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光纤温度测量仪

阅读：100发布：2021-02-25

IPRDB可以提供光纤温度测量仪专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种光纤温度测量仪，特别是用于测量温度信号的由光纤和倾斜光纤光栅为传感基质的测量仪。采用倾斜光纤光栅对该传感器进行干涉谱测量及分析的方案。本发明公开了一种光纤温度测量仪，其技术方案如下：这种光纤温度测量仪，包括光源、单模光纤、微处理器等。其特点是：将传感器的干涉谱，耦合到光纤外，并使不同波长的光与光纤轴成不同的夹角。光电探测阵列放置于特定位置，使得经由光学透镜汇聚的光，照射到光电探测阵列的不同感光位置。本发明的有益效果是：利用光纤法布里－珀罗干涉腔作为温度传感元件。采用倾斜光纤光栅和光电探测阵列进行波长解调。测量仪结构紧凑、测量精度高、抗干扰，耐腐蚀，适合在恶劣环境下工作等。，下面是光纤温度测量仪专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种光纤温度测量仪，它包括：光源(1)，光分路器(2)，传感器(3)，倾斜光纤光栅(4)，导光装置(5)，光学透镜(6)，光电探测阵列(7)，微处理器及驱动电路(8)，连接用单模光纤(9)，其特征在于：用单模光纤(9)分别将光源(1)与光分路器(2)、光分路器(2)与传感器(3)、光分路器(2)与倾斜光纤光栅(4)相连；倾斜光纤光栅(4) 浸埋到导光装置(5)中，光电探测器阵列(7)放置于光学透镜(6)的焦平面上，并与微处理器及驱动电路(8)相连。

2.根据权利要求1所述的光纤温度测量仪，其特征在于：倾斜光纤光栅为波长解调器件。

3.根据权利要求1所述的光纤温度测量仪，其特征在于：传感器是光纤干涉仪、光纤光栅、或其它能由温度引起光谱变化的光学器件。

4.根据权利要求1所述的光纤温度测量仪，其特征在于：导光装置是折射率匹配液、光学镜组、光学玻璃。

5.根据权利要求1所述的光纤温度测量仪的应用，其特征在于：通过改变传感器的类型，可以测量其它物理量、化学量，如应变、压力。

说明书全文

技术领域

本发明涉及一种光纤温度测量仪，特别是用于测量温度信号的由光纤和倾斜光纤光栅为传感基质的测量仪，属于传感技术领域。

背景技术

光纤光栅是一种新型的光子器件，它是在光纤中建立起的一种空间周期性的折射率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。倾斜光纤光栅是利用特殊的写制方法，在光纤的纤芯内写入与光纤轴向成一定夹角的光栅。由此，可以将特定波长范围的光从光纤纤芯耦合到光纤包层中。
光纤法布里-珀罗(F-P)温度传感器的原理是光纤法布里-珀罗(F-P)干涉腔。它是借助于某种装置，将被测温度参量的变化转换为作用于光纤F-P干涉腔中腔长的变化或折射率变化，从而引起干涉谱条纹的相位及间距的变化。通过标定并建立干涉谱条纹的相位及间距与被测温度量的变化关系，即可由干涉谱条纹的相位及间距的变化，测量并计算出被测温度量的变化。
但是，现有的技术中，均是采用复杂的光谱测量仪器对光纤F-P传感器进行干涉谱的测量与分析，尚未有采用倾斜光纤光栅对该传感器进行干涉谱测量及分析的方案。

