CN106197741B - 基于微纳长周期光纤光栅传感器的温度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微纳长周期光纤光栅传感器的温度检测装置及方法，宽带光源发出激光信号进入微纳长周期光纤光栅传感器，经声光调制器调制后输出移频的调制信号，调制信号经第一耦合器分成两束信号光，分别经过第一光纤和第二光纤进入第二耦合器进行合并后输出待分析的激光信号，待分析的激光信号经光电探测器转换为电信号，电信号经信号处理单元测量其信号的强度信息，参照事先标定的强度信息和温度的定量关系获取待测的温度信息。本发明利用了微纳长周期光纤光栅传感器的中心波长对于温度的高灵敏度，温度变化时，微纳长周期光纤光栅传感器的波长变化，第一光纤和第二光纤之间的相位差发生变化，通过测量引起的检测系统输出信号的强度变化来获得待测温度信息，能够精确检测温度信息，具有成本低廉和结构简单的优点。

Description

基于微纳长周期光纤光栅传感器的温度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器，具体涉及一种基于微纳长周期光纤光栅传感器的温度检测装置及方法。

背景技术

长周期光纤光栅传感器是指在光纤的纤芯中引入折射率的周期性变化，周期与红外波在同一数量级，通常为几百微米。长周期光纤光栅传感器将导波中某一频段的光耦合到包层中损耗掉，其传输特性会因为外界应力、温度等因素的影响而发生改变，通过谐振波长的调谐来获得传感信息，具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度和低成本以及和普通光纤的良好的兼容性等优点，适合用于精密、精确测量。与普通的Bragg光栅相比，长周期光纤光栅对环境的变化反应更加灵敏，且具有低反射、测量方法简单等优点，是一种理想的传感元件。因此，高灵敏度的光纤光栅传感器是现代传感器发展的一个重要方向，长周期光纤光栅用于传感，已有技术报道。2012年，白育堃等研究人员提出了级联长周期光子晶体光纤光栅温度传感器的发明专利，申请号201210525114.9，该发明采用的是级联长周期光子晶体光纤光栅，在包层空气孔中填充热敏物质，光栅周期可由实际所选波段确定。通过控制热敏物质的温度，改变光栅耦合模式的有效折射率，从而改变光栅透射谱的中心波长，使温度的变化体现为透射谱线的偏移，实现波长可调谐的温度传感特性。同年，乔学光等研究人员提出双周期光纤光栅温湿度传感器的发明专利，申请号201210088050.0，该发明专利是当外界环境的温度和湿度发生变化时，长周期光纤光栅纤芯基模和包层模的有效折射率及光栅周期发生变化，谐振波长发生变化，折射率发生改变，通过检测感温型长周期光纤光栅和感湿型长周期光纤光栅的透射波长，可得到环境的温度与湿度信息，实现双参量同时测量；2013年，杨玉强等研究人员提出基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感器的发明专利，申请号201310316860.1，该发明有效消除了光源功率起伏对光纤光栅传感器解调精度的影响。2015年，M.Najaria等研究人员提出基于微纳长周期光纤光栅传感器的温度和应力传感系统(Najari M,Javan A M,Amiri N.Hybrid all-fiber sensor forsimultaneous strain and temperature measurements based on Mach–Zehnderinterferometer[J].Optik-International Journal for Light and Electron Optics,2015,126(19):2022-2025.)；2016年，Jia Shi等研究人员提出长周期光纤光栅级联保偏光纤的温度和折射率检测系统(Shi J,Su G,Xu D,et al.A Dual-Parameter Sensor Usinga Long-Period Grating Concatenated With Polarization Maintaining Fiber inSagnac Loop[J].IEEE Sensors Journal,2016,16(11):4326-4330.)。

