專(zhuān)利名稱(chēng)：基于單模-多模-單模光纖模間干涉溫度測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于單模-多模-單模光纖模間干涉溫度測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
與電傳感器相比較，光纖傳感具有集成度高、抗干擾能力前、成本低廉、靈敏度和精度高、絕緣性好、可實(shí)現(xiàn)分布測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，因此光纖傳感已經(jīng)成為一個(gè)熱門(mén)的研究領(lǐng)域。光纖傳感器可用于測(cè)量應(yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)、溫度、位移、聲音和濕度等物理量。光纖傳感已經(jīng)廣泛應(yīng)用于交通、軍工、建筑、能源、安全、冶金等領(lǐng)域。目前用于測(cè)量溫度的儀器主要有溫度計(jì)、熱電阻、熱電偶和紅外測(cè)溫儀等，但這些儀器都存在量程有限、精度不高、無(wú)法長(zhǎng)距離和在狹小空間進(jìn)行溫度測(cè)量的缺點(diǎn)；而光纖溫度傳感很好的解決了上述缺點(diǎn)。目前，與光纖溫度傳感相關(guān)的專(zhuān)利主要采用光纖F-P技術(shù)、長(zhǎng)周期光纖光柵(LPG)技術(shù)、光纖布拉格光柵(FBG)技術(shù)、光纖背向散射(Rayleigh、Brillouin、Raman)技術(shù)。但是，這些技術(shù)對(duì)光纖和探測(cè)器的要求較高，不利于成本的降低?；赟MS光纖結(jié)構(gòu)的溫度傳感逐漸開(kāi)始引起人們的關(guān)注，SMS光纖結(jié)構(gòu)在溫度變化時(shí)其輸出干涉光譜會(huì)發(fā)生藍(lán)移或紅移，利用光譜測(cè)量技術(shù)(如光譜儀等)可實(shí)現(xiàn)溫度的高靈敏度傳感；目前該技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了15pm/°C -58.5pm/°C。但是基于SMS光纖結(jié)構(gòu)的溫度傳感技術(shù)需要利用光譜儀對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，導(dǎo)致該傳感器存在體積大、價(jià)格昂貴、不利于系統(tǒng)集成等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、靈敏度高和集成度高的光纖溫度傳感裝置，該傳感裝置是基于單模-多模-單模光纖(SMS)結(jié)構(gòu)在溫度變化時(shí)其輸出光功率的變化規(guī)律而設(shè)計(jì)，只需測(cè)量輸出光功率，不需要光譜儀對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，獲得的精度在5%以內(nèi)。該傳感裝置不僅可用于測(cè)量溫度，也可結(jié)合相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力和振動(dòng)的測(cè)量。為了解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)了一種基于單模-多模-單模光纖模間干涉溫度測(cè)量裝置，其特征在于，包括激光器、SMS光纖、PIN管、數(shù)據(jù)采集卡以及信號(hào)處理器，所述SMS光纖由第一單模光纖、多模光纖和第二單模光纖級(jí)聯(lián)而成，所述激光器輸出連接SMS光纖的一端的第一單模光纖，第二單模光纖與PIN管輸入連接，PIN管輸出與數(shù)據(jù)采集卡輸入連接，數(shù)據(jù)采集卡輸出連接信號(hào)處理器，所述信號(hào)處理器利用SMS光纖輸出光功率攜帶模間相對(duì)相位變化信息，獲得溫度測(cè)量值。進(jìn)一步，作為優(yōu)選，所述SMS光纖由G.652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和50/125階躍型多模光纖構(gòu)成。進(jìn)一步，作為優(yōu)選，所述信號(hào)處理器利用模間相對(duì)相位值A(chǔ)tp與溫差A(yù)T的正比關(guān)系，獲得溫度測(cè)量值。
