本發(fā)明涉及一種光纖傳感器，具體涉及一種基于微納長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的溫度檢測(cè)裝置及方法。

背景技術(shù)：

長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器是指在光纖的纖芯中引入折射率的周期性變化，周期與紅外波在同一數(shù)量級(jí)，通常為幾百微米。長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器將導(dǎo)波中某一頻段的光耦合到包層中損耗掉，其傳輸特性會(huì)因?yàn)橥饨鐟?yīng)力、溫度等因素的影響而發(fā)生改變，通過(guò)諧振波長(zhǎng)的調(diào)諧來(lái)獲得傳感信息，具有抗電磁干擾、抗腐蝕、電絕緣、高靈敏度和低成本以及和普通光纖的良好的兼容性等優(yōu)點(diǎn)，適合用于精密、精確測(cè)量。與普通的Bragg光柵相比，長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)環(huán)境的變化反應(yīng)更加靈敏，且具有低反射、測(cè)量方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的傳感元件。因此，高靈敏度的光纖光柵傳感器是現(xiàn)代傳感器發(fā)展的一個(gè)重要方向，長(zhǎng)周期光纖光柵用于傳感，已有技術(shù)報(bào)道。2012年，白育堃等研究人員提出了級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光子晶體光纖光柵溫度傳感器的發(fā)明專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)?01210525114.9，該發(fā)明采用的是級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光子晶體光纖光柵，在包層空氣孔中填充熱敏物質(zhì)，光柵周期可由實(shí)際所選波段確定。通過(guò)控制熱敏物質(zhì)的溫度，改變光柵耦合模式的有效折射率，從而改變光柵透射譜的中心波長(zhǎng)，使溫度的變化體現(xiàn)為透射譜線的偏移，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)可調(diào)諧的溫度傳感特性。同年，喬學(xué)光等研究人員提出雙周期光纖光柵溫濕度傳感器的發(fā)明專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)?01210088050.0，該發(fā)明專(zhuān)利是當(dāng)外界環(huán)境的溫度和濕度發(fā)生變化時(shí)，長(zhǎng)周期光纖光柵纖芯基模和包層模的有效折射率及光柵周期發(fā)生變化，諧振波長(zhǎng)發(fā)生變化，折射率發(fā)生改變，通過(guò)檢測(cè)感溫型長(zhǎng)周期光纖光柵和感濕型長(zhǎng)周期光纖光柵的透射波長(zhǎng)，可得到環(huán)境的溫度與濕度信息，實(shí)現(xiàn)雙參量同時(shí)測(cè)量；2013年，楊玉強(qiáng)等研究人員提出基于長(zhǎng)周期光柵解調(diào)普通光纖光柵的溫度傳感器的發(fā)明專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)?01310316860.1，該發(fā)明有效消除了光源功率起伏對(duì)光纖光柵傳感器解調(diào)精度的影響。2015年，M.Najaria等研究人員提出基于微納長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的溫度和應(yīng)力傳感系統(tǒng)(Najari M,Javan A M,Amiri N.Hybrid all-fiber sensor for simultaneous strain and temperature measurements based on Mach–Zehnder interferometer[J].Optik-International Journal for Light and Electron Optics,2015,126(19):2022-2025.)；2016年，Jia Shi等研究人員提出長(zhǎng)周期光纖光柵級(jí)聯(lián)保偏光纖的溫度和折射率檢測(cè)系統(tǒng)(Shi J,Su G,Xu D,et al.A Dual-Parameter Sensor Using a Long-Period Grating Concatenated With Polarization Maintaining Fiber in Sagnac Loop[J].IEEE Sensors Journal,2016,16(11):4326-4330.)。

由于普通單模光纖的長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器諧振帶寬較大，導(dǎo)致中心波長(zhǎng)難以準(zhǔn)確測(cè)量，引起溫度檢測(cè)的精度不高；另外，由于其透射譜帶寬比較大，測(cè)量中如果光譜儀的分辨率比較低，就會(huì)引入比較大的波長(zhǎng)讀數(shù)誤差，限制了普通單模光纖的長(zhǎng)周期光柵傳感器的測(cè)量分辨率。正是由于這些原因，使得直接測(cè)量普通單模光纖的長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的透射峰來(lái)獲得溫度的信息是非常不準(zhǔn)確的，在真正實(shí)施應(yīng)用方面就顯得測(cè)量精度不夠和具有誤差較大的缺點(diǎn)等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于微納長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的溫度檢測(cè)裝置及方法，提高了溫度檢測(cè)精度。

技術(shù)方案：本發(fā)明提供了一種基于微納長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的溫度檢測(cè)裝置，包括依次連接的寬帶光源、微納長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器、聲光調(diào)制器、第一耦合器、光纖、第二耦合器、光電探測(cè)器和信號(hào)處理單元，所述光纖包括第一光纖和第二光纖，第一耦合器分別通過(guò)第一光纖和第二光纖連接至第二耦合器。

