专利名称：一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的双波长差分温度测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及了一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的双波长差分温度测量系统，属于温度测量技术领域。
背景技术：
温度一个基本的物理量。温度检测在现代工业系统和工程应用中占有十分重要的地位。以热电偶、钼合金和半导体为代表的传统温度传感器以原理简单、成本低、精度高的优点在多年前就获得了广泛的应用，在许多场合起着不可替代的作用。但是在易燃、易爆、空间狭窄、具有腐蚀性环境或有电磁干扰的恶劣环境下，传统的温度测量技术受到很大的限制，甚至无法工作。 光纤具有体积小、重量轻、结构灵活，抗电磁干扰、电绝缘的优点。目前光纤温度传感器主要包括光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器、半导体吸收式光纤温度传感器和光纤法布里-波罗腔干涉式温度传感器等，在温度测量领域起到重要作用。其中，光纤布拉格光栅温度传感器是通过精密工艺在光纤中进行雕刻，使光纤内的折射率成周期性分布，形成光纤布拉格光栅(FBG)，利用布拉格波长来对温度敏感。光纤光栅光纤布拉格光栅温度传感器温度感应度高。但是，采用波长调制，导致解调系统复杂，以及容易引起温度-应力交叉感应等问题。半导体吸收型光纤温度传感器是利用半导体材的吸收光谱随温度变化而变化的特性实现的。这种光纤温度传感器存在对信号传输光纤要求高，通常需要特制大孔径光纤；来保证光纤与半导体薄膜是间接耦合效率；半导体膜片制作过程也较复杂，工艺要求较高；由于半导体吸收是导带和价带之间的电子跃迁吸收，吸收波段在紫外和可见光的短波段，因此要求紫外宽带光源，价格昂贵，对光纤要求也较高，且测量的精度较低。光纤法布里-波罗腔干涉式温度传感器是在光纤内制造出两个高反射膜层，从而形成一个腔长为L的微腔。当相干光束沿光纤入射到此微腔时，光纤在微腔的两端面反射后沿原路返回相遇而产生干涉，其干涉输出信号与此微腔的长度相关。当外界温度会对腔长L产生调制，导致干涉输出信号也发生变化。由于光纤法布里-波罗腔干涉式温度传感器的光纤半径只在1(Γ125 μ m量级，导致F-P制作工艺复杂，而且一致性难以保证；干涉功率随腔长变化不是单一对应关系，而是不断衰减的周期性信号，解调系统复杂；若采用波长域信号解调，则系统也相对复杂；F_P腔长随温度变化量很�。杏ξ露确段钟邢�。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的双波长差分温度测量系统。一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的双波长差分温度测量系统，包括第一光源、第二光源、耦合器、敏感光纤、波分复用器件、第一探测器、第二探测器、探测电路和计算机；第一光源发出λ i波段的光，第二光源发出λ 2波段的光，第一光源和第二光源发出光输入至耦合器，耦合器对两束光进行耦合，通过通信光纤输出至敏感光纤，通过敏感光纤后，输出至波分复用器件，波分复用器件对输入光进行分离，λ 段的光输出至第一探测器，λ 2波段的光输出至第二探测器，第一探测器和第二探测器对两路光信号进行探测，分别得到两路光信号的功率，将功率输出至探测电路，探测电路将探测到的光信号转化为电信号，并且进行滤波放大，输出到计算机，计算机对光纤衰减数据进行处理，解调出温度Ih息，进行显不和存储等。