连接。2×1耦合器一侧的两个端口分别与光隔离器的输出端和温度补偿光纤光栅(FBG1)的一端相连，温度补偿光纤光栅(FBG1)另一端与光电转换器光输入端口连接；光电转换器的电信号输出端和示波器相连，光电转换器的电流调节端与PC相连；2×1耦合器另一侧的一个端口与传输光纤连接，传输光纤的尾部连接传感光纤光栅(FBG2)，温度补偿光纤光栅(FBG1)和传感光纤光栅(FBG2)之间构成衰荡腔结构，传感光纤光栅(FBG2)作为传感区；光电转换器、PC和示波器作为传感器的解调器；监测不同待测量时光强的衰减变化曲线，实现待测量的测量。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型中普通光温度补偿光纤光栅(FBG1)始终用来监测环境温度的变化，消除检测过程中温度对待测量的影响，提高了传感器的准确度。

本实用新型利用温度补偿光纤光栅(FBG1)和传感光纤光栅(FBG2)之间形成衰荡腔结构，使得光在腔体内多次反射，增加光与传感光纤(FBG2)接触的频率。同时使得谐振波长的强度变化更敏感于待测量的变化，从而实现待测量的高灵敏度检测。

本实用新型可通过更换结构(如将光纤光栅更换成马赫-曾德尔干涉仪或长周期光栅)，实现不同量的检测。使用范围十分广泛。

本实用新型中光源强度改变对衰荡腔系统测量结果没有影响，只要光强在探测范围内即可。而且衰荡腔技术测量的是一个衰荡时间值，是一个相对值，不需要定标，不容易被背景光淹没。

附图说明

图1为本实用新型一种光腔衰荡技术的温度补偿传感装置的示意图。图2为未引入待测量时两个光纤光栅(FBG1、FBG2)的完全重合的光谱。图3为引入带测量时，两个光纤光栅(FBG1、FBG2)部分重合的光谱。

具体实施方式

下面结合附图对实用新型进一步描述。

如图1所示，一种光腔衰荡技术的温度补偿传感装置包括：宽带光源1、信号发生器2、调制器3、光隔离器4、2×1光纤耦合器5、传输光纤6、温度补偿光纤光栅(FBG1)8、传感光纤光栅(FBG2)7、光电转换器10、PC机9以及示波器11。宽带光源1通过光纤与调制器3的光输入端口连接，调制器3的电信号输入端口与信号发生器2用电缆接连，调制器3 的光输出端与光隔离器4连接；2×1光纤耦合器5中2_1、2_2端口分别跟光隔离器4的输出端和温度补偿光纤光栅(FBG1)8相连，温度补偿光纤光栅(FBG1)8输出端与光电转换器10光输入端口连接；光电转换器10的电信号输出端和示波器11相连，光电转换器10的电流调节端与PC9相连；2×1耦合器5的1_1端口与传输光纤6相连，传输光纤6的尾部连接传感光纤光栅(FBG2)7；宽带光源1、信号发生器2、调制器3组成时序脉冲光的发生区；隔离器4 保证光波单向传输；谐振腔由温度补偿光纤光栅(FBG1)8、传输光纤6及传感光纤光栅(FBG2)7 组成；光电转换器10、PC机9和示波器11组成信号解调部分。

本实用新型的工作方式为：宽带光源1的光波经过调制器3产生时序脉冲信号光，由光纤输入到光隔离器4，光隔离器4输出的光信号通过2×1耦合器5的2_1端口输入，从2×1耦合器5的1_1端口输出，2×1耦合器5的1_1端口输出的光信号通过传输光纤6传输到传感光纤光栅(FBG2)7，满足布拉格条件的光波被反射回传输光纤6，通过2×1耦合器 5的2_2端口传输到温度补偿光纤光栅(FBG1)8，此时满足温度补偿光栅布拉格条件的光波被反射回谐振腔中，不满足该谐振条件的光波由光电转换器10接受，将光信号转换成电信号，通过PC机9调节参数将信号放大，最终在示波器11上显示该波形。温度补偿光纤光栅(FBG1) 和传感光纤光栅(FBG2)有相同的物理参数。不论待测量是否施加在传感光纤光栅(FBG2)上，环境温度对温度补偿光纤光栅(FBG1)和传感光纤光栅(FBG2)的影响完全相同。当待测量没有施加到传感光纤光栅(FBG2)时，光纤光栅的中心波长只受环境温度的影响，此时FBG1和 FBG2的反射谱重合，如图2所示；温度补偿光纤光栅(FBG1)和传感光纤光栅(FBG2)形成的衰荡腔中等效反射率最大，腔内的损耗最小。当待测量施加到传感光纤光栅(FBG2)时，温度补偿光纤光栅(FBG1)和传感光纤光栅(FBG2)对环境温度的响应同步，但待测量引起传感光纤光栅(FBG2)的反射谱发生漂移(假设向右漂移)，如图3所示；导致温度补偿光纤光栅(FBG1) 和传感光纤光栅(FBG2)的反射谱不再重合，两个光纤光栅的反射谱重叠部分减少，衰荡腔的等效反射率相应地减小，腔内的损耗增加。不同待测量对应不同的损耗，衰荡时间也不同。衰荡腔内的损耗只与待测量有关，与温度无关，因此通过监测衰荡时间可以达到温度补偿目的，完成对待测量的精准测量。

该装置能够实现一种光腔衰荡技术的温度补偿传感的关键技术有：

1、温度补偿光纤光栅(FBG1)和传感光纤光栅(FBG2)具有相同的物理参数，以保证它们对环境温度具有相同的响应即光纤光栅反射谱完全重合。从而能够消除传感过程中产生的温度交叉灵敏度。

2、选用宽带光源而不是单一波长的光源。宽带光源能够保证两个光纤光栅反射谱漂移后和漂移前衰荡腔内的损耗相等，从而保证衰荡时间是相同的。因此衰荡时间的变化仅仅是由待测量引起，可以达到温度补偿的目的，实现待测量的精确测量。

本实用新型的一个具体实施例中，宽带光源SLED-1550，谱宽大于55nm；脉冲调制器的调制频率为5kHz；光隔离器型号为IO-G-1550-APC，工作波长为1530-1570nm，隔离度大于等于28dB；温度补偿光纤光栅(FBG1)和传感光纤光栅(FBG2)完全相同，制备在G.652单模光纤，长度均为15mm，工作波长均为1543nm；待测量为轴向应力，将传感光纤光栅(FBG2)两端固定在移动平台的夹具上，通过夹具向两侧移动，对传感光纤光栅 (FBG2)施加轴向应力；光纤选用G.652单模光纤；光电探测器为雪崩光电二极管(APD)，工作波长为1.0～2.9μm，待测量的范围为0με-1000με。

以上所述及图中所示的仅是本实用新型的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本实用新型的保护范围。