一种利用光纤萨格纳克干涉仪测量温度场的方法
【专利摘要】本发明提供了一种利用光纤萨格纳克干涉仪测量温度场的方法，所述方法包括如下步骤：a)搭建级联Sagnac干涉仪测量系统，所述系统包括宽带光源泵浦源、第一掺杂稀土元素光纤、第二掺杂稀土元素光纤、一支波分复用器、第一光耦合器、第二光耦合器、第一光纤Sagnac环、隔离器、第二光纤Sagnac环、光谱仪；b)将第一光纤Sagnac环和第二光纤Sagnac环置于可控温度的环境中，进行温度标定；c)逐渐改变环境中的温度，光谱仪采集第二光纤Sagnac环输出的光谱，记录梳状谱移动的长度，拟合梳状谱波长偏移随温度变化的关系曲线；d)利用所拟合的梳状谱波长偏移随温度变化的关系曲线对待测环境进行温度测量。
【专利说明】
一种利用光纤萨格纳克干涉仪测量温度场的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光纤干涉领域，特别涉及一种利用光纤萨格纳克干涉仪测量温度场的 方法。
【背景技术】
[0002] 通常，光纤化的传感器具有结构紧凑、使用寿命长、对测试量敏感、传输信道多等 优势广泛地应用于光纤传感、光纤通信、光学加工等领域。通过光纤端面微加工技术或搭建 具有干涉结构的全光纤传感器，在栗浦源作用下，输出具有梳状谱图样的干涉谱曲线。2011 年范林勇等人设计了一种基于双芯光纤的马赫-曾德干涉仪，应用于磁场、温度和应变量的 测量，干涉条纹衬幅比约为10dBm，条纹间隔约为211111。2013年邹卉等人用两支3dB耦合器制 成马赫-曾德干涉系统，结合双芯光纤，构成双级结构的马赫-曾德干涉仪，条纹衬幅比约为 30dBm。光纤马赫-曾德干涉仪具有结构简单、条纹衬比度高、梳状谱密集等优势，常被用于 光纤传感领域。
[0003] 然而，此种方法测量温度的精度并不是很高，不能满足一些高精度场合的需求。级 联Sagnac干涉仪结构简单且易于实现，该结构由两个光纤Sagnac环组成熔接在两段掺杂稀 土元素光纤中，掺杂稀土光纤也被用作为传感器的增益介质。因此，需要一种能有利用基于 级联Sagnac干涉仪精确测量温度的系统和方法。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种利用光纤萨格纳克干涉仪测量温度场的方法，在一个 方面，所述测量方法包括如下步骤：
[0005] a)搭建级联Sagnac干涉仪测量系统，所述系统包括宽带光源栗浦源、第一掺杂稀 土元素光纤、第二掺杂稀土元素光纤、一支波分复用器、第一光親合器、第二光親合器、第一 光纤Sagnac环、隔离器、第二光纤Sagnac环、光谱仪；
[0006] b)将第一光纤Sagnac环和第二光纤Sagnac环置于可控温度的环境中，进行温度标 定；
[0007] C)逐渐改变环境中的温度，光谱仪采集第二光纤Sagnac环输出的光谱，记录梳状 谱移动的长度，拟合梳状谱波长偏移随温度变化的关系曲线；
[0008] d)利用所拟合的梳状谱波长偏移随温度变化的关系曲线对待测环境进行温度测 量。
[0009] 在一个方面，所述的测量方法，所述第一光纤Sagnac环包括保偏光纤、偏振控制 器，所述第二光纤Sagnac环包括保偏光纤、偏振控制器;所述第一光纤Sagnac环与第一掺杂 稀土元素光纤通过第一光耦合器连接，所述第二光纤Sagnac环与第二掺杂稀土元素光纤通 过第二光耦合器连接。
[0010] 在一个方面，所述的测量方法，经过所述第一光纤Sagnac环射出的光进入第二光 纤Sagnac环进行二次过滤。
[0011] 在一个方面，所述的测量方法，所述步骤a)中所述连接为恪接方式。
[0012] 在一个方面，所述的测量方法，所述步骤c)中所述的改变环境的温度的方法使干 涉仪拉伸或弯曲。
[0013] 在一个方面，所述的测量方法，所述掺杂稀土元素光纤作为光纤传感器的增益介 质。
[0014] 在一个方面，所述的测量方法，所述的波分复用器对栗浦光进行耦合，所述耦合后 的栗浦光进入所述掺杂光纤。
[0015] 在一个方面，所述的测量方法，所述的梳状谱波长偏移随温度变化的关系曲线通 过线性拟合或者最小二乘法进行拟合。
[0016] 在一个方面，所述的测量方法，所述第一Sagnac环中所述的保偏光纤长度为1.5m-2.5m，所述第二Sagnac环中所述的保偏光纤长度为0.5m-l. 5m。
[0017] 在另一个方面，本发明还提供了一种用于所述测量温度场方法的级联Sagnac干涉 仪测量系统，其特征在于，所述测量系统包括依次连接的宽带光源栗浦源、一支波分复用 器、第一掺杂稀土兀素光纤、第一光親合器、第一光纤Sagnac环、隔离器、第二光親合器、第 二光纤Sagnac环、第二掺杂稀土元素光纤、光谱仪;所述第一光纤Sagnac环包括保偏光纤、 偏振控制器，所述第二光纤Sagnac环包括保偏光纤、偏振控制器;所述第一光纤Sagnac环与 第一掺杂稀土元素光纤通过第一光親合器连接，所述第二光纤Sagnac环与第二掺杂稀土元 素光纤通过第二光耦合器连接。
[0018] 应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当 用作对本发明所要求保护内容的限制。