发明内容

本发明的目的旨在利用光纤F-P温度传感器作为传感器件，采用倾斜光纤光栅和光电探测阵列对干涉谱进行测量，并采用微处理器对测量结果进行分析处理，构成光纤温度测量仪。可应用于各种接触式温度信号测量。
本发明是一种新型的光纤温度测量仪，利用光纤F-P温度传感器作为传感器件，采用倾斜光纤光栅和光电探测阵列对干涉谱进行测量，并采用微处理器对测量结果进行分析处理。检索结果表明，目前尚没有与之一致的光纤温度测量仪的专利报导。
本发明公开了一种光纤温度测量仪，其技术方案如下：
这种光纤温度测量仪，包括光源、单模光纤、光分路器、光纤F-P温度传感器、倾斜光纤光栅、导光装置、光学透镜、光电探测阵列及驱动电路、微处理器。其特点是：用单模光纤分别将光源与光分路器、光分路器与传感器、光分路器与倾斜光纤光栅相连；倾斜光纤光栅浸埋到导光装置中，光电探测器阵列放置于光学透镜的焦平面上，并与微处理器及驱动电路相连。也就是利用倾斜光纤光栅和导光装置，将光纤F-P温度传感器的干涉谱，耦合到光纤外，并使不同波长的光与光纤轴成不同的夹角。光电探测阵列放置于光学透镜焦平面上的特定位置，使得经由光学透镜汇聚的光，照射到光电探测阵列的不同感光位置。微处理器驱动光电探测阵列，测量不同波长的光强并进行信号处理与分析，计算得出温度参量的变化。
光源采用扫描激光器或宽带光源。其波段应能覆盖倾斜光纤光栅的波段。光源发出的宽带光，经传导用单模光纤和光分路器，入射到光纤F-P温度传感器。光纤F-P温度传感器后的干涉谱信号，其相位和间距与温度成一定的函数关系。可以利用其透射光或反射光进行测量。光纤F-P温度传感器的干涉光，经由光分路器入射到倾斜光纤光栅上。光经倾斜光纤光栅后，不同波长的光会以不同的夹角从倾斜光纤光栅纤芯耦合到包层中。由于光纤包层的折射率比空气的折射率大，因此，会存在全反射现象，使得某些波长的光无法从光纤的包层中耦合到空气中。采用导光装置，破坏全反射条件，将光信号从光纤的包层中导出。此时，耦合到空气中的光，其不同波长的光，与光纤轴向的夹角不同，但不同位置的同一波长的光，相互之间是平行的。因此，利用光学透镜，可以将这些不同波长的平行光汇聚到透镜焦平面的不同位置处。光电探测阵列即放置在对应的位置。此时，光电探测阵列的不同位置，即对应于不同波长的光。利用微处理器驱动光电探测阵列，获得空间各处的光强分布，即可计算得出干涉谱的分布，并进而计算出温度参量的变化。
倾斜光纤光栅的波长随温度会发生微小的变化。但由于采集的信号是一个较宽范围的干涉谱，并且参与计算的物理量为干涉谱内干涉峰的间距(相对距离)。因此，倾斜光纤光栅的温度特性，并不会影响此光纤温度测量仪的测量精度。
测试原理是：
对于光纤F-P传感器。设其两个光纤端面间距离为d，光纤端面之间为空气，折射率为1，光纤的端面反射率为R。当入射光为I0时，其反射光Ir为：

I_{r} = \frac{2 R [1 - \cos (\frac{4 πd}{λ})]}{1 + R^{2} - 2 R \cos (\frac{4 πd}{λ})} I_{0} - - - (1)

设测量得到相邻两个干涉峰极大值为λm和λm+1，则由(1)式可以计算得出光纤端面之间的距离d为：

d = \frac{λ_{m + 1} λ_{m}}{2 | λ_{m + 1} - λ_{m} |} - - - (2)

光纤F-P温度传感器的结构，使得光纤端面之间的距离d与温度之间存在一定的函数关系：
d＝f(T) (3)
则有：

T = f^{- 1} (\frac{λ_{m + 1} λ_{m}}{2 | λ_{m + 1} - λ_{m} |}) - - - (4)

即可由测量得到的干涉谱计算得出需要测量的温度值。
对于倾斜光纤光栅，其耦合到光纤外部的光强，满足以下关系：

\cos (θ) = \frac{\frac{λ}{Λ} \cos (ξ) - n_{eff}}{n_{clad}} - - - (5)

