一種利用光纖薩格納克干涉儀測(cè)量溫度場(chǎng)的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種利用光纖薩格納克干涉儀測(cè)量溫度場(chǎng)的方法，所述方法包括如下步驟：a)搭建級(jí)聯(lián)Sagnac干涉儀測(cè)量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括寬帶光源泵浦源、第一摻雜稀土元素光纖、第二摻雜稀土元素光纖、一支波分復(fù)用器、第一光耦合器、第二光耦合器、第一光纖Sagnac環(huán)、隔離器、第二光纖Sagnac環(huán)、光譜儀；b)將第一光纖Sagnac環(huán)和第二光纖Sagnac環(huán)置于可控溫度的環(huán)境中，進(jìn)行溫度標(biāo)定；c)逐漸改變環(huán)境中的溫度，光譜儀采集第二光纖Sagnac環(huán)輸出的光譜，記錄梳狀譜移動(dòng)的長度，擬合梳狀譜波長偏移隨溫度變化的關(guān)系曲線；d)利用所擬合的梳狀譜波長偏移隨溫度變化的關(guān)系曲線對(duì)待測(cè)環(huán)境進(jìn)行溫度測(cè)量。
【專利說明】
一種利用光纖薩格納克干涉儀測(cè)量溫度場(chǎng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光纖干涉領(lǐng)域，特別涉及一種利用光纖薩格納克干涉儀測(cè)量溫度場(chǎng)的 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 通常，光纖化的傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長、對(duì)測(cè)試量敏感、傳輸信道多等 優(yōu)勢(shì)廣泛地應(yīng)用于光纖傳感、光纖通信、光學(xué)加工等領(lǐng)域。通過光纖端面微加工技術(shù)或搭建 具有干涉結(jié)構(gòu)的全光纖傳感器，在栗浦源作用下，輸出具有梳狀譜圖樣的干涉譜曲線。2011 年范林勇等人設(shè)計(jì)了一種基于雙芯光纖的馬赫-曾德干涉儀，應(yīng)用于磁場(chǎng)、溫度和應(yīng)變量的 測(cè)量，干涉條紋襯幅比約為10dBm，條紋間隔約為211111。2013年鄒卉等人用兩支3dB耦合器制 成馬赫-曾德干涉系統(tǒng)，結(jié)合雙芯光纖，構(gòu)成雙級(jí)結(jié)構(gòu)的馬赫-曾德干涉儀，條紋襯幅比約為 30dBm。光纖馬赫-曾德干涉儀具有結(jié)構(gòu)簡單、條紋襯比度高、梳狀譜密集等優(yōu)勢(shì)，常被用于 光纖傳感領(lǐng)域。
[0003] 然而，此種方法測(cè)量溫度的精度并不是很高，不能滿足一些高精度場(chǎng)合的需求。級(jí) 聯(lián)Sagnac干涉儀結(jié)構(gòu)簡單且易于實(shí)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)由兩個(gè)光纖Sagnac環(huán)組成熔接在兩段摻雜稀 土元素光纖中，摻雜稀土光纖也被用作為傳感器的增益介質(zhì)。因此，需要一種能有利用基于 級(jí)聯(lián)Sagnac干涉儀精確測(cè)量溫度的系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種利用光纖薩格納克干涉儀測(cè)量溫度場(chǎng)的方法，在一個(gè) 方面，所述測(cè)量方法包括如下步驟：
[0005] a)搭建級(jí)聯(lián)Sagnac干涉儀測(cè)量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括寬帶光源栗浦源、第一摻雜稀 土元素光纖、第二摻雜稀土元素光纖、一支波分復(fù)用器、第一光親合器、第二光親合器、第一 光纖Sagnac環(huán)、隔離器、第二光纖Sagnac環(huán)、光譜儀；
[0006] b)將第一光纖Sagnac環(huán)和第二光纖Sagnac環(huán)置于可控溫度的環(huán)境中，進(jìn)行溫度標(biāo) 定；
[0007] C)逐漸改變環(huán)境中的溫度，光譜儀采集第二光纖Sagnac環(huán)輸出的光譜，記錄梳狀 譜移動(dòng)的長度，擬合梳狀譜波長偏移隨溫度變化的關(guān)系曲線；
[0008] d)利用所擬合的梳狀譜波長偏移隨溫度變化的關(guān)系曲線對(duì)待測(cè)環(huán)境進(jìn)行溫度測(cè) 量。
[0009] 在一個(gè)方面，所述的測(cè)量方法，所述第一光纖Sagnac環(huán)包括保偏光纖、偏振控制 器，所述第二光纖Sagnac環(huán)包括保偏光纖、偏振控制器;所述第一光纖Sagnac環(huán)與第一摻雜 稀土元素光纖通過第一光耦合器連接，所述第二光纖Sagnac環(huán)與第二摻雜稀土元素光纖通 過第二光耦合器連接。
[0010] 在一個(gè)方面，所述的測(cè)量方法，經(jīng)過所述第一光纖Sagnac環(huán)射出的光進(jìn)入第二光 纖Sagnac環(huán)進(jìn)行二次過濾。
[0011] 在一個(gè)方面，所述的測(cè)量方法，所述步驟a)中所述連接為恪接方式。
[0012] 在一個(gè)方面，所述的測(cè)量方法，所述步驟c)中所述的改變環(huán)境的溫度的方法使干 涉儀拉伸或彎曲。
[0013] 在一個(gè)方面，所述的測(cè)量方法，所述摻雜稀土元素光纖作為光纖傳感器的增益介 質(zhì)。
[0014] 在一個(gè)方面，所述的測(cè)量方法，所述的波分復(fù)用器對(duì)栗浦光進(jìn)行耦合，所述耦合后 的栗浦光進(jìn)入所述摻雜光纖。
[0015] 在一個(gè)方面，所述的測(cè)量方法，所述的梳狀譜波長偏移隨溫度變化的關(guān)系曲線通 過線性擬合或者最小二乘法進(jìn)行擬合。