【附图说明】
[0019] 参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下 描述得以阐明，其中：
[0020] 图1示意性示出本发明级联Sagnac干涉仪温度测量系统；
[0021 ]图2示出了本发明级联Sagnac环的工作原理；
[0022]图3示出了本发明梳状谱波长偏移随温度变化的波形图；
[0023]图4示出了本发明梳状谱波长偏移随温度变化的曲线。
【具体实施方式】
[0024] 通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方 法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例;可以通过不同形式来 对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
[0025] 在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同 或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
[0026] 本发明提供了一种利用光纤萨格纳克干涉仪测量温度场的方法，本实施例中，如 图1所示级联Sagnac干涉仪温度测量系统，所述的级联Sagnac干涉仪测量系统，包括依次连 接的宽带光源栗浦源101、一支波分复用器102、第一掺杂稀土元素光纤103、第一光纤 Sagnac环104、隔离器105、第二光纤Sagnac环106、第二掺杂稀土元素光纤107、光谱仪108; 级联Sagnac干涉仪第一光纤Sagnac环104包括保偏光纤109a、偏振控制器110a，第二光纤 Sagnac环106包括保偏光纤109b、偏振控制器110b。第一光纤Sagnac环104与第一掺杂稀土 元素光纤103通过第一光耦合器111连接，第二光纤Sagnac环106与第二掺杂稀土元素光纤 107通过第二光耦合器112连接。第一光纤Sagnac环104中，保偏光纤109a长度为1.5m-2.5m， 优选2m;第二光纤Sagnac环106中，保偏光纤109b长度为0.5m_l. 5m，优选Im。宽带光源栗浦 源101发出的光经过波分复用器102与光纤中的光耦合成一束，通过第一掺杂稀土元素光纤 103后进入第一光纤Sagnac环104中分成两束光进行干涉，干涉后的光经过第一光親合器 111后进入到第二光纤Sagnac环106中分成两束光进行干涉，干涉后的光经过第二光耦合器 112后进入第二掺杂稀土元素光纤107,通过光谱仪108采集光信号。第一光纤Sagnac环104 与第二光纤Sagnac环106之间布置的隔离器105保证了光沿一个方向的传播。
[0027]下面具体描述光在传输过程的中的原理：
[0028]图2所示级联Sagnac环的工作原理，光通过第一掺杂稀土元素光纤203进入第一光 纤Sagnac环204中的光被分为两束。在第一光纤Sagnac环中偏振控制器2 IOa和保偏光纤 209a保证线偏振方向不变。第一光纤Samac环204的透射率可以表示为：
[0029] … ⑴
[0030] 其中01为透过保偏光纤后的偏振角度，Θ2为透过偏振控制器后的偏振角度，β是 Sagnac环的传播常数，L为保偏光纤的长度，Δη为双折射率。经过所述第一光纤Sagnac环 204射出的光通过第一耦合器211后进入第二光纤Sagnac环206进行二次过滤，偏振控制器 210b和保偏光纤209b保证线偏振方向不变，透射强度Iout表示为：
[0031]
[0032]
[0033] /Λ、 .(4)
[0034] 其中tl和t2为Sagnac环的透射率，射出的光通过第二耦合器212耦合，经第二掺杂 稀土元素光纤207后由光谱仪米集输出的梳状谱。第一光纤Sagnac环204与第二光纤Sagnac 环206之间布置的隔离器205保证了光沿一个方向的传播。采集的梳状谱中，相邻峰值的波 长间隔与中心波长、偏振态、光纤长度有关。应用该梳状谱进行传感测试，当干涉仪受到外 界影响导致两臂光程差发生改变时，干涉梳状谱发生变化，干涉条纹产生移动。
[0035] 下面具体描述本实施例中利用光纤萨格纳克干涉仪测量温度场的方法，具体步骤 如下:搭建所述级联Sagnac干涉仪测量系统，所述系统包括依次通过熔接的方式连接的宽 带光源栗浦源101、一支波分复用器102、第一掺杂稀土兀素光纤103、第一光纤Sagnac环 104、隔离器105、第二光纤Sagnac环106、第二掺杂稀土元素光纤107、光谱仪108;级联 Sagnac干涉仪第一光纤Sagnac环104包括保偏光纤109a、偏振控制器110a，第二光纤Sagnac 环106包括保偏光纤109b、偏振控制器110b。第一光纤Sagnac环104与第一掺杂稀土兀素光 纤103通过第一光親合器111连接，第二光纤Sagnac环106与第二掺杂稀土元素光纤107通过 第二光親合器112连接。