由于普通单模光纤的长周期光纤光栅传感器谐振带宽较大，导致中心波长难以准确测量，引起温度检测的精度不高；另外，由于其透射谱带宽比较大，测量中如果光谱仪的分辨率比较低，就会引入比较大的波长读数误差，限制了普通单模光纤的长周期光栅传感器的测量分辨率。正是由于这些原因，使得直接测量普通单模光纤的长周期光纤光栅传感器的透射峰来获得温度的信息是非常不准确的，在真正实施应用方面就显得测量精度不够和具有误差较大的缺点等。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于微纳长周期光纤光栅传感器的温度检测装置及方法，提高了温度检测精度。

技术方案：本发明提供了一种基于微纳长周期光纤光栅传感器的温度检测装置，包括依次连接的宽带光源、微纳长周期光纤光栅传感器、声光调制器、第一耦合器、光纤、第二耦合器、光电探测器和信号处理单元，所述光纤包括第一光纤和第二光纤，第一耦合器分别通过第一光纤和第二光纤连接至第二耦合器。

为了增加待检测温度的范围，所述宽带光源为1525nm～1565nm波段的自发辐射放大的宽带光源。

进一步，所述第一光纤和第二光纤为单模光纤、色散位移光纤和高非线性光纤中的一种或两种。

进一步，所述光电探测器为平衡探测器，响应波长与宽带光源波段一致，用以提高测量精度。

一种基于微纳长周期光纤光栅传感器的温度检测方法，宽带光源发出激光信号进入微纳长周期光纤光栅传感器，从微纳长周期光纤光栅传感器输出的激光信号进入声光调制器，经声光调制器调制后输出移频的调制信号，调制信号经第一耦合器分成两束信号光，分别经过第一光纤和第二光纤进入第二耦合器进行合并后输出待分析的激光信号，待分析的激光信号经光电探测器转换为电信号，电信号经信号处理单元测量其信号的强度信息，参照事先标定的强度信息和温度的定量关系获取待测的温度信息。

进一步，温度的变化引起微纳长周期光纤光栅传感器透射波长的改变，第一光纤和第二光纤之间的相位差发生变化，引起进入光电探测器的光功率的改变，使得光电探测器输出电信号的强度发生变化，通过测量其电信号强度变化获得待测温度。

有益效果：本发明利用了微纳长周期光纤光栅传感器的中心波长对于温度的高灵敏度，温度变化时，微纳长周期光纤光栅传感器的波长变化，第一光纤和第二光纤之间的相位差发生变化，通过测量引起的检测系统输出信号的强度变化来获得待测温度信息，能够精确检测温度信息，具有成本低廉和结构简单的优点。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为实施例中微纳长周期光纤光栅传感器的透射光谱；

图3为实施例中温度变化的频谱示意图；

图4为实施例中不同温度情况下的信号强度关系示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：

实施例1：一种基于微纳长周期光纤光栅传感器的温度检测装置，如图1所示，包括宽带光源100、微纳长周期光纤光栅传感器101、声光调制器102、第一耦合器103、第一光纤104、第二光纤105、第二耦合器106、光电探测器107和信号处理单元108。宽带光源100、微纳长周期光纤光栅传感器101、声光调制器102和第一耦合器103依次相连，第一耦合器103经第一光纤104、第二光纤105两条光路分别连接至第二耦合器106，而后依次连接光电探测器107和信号处理单元108。本实施例中宽带光源100为Amonics ALS-18光源，输出功率为18dBm，波长范围为1528～1564nm，其发出的激光进入到微纳长周期光纤光栅传感器101的一个端口，微纳长周期光纤光栅传感器101是利用CO₂脉冲激光器在普通单模微纳光纤上刻制20个周期栅距为100μm的微纳长周期微纳光纤光栅传感器，该普通单模微纳光纤是利用普通单模拉制成直径为6.2μm的微纳光纤，其透射光谱如图2所示，可以看出，其中心波长为1537.5nm。宽带激光经微纳长周期光纤光栅传感器101的另一个端口输出进入到声光调制器102Gooch&Housego Fiber-Q的输入端口，被声光调制器102调制的激光信号从声光调制器102的输出端口输出，输出移频的调制信号经3dB的第一耦合器103分出两束信号光，一束信号光经第一光纤104普通单模光纤，长度为2km后进入3dB的第二耦合器106的输入端，另一束信号光经第二光纤105普通单模光纤，长度为2.1km后进入第二耦合器106的输入端，这两束信号光在第二耦合器106上混合后从其输出端输出信号光，该信号光进入光电探测器107的输入端，光电探测器107为50GHz的Finisar XPDV21x0RA，响应波长为1528～1564nm，被光电探测器107转换后的电信号进入信号处理单元108，经信号处理单元108处理后，获得微纳长周期光纤光栅传感器101上的温度变化信息。