基于光纤辐射致衰减温度依赖性的双波长差分温度测量系统，包括第一光源、第二光源、耦合器、定向耦合器、敏感光纤、反射装置、波分复用器件、第一探测器、第二探测器、探测电路和计算机；第一光源发出λ i波段的光，第二光源发出λ 2波段的光，第一光源和第二光源发 出光输入至耦合器，耦合器对两束光进行耦合，输出至定向耦合器，通过至定向耦合器后进入敏感光纤，通过敏感光纤末端的反射装置，光进行反射，又输入至定向耦合器，通过定向耦合器输出至波分复用器件的输入段，波分复用器件对输入光进行分离，λ i波段的光输出至第一探测器，λ 2波段的光输出至第二探测器，第一探测器和第二探测器对两路光信号进行探测，分别得到两路光信号的功率，将功率输出至探测电路，探测电路将探测到的光信号转化为电信号，并且进行滤波放大，输出到计算机，计算机对光纤衰减数据进行处理，解调出温度信息，进行显示。基于光纤辐射致衰减温度依赖性的双波长差分温度测量系统，包括第一光源、第二光源、第一分光器、第二分光器、耦合器、敏感光纤、波分复用器件、多通道探测器、探测电路和计算机；第一光源发出λ i波段的光，第二光源发出λ 2波段的光，第一光源发出的光进入第一分光器，然后分为两束，一束输入至耦合器，一束输出至多通道探测器，第二光源发出的光进入第二分光器，然后分为两束，一束输入至耦合器，一束输出至多通道探测器，输出至多通道探测器的两束光形成参考两路参考光路，波长分别为X1波段和λ 2波段，参考光路输出功率直接由多通道探测器接收，然后输出至探测电路；耦合器对两束光进行耦合，通过通信光纤输出至敏感光纤，通过敏感光纤后，输出至波分复用器件，波分复用器件对输入光进行分离，分离为X1波段的光和入2波段的光，输出至多通道探测器，多通道探测器对两路光信号进行探测，分别得到两路光信号的功率，将功率输出至探测电路，探测电路将探测到的光信号转化为电信号，并且进行滤波放大，输出到计算机，计算机对光纤衰减数据进行处理，解调出温度信息，进行显示和存储等。本发明的优点在于(I)采用辐照并退火处理的光纤作为温度敏感元件，制作简单，可与测量中的信号传输光纤采用直接熔接耦合方式，耦合效率高；(2)采用差分测量方案，与单一波长测试方案相比较，增加了测量信号强度的同时，有效抑制了光纤弯曲等引起的光路共模噪声，提高的测量精度；(3)该双波长差分测量方案既可以透射式光路方案，也可以采用反射式光路，结构灵活，适应不同应用需求；
(4)可以采用例如磷掺杂光纤的两个通信波段(1310nm和1550nm)的相反温度依赖性实现双波长差分测量，选择成熟的通信光电产品作为元器件，成本低。
图I是本发明的第一种方案结构示意图；图2是本发明的第二种方案结构示意图；图3是本发明的第三种方案结构示意图；图中I 一第一光源2—第二光源3—稱合器4 一敏感光纤5—波分复用器件6—第一探测器·
7—第二探测器 8—探测电路9 一计算机10—定向耦合器 11一反射装置12—第一分光器13—第二分光器 14 一多通道探测器
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明是一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的双波长差分温度测量系统，设有三种方案。第一种方案第一种方案，如图I所示，包括用于提供两种不同波段光波的第一光源I和第二光源2、用于耦合光的耦合器3、用于敏感温度变化的敏感光纤4、用于分离两波长光的波分复用器件5、用于探测两路光信号的第一探测器6和第二探测器7、用于对探测光信号处理的探测电路8和用于信号处理与显示的计算机9。第一光源I发出λ i波段的光，第二光源2发出λ 2波段的光，第一光源I和第二光源2发出光输入至耦合器3，耦合器3对两束光进行耦合，通过单模通信光纤输出至敏感光纤4，通过敏感光纤4后，输出至波分复用器件5，波分复用器件5对输入光进行分离，入i波段的光输出至第一探测器6，λ 2波段的光输出至第二探测器7，第一探测器6和第二探测器7对两路光信号进行探测，分别得到两路光信号的功率，将功率输出至探测电路8，探测电路8将探测到的光信号转化为电信号，并且进行滤波放大，输出到计算机9，计算机9对光纤衰减数据进行处理，解调出温度信息，进行显示和存储。