法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2020-07-14
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):G01K11/32 授权公告日:20150909 终止日期:20190725 申请日:20130725
专利权的终止
2015-09-09
授权
授权
2013-12-04
实质审查的生效 IPC(主分类):G01K11/32 申请日:20130725
实质审查的生效
2013-11-13
公开
公开
技术领域
本发明属于光纤光栅传感器测量领域。
背景技术
由于光纤光栅具有灵敏度高、抗电磁干扰、可远程感测、易埋植、易贴敷等优良特性在诸多领域得到了广泛的应用。边带解调是光纤光栅传感器常用的解调技术,然而此解调方法的解调精度受光源功率起伏的影响。
发明内容
本发明是为了解决现有光纤光栅传感器的边带解调技术的解调精度受光源功率起伏影响的问题,本发明提供了一种基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感器。
基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感器,它包括宽带光源、长周期光纤光栅、分光器、第一耦合器、第二耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一光纤光栅温度传感器、第二光纤光栅温度传感器、数据采集器和数据处理器,所述的宽带光源的宽带光信号输出端与长周期光纤光栅的宽带光信号输入端连接,所述的长周期光纤光栅的双边带光信号输出端与分光器的光信号输入端连接,
所述的分光器的第一光信号输出端与第一耦合器的光信号输入端连接,所述的第一耦合器的光信号输入输出端与第一光纤光栅温度传感器的光信号输入输出端连接,所述第一耦合器的光信号输出端与第一光电探测器的光信号输入端连接,所述的第一光电探测器的电信号输出端与数据采集器的第一数据信号输入端连接,
所述的分光器的第二光信号输出端与第二耦合器的光信号输入端连接,所述的第二耦合器的光信号输入输出端与第二光纤光栅温度传感器的光信号输入输出端连接,所述第二耦合器的光信号输出端与第二光电探测器的光信号输入端连接,所述的第二光电探测器的电信号输出端与数据采集器的第二数据信号输入端连接,
所述的数据采集器的信号输出端与数据处理器的信号输入端连接。
原理分析:
宽带光源发出的宽带光经长周期光栅后成为具有双边带的透射光,然后被分光器分成两束光,其中一束光经第一耦合器后被第一光纤光栅温度传感器反射到第一光电探测器,第一光电探测器将光信号转化为电信号,另一束光经第二耦合器后被第二光纤光栅温度传感器反射到第二光电探测器,第二光电探测器将光信号转化为电信号,数据采集器采集第一光电探测器和第二光电探测器测得的数据,数据处理器对采集的数据进行处理。
第一光纤光栅温度传感器和第二光纤光栅温度传感器的反射光谱分别表示为:
>
和
>
其中,λB1和λB2分别表示第一光纤光栅温度传感器和第二光纤光栅温度传感器的中心波长,RB1和RB2分别表示第一光纤光栅温度传感器和第二光纤光栅温度传感器在中心波长处的反射光强,b1和b2分别表示第一光纤光栅温度传感器和第二光纤光栅温度传感器的半峰值宽度,λ表示光信号的波长,
第一光电探测器和第二光电探测器输出端输出电压分别表示为:
>和
>
其中,β1和β2为常数,β1由分光器的分光比、光路损耗和第一光电探测器的光电转换因子决定,β2由分光器的分光比、光路损耗和第二光电探测器的光电转换因子决定,参见图2,T1(λ)表示长周期光纤光栅的光谱在上升沿线性区间内的透光率,且
T1(λ)=A1λ+B1 (1)
T2(λ)表示长周期光纤光栅的光谱在下降沿线性区间内的透光率,且
T2(λ)=A2λ+B2 (2)
其中,A1为长周期光纤光栅的光谱上升沿的斜率,A2为长周期光纤光栅的光谱下降沿的斜率,B1和B2均为常数,
将公式(1)和公式(3)代入公式(5)得,
V1=K1λB1+D1 (7)
将公式(2)和公式(4)代入公式(6)得,
V2=K2λB2+D2 (8),
其中,
>
>
>
>
当第一光纤光栅温度传感器和第二光纤光栅温度传感器的中心波长分别由λB1和λB2变为λB1+Δλ1和λB2+Δλ2时,将λB1+Δλ1替换公式(7)中的λB1得到:
V1=K1Δλ1+(K1λB1+D1) (11)
将λB2+Δλ2替换公式(8)中的λB2得到:
V2=K2Δλ2+(K2λB2+D2) (12)
其中,Δλ1表示温度变化量ΔT引起的第一光纤光栅温度传感器中心波长的偏移量,
Δλ2表示温度变化量ΔT引起的第二光纤光栅温度传感器中心波长的偏移量,
第一光纤光栅温度传感器和第二光纤光栅温度传感器处于相同的温度环境下,若测量过程中第一光纤光栅温度传感器和第二光纤光栅温度传感器所受的径向拉力为零,则
Δλ1=(μ1+ν1)λB1ΔT (13)
Δλ2=(μ2+ν2)λB2ΔT (14)
其中,μ1表示第一光纤光栅温度传感器光纤材料的热膨胀系数;ν1表示第一光纤光栅温度传感器光纤材料的热光系数,μ2表示第二光纤光栅温度传感器光纤材料的热膨胀系数;ν2表示第二光纤光栅温度传感器光纤材料的热光系数,
将公式(13)代入公式(11)得:
V1=K1(μ1+ν1)λB1ΔT+(K1λB1+D1) (15)