進(jìn)一步，作為優(yōu)選，所述模間相對(duì)相位值A(chǔ)f與溫差A(yù) T有如下關(guān)系A(chǔ)cp=kPAT，其中常數(shù)K 0通過(guò)定標(biāo)獲得。進(jìn)一步，作為優(yōu)選，對(duì)SMS光纖輸出光信號(hào)做Hilbert變換得到模間相對(duì)相位變化信息，最終得到溫度變化信息。本發(fā)明提供了一種基于SMS光纖結(jié)構(gòu)在溫度變化時(shí)其輸出光功率的變化規(guī)律而設(shè)計(jì)的光纖溫度傳感裝置。該光纖溫度傳感裝置采用的光纖為普通單模光纖和多模光纖；由于基于光功率測(cè)量，該光纖溫度傳感裝置采用的探測(cè)器為普通PIN管，無(wú)需采用頻譜儀。因此，本發(fā)明除了具備一般光纖溫度傳感的優(yōu)點(diǎn)外，還有效的解決了目前光纖溫度傳感技術(shù)存在的成本較高、系統(tǒng)復(fù)雜的缺點(diǎn)。


當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，通過(guò)參照下面的詳細(xì)描述，能夠更完整更好地理解本發(fā)明以及容易得知其中許多伴隨的優(yōu)點(diǎn)，但此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本發(fā)明的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定，其中圖1為SMS光纖結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明溫度傳感裝置示意圖。圖3為該本發(fā)明溫度傳感測(cè)量系統(tǒng)示意圖。圖4為溫度線性緩慢上升時(shí)光功率信號(hào)的電壓值隨時(shí)間的變化曲線。圖5為溫度線性緩慢上升時(shí)光纖測(cè)量的溫差隨時(shí)間變化曲線。圖6為溫度線性緩慢下降時(shí)光功率信號(hào)的電壓值隨時(shí)間的變化曲線。圖7為溫度線性緩慢下降時(shí)光纖測(cè)量的溫差隨時(shí)間變化曲線。圖8為溫度快速上升時(shí)光功率信號(hào)的電壓值隨時(shí)間的變化曲線。圖9為溫度快速上升時(shí)光纖測(cè)量的溫差隨時(shí)間變化曲線。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1-9對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。為使上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。如圖2所示，一種基于單模-多模-單模光纖模間干涉溫度測(cè)量裝置，包括激光器201、SMS光纖、PIN管206、數(shù)據(jù)采集卡207以及信號(hào)處理器208，所述SMS光纖由第一單模光纖103、多模光纖104和第二單模光纖級(jí)105聯(lián)而成,所述激光器202輸出連接SMS光纖的一端的第一單模光纖103，第二單模光纖105與PIN管206輸入連接，PIN管206輸出與數(shù)據(jù)采集卡207輸入連接，數(shù)據(jù)采集卡207輸出連接信號(hào)處理器208，所述信號(hào)處理器208利用SMS光纖輸出光功率攜帶模間相對(duì)相位變化信息，獲得溫度測(cè)量值。例如采用1550nm DFB激光器202光源，輸出功率約為10mw，激光器202尾纖連接一段SMS光纖，SMS光纖結(jié)構(gòu)由G. 652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和長(zhǎng)度為10米的50/125階躍型多模光纖構(gòu)成，光纖置于測(cè)試環(huán)境中，測(cè)試環(huán)境由水槽305和加熱板304組成,數(shù)字信號(hào)處理部分由PIN管206、數(shù)據(jù)采集卡207和信號(hào)處理器208 (Labview軟件)組成，激光器202和信號(hào)采集部分在系統(tǒng)集成箱201中。如附圖1所示，激光器輸出光101經(jīng)第一單模光纖纖芯106耦合進(jìn)入多模光纖纖芯107,激勵(lì)多模光纖中大量模式傳輸,這些模式相互干涉,在光纖橫截面109上形成不同的干涉圖樣110，即散斑，輸出端的第二單模光纖105耦合光纖橫截面109某局部區(qū)域的光強(qiáng)輸出。