一种基于光纤环形腔衰荡的反射式多点温度传感器的制作方法

本实用新型属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于光纤环形腔衰荡的反射式多点温度传感器。

背景技术：

光纤传感技术是随着19世纪70年代光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，它具有抗电磁干扰、本质安全、结构简单等诸多优点。光纤温度传感器能够安全有效地应用于高电压、强磁场、易燃易爆场合，提升这类环境的安全等级。然而，它也有一定的不足之处，如检测设备价格昂贵以及灵敏度受到光源功率波动的影响。因此，对新型光纤温度传感器的研究具有十分重要的意义。

光纤光栅是通过紫外曝光等特定方法在光纤内部形成衍射光栅，由于光纤光栅是在光纤本身上进行制作而成，因此具备光纤的所有优点。在实际测量中，光纤光栅相当于在光纤内部形成一个窄带滤波器，将特定中心波长的光反射回去，当受到外界物理量变化时，其有效折射率与栅格周期会发生周期性变化，中心波长随之发生改变，通过检测其中心波长的偏移量即可测量外界物理量的变化。光纤光栅常被用于温度检测，但其对温度的灵敏度较低，且目前精度最高的光纤光栅传感解调仪对温度的探测精度也仅为0.1℃，难以满足高精度温度校验等特殊需求。

光纤环形腔衰荡技术是一种由腔衰荡技术发展而来的新的光学解调技术。在光纤环形腔衰荡系统中，通过光脉冲在光纤环路中的衰荡时间来检测待测量，且衰荡时间可以通过示波器采样的呈指数衰减的光脉冲序列来计算。因此，该技术具有不受光源波动影响，成本低，灵敏度高等诸多优点。目前，光纤环形腔衰荡技术已广泛应用于光纤传感领域，成为新型光纤检测技术的研究热点。

技术实现要素：

本实用新型的目的是：针对现有技术存在的不足，提供了一种基于光纤环形腔衰荡的反射式多点温度传感器，该温度传感器具有不受光源波动影响，精度高，可多点测量，成本低，安全可靠等优点。

本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案为：

一种基于光纤环形腔衰荡的反射式多点温度传感器，包括可调谐激光器、调制器、信号发生器、2×1耦合器、传输光纤、光纤光栅传感头、光电探测器、数据采集卡以及pc机。

2×1耦合器包括第一耦合器，第二耦合器和第三耦合器。

调制器的光输入端口与可调谐激光器相连，调制器的电驱动端口与信号发生器通过电缆相连，调制器的光输出端口与第一耦合器两端口一侧的低分光比端口相连，第一耦合器的一端口一端与第二耦合器的一端口一端相连，第二耦合器两端口一侧的高分光比端口与第三耦合器两端口一侧的50％端口相连，第三耦合器一端口一端通过传输光纤与光纤光栅传感头相连，第三耦合器两端口一侧的另一个50％端口与第一耦合器两端口一侧的高分光比端口相连，第二耦合器两端口一侧的低分光比端口与光电探测器的输入端相连，光电探测器的输出端通过数据采集卡与pc机相连。

第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、传输光纤、光纤光栅传感头形成光纤环路。

所述光纤光栅传感头由不同中心波长的光纤光栅串联而成。

所述可调谐激光器具有激光波长可跳跃式调节特性，其输出的各激光波长与各光纤光栅的初始中心波长相匹配，且各激光波长的持续时间与加载在调制器上的电脉冲周期时间相同。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型采用基于光纤环形腔衰荡的传感装置，其对温度的探测精度取决于对时间的测量精度，即取决于示波器的检测极限，因此其对温度的探测精度理论上可达10的负三次方量级。

本实用新型将串联光纤光栅作为温度传感头，不同光纤光栅的初始中心波长与选定范围内的入射激光光波长相匹配，通过对各个光纤光栅进行分别测量，可实现温度的多点测量。

附图说明

图1为一种基于光纤环形腔衰荡的反射式多点温度传感器结构示意图。

图2为一种基于光纤环形腔衰荡的反射式多点温度传感器中所用可调谐激光器的输出波长示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