将公式(14)代入公式(12)得:
V2=K2(μ2+ν2)λB2ΔT+(K2λB2+D2) (16);
第一光电探测器和第二光电探测器电信号输出端输出电压V1和V2还受到宽带光源输出功率起伏影响,由于第一光电探测器和第二光电探测器电信号输出端输出电压V1和V2在相同的条件下测量获得,因此宽带光源输出功率起伏对它们的影响相同,考虑到宽带光源输出功率起伏的影响,第一光电探测器和第二光电探测器电信号输出端输出电压分别表示为:
V1=K1(μ1+ν1)λB1ΔT+(K1λB1+D1)+n(t) (17)
和
V2=K2(μ2+ν2)λB2ΔT+(K2λB2+D2)+n(t) (20)
其中,n(t)表示宽带光源输出功率起伏,将公式(17)和公式(20)作差得:
V=V1-V2=[K1(μ1+ν1)λB1-K2(μ2+ν2)λB2]ΔT+(K1-K2)λB1+(D1-D2) (21)
从公式(21)表明,尽管第一光电探测器和第二光电探测器电信号输出端输出电压V1和V2受宽带光源输出功率起伏的影响,但是V1和V2之差V只依赖于被测信号,不受宽带光源输出功率起伏的影响。因此,本发明所述的基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感器可以消除宽带光源输出功率起伏的影响。
本发明带来的有益效果是,本发明所述的基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感器消除了光源功率起伏对光纤光栅传感器解调精度的影响。
附图说明
图1为本发明所述的基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感器的原理示意图。
图2为本发明所述的长周期光纤光栅、第一光纤光栅温度传感器和第二光纤光栅温度传感器的光谱图;附图标记12表示长周期光纤光栅的光谱,附图标记13表示第一光纤光栅温度传感器的光谱,附图标记14表示第二光纤光栅温度传感器的光谱。
具体实施方式
具体实施方式一:参见图1说明本实施方式,本实施方式所述的基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感器,它包括宽带光源1、长周期光纤光栅2、分光器3、第一耦合器4、第二耦合器5、第一光电探测器6、第二光电探测器7、第一光纤光栅温度传感器8、第二光纤光栅温度传感器9、数据采集器10和数据处理器11,所述的宽带光源1的宽带光信号输出端与长周期光纤光栅2的宽带光信号输入端连接,所述的长周期光纤光栅2的双边带光信号输出端与分光器3的光信号输入端连接,
所述的分光器3的第一光信号输出端与第一耦合器4的光信号输入端连接,所述的第一耦合器4的光信号输入输出端与第一光纤光栅温度传感器8的光信号输入输出端连接,所述第一耦合器4的光信号输出端与第一光电探测器6的光信号输入端连接,所述的第一光电探测器6的电信号输出端与数据采集器10的第一数据信号输入端连接,
所述的分光器3的第二光信号输出端与第二耦合器5的光信号输入端连接,所述的第二耦合器5的光信号输入输出端与第二光纤光栅温度传感器9的光信号输入输出端连接,所述第二耦合器5的光信号输出端与第二光电探测器7的光信号输入端连接,所述的第二光电探测器7的电信号输出端与数据采集器10的第二数据信号输入端连接,
所述的数据采集器10的信号输出端与数据处理器11的信号输入端连接。
具体实施方式二:参见图1说明本实施方式,本实施方式与具体实施方式一所述的基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感器的区别在于,所述的分光器3的第一光信号输出端输出的光信号与分光器3的第二光信号输出端输出的光信号相同。
具体实施方式三:参见图1说明本实施方式,本实施方式与具体实施方式一或二所述的基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感器的区别在于,所述的第一光电探测器6与第二光电探测器7的型号相同。
具体实施方式四:参见图1说明本实施方式,本实施方式与具体实施方式三所述的基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感器的区别在于,所述的第一耦合器4与第二耦合器5的型号相同。
具体实施方式五:参见图1说明本实施方式,本实施方式与具体实施方式一所述的基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感器的区别在于,所述的第一光纤光栅温度传感器8的光信号输入输出端输出的光信号的中心波长小于第二光纤光栅温度传感器9的光信号输入输出端输出的光信号的中心波长。
具体实施方式六:参见图1说明本实施方式,本实施方式与具体实施方式一所述的基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感器的区别在于,所述的长周期光纤光栅2的频谱宽度大于1nm小于5nm。
机译: 一种用于生产具有长周期和低偏振依赖性的光纤光栅的设备,以及具有用这种装置制造的长周期光纤光栅的设备。
机译: 通过使用相同的长周期光纤光栅和长光纤光栅
机译: 用于测量混合气体的光学光栅传感器以及一种基于光栅的测量方法,该方法基于光栅,使用长周期光栅或短周期光栅