将第一光纤Sagnac环104和第二光纤Sagnac环106置于可控温度的 环境中：选取环氧树脂(Epoxy Resin)或丙烯酸酯作为胶粘剂，以胶粘方式分别将第一光纤 Sagnac环104和第二光纤Sagnac环106固定在材料113的表面上，将固定好的材料置于温度 控制器114上方可控温度的环境中，进行温度标定。通过温度控制器114改变环境温度的条 件下对干涉仪拉伸或弯曲，优选地，本实施例中通过升高温度引起干涉仪偏振态发生相应 变化从而导致梳状谱发生红移或蓝移，随着拉伸长度的增加，即轴向微应力增大，梳状滤波 器的传输谱向短波方向移动。光谱仪108采集第二光纤Sagnac环106输出的梳状谱，如图3所 示梳状谱波长偏移随温度变化的波形图，记录梳状谱移动的长度，拟合梳状谱波长偏移随 温度变化的曲线，如图4所示梳状谱波长偏移随温度变化的曲线，曲线拟合可采用线性拟 合，如公式5所示。
[0036] y = ax+b (5)
[0037] 曲线拟合也可采用最小二乘拟合，由下述等式(6)和(7)可推出拟合曲线。
[0038] ,、 (6)
[0039] (7)
[0040] 解方程组，求出ao和m，就可构造出满足平方逼近条件的逼近函数。
[0041] f (x) =ao+aix (8) 〇
[0042] 利用所拟合的梳状谱波长偏移随温度变化曲线对待环境进行温度测量。
[0043]结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员 都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均 由权利要求所限定。
【主权项】
1. 一种利用光纤萨格纳克干涉仪测量温度场的方法，其特征在于，所述方法包括如下 步骤： a) 搭建级联Sagnac干涉仪测量系统，所述系统包括宽带光源栗浦源、第一掺杂稀土元 素光纤、第二掺杂稀土元素光纤、一支波分复用器、第一光親合器、第二光親合器、第一光纤 Sagnac环、隔离器、第二光纤Sagnac环、光谱仪； b) 将第一光纤Sagnac环和第二光纤Sagnac环置于可控温度的环境中，进行温度标定； c) 逐渐改变环境中的温度，光谱仪采集第二光纤Sagnac环输出的光谱，记录梳状谱移 动的长度，拟合梳状谱波长偏移随温度变化的关系曲线； d) 利用所拟合的梳状谱波长偏移随温度变化的关系曲线对待测环境进行温度测量。2. 根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述第一光纤Sagnac环包括保偏光 纤、偏振控制器，所述第二光纤Sagnac环包括保偏光纤、偏振控制器;所述第一光纤Sagnac 环与第一掺杂稀土元素光纤通过第一光耦合器连接，所述第二光纤Sagnac环与第二掺杂稀 土元素光纤通过第二光耦合器连接。3. 根据权利要求1或2所述的测量方法，其特征在于，经过所述第一光纤Sagnac环射出 的光进入第二光纤Sagnac环进行二次过滤。4. 根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤a)中所述连接为熔接方式。5. 根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤c)中所述的改变环境的温度的方 法使干涉仪拉伸或弯曲。6. 根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述掺杂稀土元素光纤作为光纤传感 器的增益介质。7. 根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述的波分复用器对栗浦光进行耦 合，所述耦合后的栗浦光进入所述掺杂光纤。8. 根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述的梳状谱波长偏移随温度变化的 关系曲线通过线性拟合或者最小二乘法进行拟合。9. 根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述第一 Sagnac环中所述的保偏光纤 长度为1.5m-2.5m，所述第二Sagnac环中所述的保偏光纤长度为0.5m-l. 5m。10. -种用于权利要求1所述测量温度场方法的级联Sagnac干涉仪测量系统，其特征在 于，所述测量系统包括依次连接的宽带光源栗浦源、一支波分复用器、第一掺杂稀土元素光 纤、第一光親合器、第一光纤Sagnac环、隔离器、第二光親合器、第二光纤Sagnac环、第二掺 杂稀土元素光纤、光谱仪;所述第一光纤Sagnac环包括保偏光纤、偏振控制器，所述第二光 纤Sagnac环包括保偏光纤、偏振控制器;所述第一光纤Sagnac环与第一掺杂稀土兀素光纤 通过第一光耦合器连接，所述第二光纤Sagnac环与第二掺杂稀土元素光纤通过第二光耦合 器连接。
【文档编号】G01K11/32GK105841839SQ201610165571
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】祝连庆, 何巍, 骆飞, 刘锋, 张钰民, 闫光, 董明利
【申请人】北京信息科技大学