其中，θ出射光与光纤轴的夹角，λ为出射光波长，Λ为倾斜光栅的栅格周期，ξ为倾斜光栅的成栅平面与光纤法平面的夹角，neff为光纤的有效折射率，nclad为光纤包层的折射率。
由此，由光纤F-P干涉腔反射回的不同波长的光，将在倾斜光栅的栅区，以不同的夹角耦合到光纤包层中。当在光纤外部采用折射率匹配液、光学镜组或光学玻璃等，使得光纤外部的折射率与光纤包层折射率相同时，这些光将被引出到光纤外部。
对倾斜光栅的理论分析还表明，相同波长的出射光，彼此是平行的。因此，可以利用光学透镜将其汇聚到透镜的焦平面上。由透镜的基本原理可知，。不同波长的光，将汇聚到透镜焦平面的不同位置。
光电探测阵列如CCD、光电二极管阵列等被放置于透镜的焦平面上。使得不同波长的光，汇聚到光电探测阵列的不同感光单元处。此时，不同感光单元所接收到的光强，即可代表不同波长的光的光强。通过驱动及AD转换电路，将光电探测阵列中各点光强转换为模拟信号，即可送入微处理器进行数据分析，计算得出待测温度值。
本发明的有益效果是：利用光纤F-P干涉腔作为温度传感元件。采用倾斜光纤光栅和光电探测阵列进行波长解调。基于光纤本身的优点，这种温度测量仪具有结构紧凑、测量精度高、抗干扰，耐腐蚀，适合在恶劣环境下工作等特点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图
图中：1.光源 2.光分路器 3.光纤温度传感器 4.倾斜光纤光栅 5.导光装置 6.光学透镜 7.光电探测阵列 8.微处理器及驱动电路 9.单模光纤

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
这种光纤温度测量仪，包括：光源1，光分路器2，光纤温度传感器3，倾斜光纤光栅 4，导光装置5，光学透镜6，光电探测阵列7，微处理器及驱动电路8、连接用单模光纤9。其特点是：用单模光纤9分别将光源1与光分路器2、光分路器2与光纤F-P干涉腔3、光分路器2与倾斜光纤光栅4相连。倾斜光纤光栅4浸入或埋入到导光装置5中。光电探测器阵列7放置于光学透镜6的焦平面上，并与微处理器及驱动电路8相连。光电探测器阵列7的位置，需要根据光源1的工作波段的值进行调整，以使得能覆盖光源的工作波段。
光源1可以是宽带光源或窄带可调谐光源。
光分路器2可以是光耦合器、光环形器等光学器件。
光纤温度传感器3可以是光纤F-P干涉腔、光纤光栅等光纤温度传感器。
导光装置5可以是折射率匹配液或光学玻璃等折射率与光纤相近的光学介质。
光电探测阵列7可以是CCD阵列或光电二极管阵列或其它光电传感器组成的阵列。
实施例：
光源1的工作波段为1500-1540nm。倾斜光纤光栅4的中心波长为1520nm，带宽为30nm。中心波长处反射率为90％。导光装置5采用折射率匹配液，光学透镜6采用焦距为15cm的柱透镜。光电探测阵列7采用CCD线性阵列，其响应中心波长为1510，响应带宽为50nm。单模光纤9采用1550nm波段的单模光纤。
在实际应用时，用单模光纤9将光源1与光分路器2、光纤温度传感器3和倾斜光纤光栅4对应相连。将倾斜光纤光栅4浸入到折射率匹配液5中，调整光学透镜6的位置，使之能对工作波段内的光进行汇聚。调整光电探测阵列7的位置，使之位于光学透镜6的焦平面上，并且线阵方向与光波长变化方向一致。

标题	发布/更新时间	阅读量
温度控制仪-专利编号CN108427448A	2020-05-11	848
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