為了增加待檢測(cè)溫度的范圍，所述寬帶光源為1525nm～1565nm波段的自發(fā)輻射放大的寬帶光源。

進(jìn)一步，所述第一光纖和第二光纖為單模光纖、色散位移光纖和高非線性光纖中的一種或兩種。

進(jìn)一步，所述光電探測(cè)器為平衡探測(cè)器，響應(yīng)波長(zhǎng)與寬帶光源波段一致，用以提高測(cè)量精度。

一種基于微納長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的溫度檢測(cè)方法，寬帶光源發(fā)出激光信號(hào)進(jìn)入微納長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器，從微納長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器輸出的激光信號(hào)進(jìn)入聲光調(diào)制器，經(jīng)聲光調(diào)制器調(diào)制后輸出移頻的調(diào)制信號(hào)，調(diào)制信號(hào)經(jīng)第一耦合器分成兩束信號(hào)光，分別經(jīng)過(guò)第一光纖和第二光纖進(jìn)入第二耦合器進(jìn)行合并后輸出待分析的激光信號(hào)，待分析的激光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理單元測(cè)量其信號(hào)的強(qiáng)度信息，參照事先標(biāo)定的強(qiáng)度信息和溫度的定量關(guān)系獲取待測(cè)的溫度信息。

進(jìn)一步，溫度的變化引起微納長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器透射波長(zhǎng)的改變，第一光纖和第二光纖之間的相位差發(fā)生變化，引起進(jìn)入光電探測(cè)器的光功率的改變，使得光電探測(cè)器輸出電信號(hào)的強(qiáng)度發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量其電信號(hào)強(qiáng)度變化獲得待測(cè)溫度。

有益效果：本發(fā)明利用了微納長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的中心波長(zhǎng)對(duì)于溫度的高靈敏度，溫度變化時(shí)，微納長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)變化，第一光纖和第二光纖之間的相位差發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量引起的檢測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)的強(qiáng)度變化來(lái)獲得待測(cè)溫度信息，能夠精確檢測(cè)溫度信息，具有成本低廉和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實(shí)施例中微納長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的透射光譜；

圖3為實(shí)施例中溫度變化的頻譜示意圖；

圖4為實(shí)施例中不同溫度情況下的信號(hào)強(qiáng)度關(guān)系示意圖。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。

實(shí)施例：

實(shí)施例1：一種基于微納長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的溫度檢測(cè)裝置，如圖1所示，包括寬帶光源100、微納長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器101、聲光調(diào)制器102、第一耦合器103、第一光纖104、第二光纖105、第二耦合器106、光電探測(cè)器107和信號(hào)處理單元108。寬帶光源100、微納長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器101、聲光調(diào)制器102和第一耦合器103依次相連，第一耦合器103經(jīng)第一光纖104、第二光纖105兩條光路分別連接至第二耦合器106，而后依次連接光電探測(cè)器107和信號(hào)處理單元108。本實(shí)施例中寬帶光源100為Amonics ALS-18光源，輸出功率為18dBm，波長(zhǎng)范圍為1528～1564nm，其發(fā)出的激光進(jìn)入到微納長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器101的一個(gè)端口，微納長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器101是利用CO₂脈沖激光器在普通單模微納光纖上刻制20個(gè)周期柵距為100μm的微納長(zhǎng)周期微納光纖光柵傳感器，該普通單模微納光纖是利用普通單模拉制成直徑為6.2μm的微納光纖，其透射光譜如圖2所示，可以看出，其中心波長(zhǎng)為1537.5nm。寬帶激光經(jīng)微納長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器101的另一個(gè)端口輸出進(jìn)入到聲光調(diào)制器102Gooch&Housego Fiber-Q的輸入端口，被聲光調(diào)制器102調(diào)制的激光信號(hào)從聲光調(diào)制器102的輸出端口輸出，輸出移頻的調(diào)制信號(hào)經(jīng)3dB的第一耦合器103分出兩束信號(hào)光，一束信號(hào)光經(jīng)第一光纖104普通單模光纖，長(zhǎng)度為2km后進(jìn)入3dB的第二耦合器106的輸入端，另一束信號(hào)光經(jīng)第二光纖105普通單模光纖，長(zhǎng)度為2.1km后進(jìn)入第二耦合器106的輸入端，這兩束信號(hào)光在第二耦合器106上混合后從其輸出端輸出信號(hào)光，該信號(hào)光進(jìn)入光電探測(cè)器107的輸入端，光電探測(cè)器107為50GHz的Finisar XPDV21x0RA，響應(yīng)波長(zhǎng)為1528～1564nm，被光電探測(cè)器107轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理單元108，經(jīng)信號(hào)處理單元108處理后，獲得微納長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器101上的溫度變化信息。

上述溫度檢測(cè)方法的原理為溫度的變化引起微納長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器101透射波長(zhǎng)的改變，第一光纖104和第二光纖105之間的相位差發(fā)生變化，從而引起進(jìn)入光電探測(cè)器107的光功率的改變，使得光電探測(cè)器107輸出電信號(hào)的強(qiáng)度發(fā)生變化，由于該強(qiáng)度信息與溫度具有定量關(guān)系，可事先進(jìn)行標(biāo)定，溫度檢測(cè)時(shí)通過(guò)測(cè)量電信號(hào)強(qiáng)度的變化獲得待測(cè)溫度。

具體輸出溫度變化的頻譜如圖3所示，可以看出，信號(hào)的中心頻率為199.92MHz，溫度為35℃時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度高于30℃時(shí)的強(qiáng)度，溫度和信號(hào)強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖4所示，從圖4可以看出，隨著溫度的增加，信號(hào)的強(qiáng)度呈線性增加，其斜率為0.46a.u/℃，因此，按照該規(guī)律進(jìn)行標(biāo)定后，可通過(guò)測(cè)量光電探測(cè)器107輸出信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)獲得微納長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器101感應(yīng)到的溫度信息。

實(shí)施例2：與實(shí)施例1溫度檢測(cè)裝置及方法大致相同，所不同的是第一光纖104為1.8km的高非線性光纖，第二光纖105為1.2km的色散位移光纖。