上述温度检测方法的原理为温度的变化引起微纳长周期光纤光栅传感器101透射波长的改变，第一光纤104和第二光纤105之间的相位差发生变化，从而引起进入光电探测器107的光功率的改变，使得光电探测器107输出电信号的强度发生变化，由于该强度信息与温度具有定量关系，可事先进行标定，温度检测时通过测量电信号强度的变化获得待测温度。

具体输出温度变化的频谱如图3所示，可以看出，信号的中心频率为199.92MHz，温度为35℃时的信号强度高于30℃时的强度，温度和信号强度之间的关系如图4所示，从图4可以看出，随着温度的增加，信号的强度呈线性增加，其斜率为0.46a.u/℃，因此，按照该规律进行标定后，可通过测量光电探测器107输出信号的强度来获得微纳长周期光纤光栅传感器101感应到的温度信息。

实施例2：与实施例1温度检测装置及方法大致相同，所不同的是第一光纤104为1.8km的高非线性光纤，第二光纤105为1.2km的色散位移光纤。

Claims (4)

1.一种基于微纳长周期光纤光栅传感器的温度检测装置，其特征在于：包括依次连接的宽带光源（100）、微纳长周期光纤光栅传感器（101）、声光调制器（102）、第一耦合器（103）、光纤、第二耦合器（106）、光电探测器（107）和信号处理单元（108），所述宽带光源（100）为1525nm~1565nm波段的自发辐射放大的宽带光源，所述光纤包括第一光纤（104）和第二光纤（105），第一耦合器（103）分别通过第一光纤（104）和第二光纤（105）连接至第二耦合器（106），所述第一光纤（104）和第二光纤（105）为单模光纤、色散位移光纤和高非线性光纤中的一种或两种。

2.根据权利要求1所述的基于微纳长周期光纤光栅传感器的温度检测装置，其特征在于：所述光电探测器（107）为平衡探测器，响应波长与宽带光源（100）波段一致。

3.一种基于微纳长周期光纤光栅传感器的温度检测方法，其特征在于：宽带光源（100）发出激光信号进入微纳长周期光纤光栅传感器（101），从微纳长周期光纤光栅传感器（101）输出的激光信号进入声光调制器（102），经声光调制器（102）调制后输出移频的调制信号，调制信号经第一耦合器（103）分成两束信号光，分别经过第一光纤（104）和第二光纤（105）进入第二耦合器（106）进行合并后输出待分析的激光信号，待分析的激光信号经光电探测器（107）转换为电信号，电信号经信号处理单元（108）测量其信号的强度信息，参照事先标定的强度信息和温度的定量关系获取待测的温度信息。

4.根据权利要求3所述的基于微纳长周期光纤光栅传感器的温度检测方法，其特征在于：温度的变化引起微纳长周期光纤光栅传感器（101）透射波长的改变，第一光纤（104）和第二光纤（105）之间的相位差发生变化，引起进入光电探测器（107）的光功率的改变，使得光电探测器（107）输出电信号的强度发生变化，通过测量其电信号强度变化获得待测温度。