所述的敏感光纤4为经过辐照并退火处理的光纤，利用该光纤衰减的温度敏感性实现温度测量，其中，辐照会导致光纤中产生能够稳定存在的“色心”，引起强烈光吸收，即光纤福射致衰减(Radiation Induced Attenuation)。因此，当波长分别为入” λ 2的光在敏感光纤4种传播时，敏感光纤4中的色心对两种光纤产生强烈吸收，引起强烈的光纤衰减。由于色心吸收具有稳定而单调的温度依赖性，当光纤所在温度场发生变化时，两个波长的光衰减会随温度发生单调变化。如果选择合适掺杂的光纤或工作波段，使λ i、λ 2的温度依赖性相反，即一个波长衰减随温度增加而增加，另一波长的光衰减随温度的增加而降低。例如经过辐照处理的磷掺杂光纤在1310nm的衰减随温度的增加而增加，1550nm波段的衰减随温度的增加而减小。这样，透射光光纤的光为载有温度信息的双波长功率(衰减)信号。
利用耦合器3和波分复用器件5实现双波长差分测量技术，增加测量的温度感应度的同时提高测量的信噪比。本发明采用稳定光纤光源，某一时刻两波长的入射光功率分别为常数f和Zf2，第一探测器6和第二探测器7的探测功率为ρλ1α)和ρλ2α)。则，可以计算此时允纤在两波长的衰减差值为
权利要求
1.一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的双波长差分温度测量系统，其特征在于，包括第一光源、第二光源、耦合器、敏感光纤、波分复用器件、第一探测器、第二探测器、探测电路和计算机； 第一光源发出λ i波段的光，第二光源发出λ 2波段的光，第一光源和第二光源发出光输入至耦合器，耦合器对两束光进行耦合，通过通信光纤输出至敏感光纤，通过敏感光纤后，输出至波分复用器件，波分复用器件对输入光进行分离，X1波段的光输出至第一探测器，λ2波段的光输出至第二探测器，第一探测器和第二探测器对两路光信号进行探测，分别得到两路光信号的功率，将功率输出至探测电路，探测电路将探测到的光信号转化为电信号，并且进行滤波放大，输出到计算机，计算机对光纤衰减数据进行处理，解调出温度信息，进行显示和存储。
2.根据权利要求I所述的一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的双波长差分温度测量系统，其特征在于，所述的第一光源和第二光源发出光，某一时刻两波长的入射光功率分别为常数ifjpp，第一探测器和第二探测器的探测功率为ρλ1α)和ρλ2α);则此时光纤在两波长的衰减差值为 AU) = A, ,(/)-Α; (O = IOlu ~ — IOig = IO lg(4r(I) 、~ ι\λ<) U ^ ^,(/) 其中，Αλ1α)和Αλ2α)分别为光纤在λ^ρ λ2波段的光衰减巧丨和打2分别为光纤在^和λ2波段的入射光功率，ρλ1α)和ρλ2α)分别为光纤在λ^ρ λ2波段的输出光功率，根据在该温度传感器调试阶段确定的衰减与温度的关系A(t) =f(T(t))解调出温度信息T(t)。
3.根据权利要求I所述的一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的双波长差分温度测量系统，其特征在于，所述的敏感光纤为经过辐照并退火处理的光纤，敏感光纤对入1和λ2两个波段的光衰减具有温度依赖性，其中一个波长衰减随温度增加而增加，另一波长的光衰减随温度的增加而降低。
4.一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的双波长差分温度测量系统，其特征在于，包括第一光源、第二光源、耦合器、定向耦合器、敏感光纤、反射装置、波分复用器件、第一探测器、第二探测器、探测电路和计算机； 第一光源发出λ工波段的光，第二光源发出λ 2波段的光，第一光源和第二光源发出光输入至耦合器，耦合器对两束光进行耦合，输出至定向耦合器，通过至定向耦合器后进入敏感光纤，通过敏感光纤末端的反射装置，光进行反射，又输入至定向耦合器，通过定向耦合器输出至波分复用器件的输入段，波分复用器件对输入光进行分离，λ i波段的光输出至第一探测器，λ 2波段的光输出至第二探测器，第一探测器和第二探测器对两路光信号进行探测，分别得到两路光信号的功率，将功率输出至探测电路，探测电路将探测到的光信号转化为电信号，并且进行滤波放大，输出到计算机，计算机对光纤衰减数据进行处理，解调出温度信息，进行显示和存储。