由以上分析知，輸出光強(qiáng)102與多模光纖所處的環(huán)境溫度有關(guān)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的原理如下:SMS光纖結(jié)構(gòu)由兩段單模光纖和熔接在它們中間的一段多模光纖構(gòu)成。激光器輸出光經(jīng)單模光纖耦合進(jìn)入多模光纖，激勵(lì)多模光纖中大量模式傳輸，這些模式相互干涉，在光纖橫截面上形成不同的干涉圖樣，即散斑，輸出端的單模光纖耦合某局部區(qū)域的光強(qiáng)輸出。散斑的空間分布形式由激勵(lì)條件(單模光纖到多模光纖的耦合)和眾多模式之間的相位差決定，因此，在耦合條件不變的情況下，檢測(cè)光功率的變化即可獲得模式之間的相位差的變化，進(jìn)而解調(diào)得到引起相位差變化的外部因素，如環(huán)境溫度，從而實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè)。當(dāng)多模光纖所處環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，由于熱光效應(yīng)和熱脹冷縮，纖芯折射率和光纖長(zhǎng)度均發(fā)生變化，溫度T時(shí)模式有效折射率n和光纖長(zhǎng)度的變化可用下式表示:
權(quán)利要求
1.一種基于單模-多模-單模光纖模間干涉溫度測(cè)量裝置，其特征在于，包括激光器、SMS光纖、PIN管、數(shù)據(jù)采集卡以及信號(hào)處理器，所述SMS光纖由第一單模光纖、多模光纖和第二單模光纖級(jí)聯(lián)而成，所述激光器輸出連接SMS光纖的一端的第一單模光纖，第二單模光纖與PIN管輸入連接，PIN管輸出與數(shù)據(jù)采集卡輸入連接，數(shù)據(jù)采集卡輸出連接信號(hào)處理器，所述信號(hào)處理器利用SMS光纖輸出光功率攜帶模間相對(duì)相位變化信息，獲得溫度測(cè)量值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于單模-多模-單模光纖模間干涉溫度測(cè)量裝置，其特征在于，所述SMS光纖由G.652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和50/125階躍型多模光纖構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于單模-多模-單模光纖模間干涉溫度測(cè)量裝置，其特征在于，所述信號(hào)處理器利用模間相對(duì)相位值A(chǔ)φ與溫差ΔT的正比關(guān)系，獲得溫度測(cè)量值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于單模-多模-單模光纖模間干涉溫度測(cè)量裝置，其特征在于，所述模間相對(duì)相位值A(chǔ)φ與溫差Δ T有如下關(guān)系:Δφ=KβΔT，其中常數(shù)K β通過(guò)定標(biāo)獲得。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任意一項(xiàng)所述基于單模-多模-單模光纖模間干涉溫度測(cè)量裝置，其特征在于，對(duì)SMS光纖輸出光信號(hào)做Hilbert變換得到模間相對(duì)相位變化信息，最終得到溫度變化信息。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于單模-多模-單模光纖模間干涉溫度測(cè)量裝置，包括激光器、SMS光纖、PIN管、數(shù)據(jù)采集卡以及信號(hào)處理器，所述SMS光纖由第一單模光纖、多模光纖和第二單模光纖級(jí)聯(lián)而成，所述激光器輸出連接SMS光纖的一端的第一單模光纖，第二單模光纖與PIN管輸入連接，PIN管輸出與數(shù)據(jù)采集卡輸入連接，數(shù)據(jù)采集卡輸出連接信號(hào)處理器，所述信號(hào)處理器利用SMS光纖輸出光功率攜帶模間相對(duì)相位變化信息，獲得溫度測(cè)量值。
文檔編號(hào)G01K11/32GK103076111SQ20131000391
公開(kāi)日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月6日
發(fā)明者黃澤鋏, 王智, 李強(qiáng), 徐雅芹, 張凌云, 史驥 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)