如图1所示，一种基于光纤环形腔衰荡的反射式多点温度传感器，包括可调谐激光器1，调制器2，信号发生器3，第一耦合器4，第二耦合器5，第三耦合器6，传输光纤7，光纤光栅传感头8，光电探测器9，数据集采集卡10以及pc机11。调制器2的光输入端口与可调谐激光器1相连，调制器2的电驱动端口与信号发生器3通过电缆相连，调制器2的光输出端口与第一耦合器4两端口一侧的低分光比端口4a相连，第一耦合器4的一端口一端4a与第二耦合器5的一端口一端5a相连，第二耦合器5两端口一侧的高分光比端口5b与第三耦合器6两端口一侧的50％端口6a相连，第三耦合器6一端口一端6b通过传输光纤7与光纤光栅传感头8相连，第三耦合器6两端口一侧的另一个50％端口6c与第一耦合器4两端口一侧的高分光比端口4c相连，第二耦合器5两端口一侧的低分光比端口5c与光电探测器9的输入端相连，光电探测器9的输出端通过数据采集卡10与pc机11相连。第一耦合器4、第二耦合器5、第三耦合器6、传输光纤7、光纤光栅传感头8形成光纤环路。所述光纤光栅传感头8由不同中心波长的光纤光栅串联而成。所述可调谐激光器1具有激光波长可跳跃式调节特性，且输出的各激光波长与各光纤光栅的初始中心波长相匹配。光电探测器9、数据采集卡10与pc机11组成信号解调部分。

如图2所示，可调谐激光器的输出波长随着时间的增加呈阶跃式增长，且每个输出波长都会在一小段时间内维持不变。

本实用新型的工作方式为：可调谐激光器1发出的光和信号发生器3发出的电脉冲由调制器2整合成光脉冲，该光脉冲从第一耦合器4两端口一侧的低分光比端口4b输入，从第一耦合器4的一端口一端4a输出，从第二耦合器5的一端口一端5a输入，大部分光脉冲从第二耦合器5两端口一侧的高分光比端口5b输出，从第三耦合器两端口一侧的50％端口6a输入，接着从第三耦合器6一端口一端6b输出，通过传输光纤7达到光纤光栅传感头8，大部分对应中心波长的激光在光纤光栅传感头8处发生反射，并返回至第三耦合器6一端口一端6b，随后从第三耦合器两端口一侧的另一个50％端口6c输出，再从第一耦合器4两端口一侧的高分光比端口4c输入形成一个回路，每走完一个回路，就会有一部分光脉冲从第二耦合器5两端口一侧的低分光比端口5c输出，由光电探测器9将光脉冲转化为电信号后，通过数据采集卡10传输到pc机11中进行衰荡时间检测。在光纤环路中，当温度发生变化的时候，光纤光栅传感头8中的各个光纤光栅的周期和纤芯模的有效折射率将会发生相应的改变，使得它们的中心波长与选定范围内的入射激光波长不匹配，光纤环路在一个电脉冲周期内输出的各个光脉冲序列的强度随之发生改变，进而影响各光脉冲序列在光纤环路内的衰荡时间的变化，通过建立衰荡时间与外界温度之间的关系，可以实现对多点温度的高精度测量。

该装置能够实现一种基于光纤环形腔衰荡的反射式多点温度传感器的温度测量的关键技术有：

1、信号发生器的参数设置。为了避免衰荡光谱出现重叠或者失真的情况，光脉冲绕光纤环路一周的行程时间应该远小于信号发生器所设电脉冲周期，且大于所设脉宽。

2、耦合器耦合比的选取。耦合器耦合比的选取应保证经第一耦合器和第二耦合器分光后大部分光脉冲仍保留在光纤环路内循环，从而延长光脉冲在光纤环路内的循环时间，进而增加衰荡光谱中的衰荡峰数量，最终实现传感器精度的提高。

3、串联光纤光栅中心波长的选取。串联光纤光栅的各个中心波长应各不相同，否则除了光脉冲抵达的第一个光纤光栅，剩余相同中心波长的光纤光栅将由于大部分光脉冲能量被前一个光纤光栅过滤而失去检测作用。且各个光纤光栅的中心波长之间应有足够的间隔，以防止温度变化导致其漂移后发生重叠。

4、入射激光光波长的选取。应保证入射激光波长能够与应与光纤光栅传感头中的各个光纤光栅的初始中心波长相匹配，这样才能确保光纤环路在温度测量时能够在一个电脉冲周期内输出具有较高能量的不同光脉冲序列，从而实现温度的多点测量。

5、每个输入激光波长的持续时间。每个输入激光波长应维持足够长的时间保持不变，使得各个光脉冲序列保持一定的间隔，以确保对各个光脉冲序列的衰荡时间的检测互不干扰。

本实用新型的一个具体案例中，可调谐激光器输出激光的中心波长范围为1540nm-1550nm，间隔0.5nm，每个波长持续100us；信号发生器输出脉冲的周期为100μs，脉宽为500ns；第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器的分光比分别为90∶10、90∶10和50∶50；光电探测器选用雪崩光电探测器；传输光纤用的是常规单模光纤，长度为1km；光纤光栅传感头用的光纤布拉格光栅串，一共包含20个光纤光栅，它们的初始中心波长范围为1540nm-1550nm，间隔0.5nm，且20个光纤光栅所需的测量时间为2ms；所用示波器的时间分辨率为5ns，对温度的探测精度可达0.005℃，是光纤光栅传感解调仪精度的20倍。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围。