5.根据权利要求4所述的一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的双波长差分温度测量系统，其特征在于，所述的敏感光纤为经过辐照并退火处理的光纤，敏感光纤对入1和λ2两个波段的光衰减具有温度依赖性，其中一个波长衰减随温度增加而增加，另一波长的光衰减随温度的增加而降低。
6.一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的双波长差分温度测量系统，其特征在于，包括第一光源、第二光源、第一分光器、第二分光器、稱合器、敏感光纤、波分复用器件、多通道探测器、探测电路和计算机； 第一光源发出λ工波段的光，第二光源发出λ 2波段的光，第一光源发出的光进入第一分光器，然后分为两束，一束输入至耦合器，一束输出至多通道探测器，第二光源发出的光进入第二分光器，然后分为两束，一束输入至耦合器，一束输出至多通道探测器，输出至多通道探测器的两束光形成参考两路参考光路，波长分别为X1波段和λ 2波段，参考光路输出功率直接由多通道探测器接收，然后输出至探测电路； 耦合器对两束光进行耦合，通过通信光纤输出至敏感光纤，通过敏感光纤后，输出至波分复用器件，波分复用器件对输入光进行分离，分离为X1波段的光和λ 2波段的光，输出至多通道探测器，多通道探测器对两路光信号进行探测，分别得到两路光信号的功率，将功率输出至探测电路，探测电路将探测到的光信号转化为电信号，并且进行滤波放大，输出到计算机，计算机对光纤衰减数据进行处理，解调出温度信息，进行显示和存储。
7.根据权利要求6所述的一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的双波长差分温度测量系统，其特征在于，所述的第一光源、第二光源某一时刻两波长的入射光功率为随时间变化的^⑴和吃⑴，光纤在为X1波段和λ2波段输出功率分别为ρλ1α)和ρλ2α);则，此时光纤的在两波段的总衰减A α)为
8.根据权利要求6所述的一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的双波长差分温度测量系统，其特征在于，所述的敏感光纤为经过辐照并退火处理的光纤，敏感光纤对入1和λ2两个波段的光衰减具有温度依赖性，其中一个波长衰减随温度增加而增加，另一波长的光衰减随温度的增加而降低。
全文摘要
本发明公开一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的双波长差分温度测量系统，当采用透射光路时，包括第一光源、第二光源、耦合器、敏感光纤、波分复用器件、第一探测器、第二探测器、探测电路和计算机，当引入参考光路时，包括第一光源、第二光源、第一分光器、第二分光器、耦合器、敏感光纤、波分复用器件、多通道探测器、探测电路和计算机，提高了系统抗光源干扰能力。另外，本发明可以在敏感光纤末端设置反射装置构成反射式双波长差分温度测量系统。本发明采用辐照并退火处理的光纤作为温度敏感元件，制作简单；采用双波长差分测量方案，增加测量信号强度的同时，有效抑制了光纤弯曲等引起的光路共模噪声，提高了测量精度，可用于高精度温度测量。
文档编号G01K11/32GK102901581SQ201210278999
公开日2013年1月30日 申请日期2012年8月7日 优先权日2012年8月7日
发明者金靖, 郭建华, 宋凝芳, 徐娆美, 宋镜明, 徐宏杰 申请人:北京航空航天大学
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