[0016] 在一個(gè)方面，所述的測(cè)量方法，所述第一Sagnac環(huán)中所述的保偏光纖長度為1.5m-2.5m，所述第二Sagnac環(huán)中所述的保偏光纖長度為0.5m-l. 5m。
[0017] 在另一個(gè)方面，本發(fā)明還提供了一種用于所述測(cè)量溫度場(chǎng)方法的級(jí)聯(lián)Sagnac干涉 儀測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)量系統(tǒng)包括依次連接的寬帶光源栗浦源、一支波分復(fù)用 器、第一摻雜稀土兀素光纖、第一光親合器、第一光纖Sagnac環(huán)、隔離器、第二光親合器、第 二光纖Sagnac環(huán)、第二摻雜稀土元素光纖、光譜儀;所述第一光纖Sagnac環(huán)包括保偏光纖、 偏振控制器，所述第二光纖Sagnac環(huán)包括保偏光纖、偏振控制器;所述第一光纖Sagnac環(huán)與 第一摻雜稀土元素光纖通過第一光親合器連接，所述第二光纖Sagnac環(huán)與第二摻雜稀土元 素光纖通過第二光耦合器連接。
[0018] 應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應(yīng)當(dāng) 用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。
【附圖說明】
[0019] 參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過本發(fā)明實(shí)施方式的如下 描述得以闡明，其中：
[0020] 圖1示意性示出本發(fā)明級(jí)聯(lián)Sagnac干涉儀溫度測(cè)量系統(tǒng)；
[0021 ]圖2示出了本發(fā)明級(jí)聯(lián)Sagnac環(huán)的工作原理；
[0022]圖3示出了本發(fā)明梳狀譜波長偏移隨溫度變化的波形圖；
[0023]圖4示出了本發(fā)明梳狀譜波長偏移隨溫度變化的曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 通過參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方 法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實(shí)施例;可以通過不同形式來 對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說明書的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。
[0025] 在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同 或類似的部件，或者相同或類似的步驟。
[0026] 本發(fā)明提供了一種利用光纖薩格納克干涉儀測(cè)量溫度場(chǎng)的方法，本實(shí)施例中，如 圖1所示級(jí)聯(lián)Sagnac干涉儀溫度測(cè)量系統(tǒng)，所述的級(jí)聯(lián)Sagnac干涉儀測(cè)量系統(tǒng)，包括依次連 接的寬帶光源栗浦源101、一支波分復(fù)用器102、第一摻雜稀土元素光纖103、第一光纖 Sagnac環(huán)104、隔離器105、第二光纖Sagnac環(huán)106、第二摻雜稀土元素光纖107、光譜儀108; 級(jí)聯(lián)Sagnac干涉儀第一光纖Sagnac環(huán)104包括保偏光纖109a、偏振控制器110a，第二光纖 Sagnac環(huán)106包括保偏光纖109b、偏振控制器110b。第一光纖Sagnac環(huán)104與第一摻雜稀土 元素光纖103通過第一光耦合器111連接，第二光纖Sagnac環(huán)106與第二摻雜稀土元素光纖 107通過第二光耦合器112連接。第一光纖Sagnac環(huán)104中，保偏光纖109a長度為1.5m-2.5m， 優(yōu)選2m;第二光纖Sagnac環(huán)106中，保偏光纖109b長度為0.5m_l. 5m，優(yōu)選Im。寬帶光源栗浦 源101發(fā)出的光經(jīng)過波分復(fù)用器102與光纖中的光耦合成一束，通過第一摻雜稀土元素光纖 103后進(jìn)入第一光纖Sagnac環(huán)104中分成兩束光進(jìn)行干涉，干涉后的光經(jīng)過第一光親合器 111后進(jìn)入到第二光纖Sagnac環(huán)106中分成兩束光進(jìn)行干涉，干涉后的光經(jīng)過第二光耦合器 112后進(jìn)入第二摻雜稀土元素光纖107,通過光譜儀108采集光信號(hào)。第一光纖Sagnac環(huán)104 與第二光纖Sagnac環(huán)106之間布置的隔離器105保證了光沿一個(gè)方向的傳播。
[0027]下面具體描述光在傳輸過程的中的原理：
[0028]圖2所示級(jí)聯(lián)Sagnac環(huán)的工作原理，光通過第一摻雜稀土元素光纖203進(jìn)入第一光 纖Sagnac環(huán)204中的光被分為兩束。在第一光纖Sagnac環(huán)中偏振控制器2 IOa和保偏光纖 209a保證線偏振方向不變。第一光纖Samac環(huán)204的透射率可以表示為：
[0029] … ⑴
[0030] 其中01為透過保偏光纖后的偏振角度，Θ2為透過偏振控制器后的偏振角度，β是 Sagnac環(huán)的傳播常數(shù)，L為保偏光纖的長度，Δη為雙折射率。經(jīng)過所述第一光纖Sagnac環(huán) 204射出的光通過第一耦合器211后進(jìn)入第二光纖Sagnac環(huán)206進(jìn)行二次過濾，偏振控制器 210b和保偏光纖209b保證線偏振方向不變，透射強(qiáng)度Iout表示為：
[0031]
[0032]
[0033] /Λ、 .(4)
[0034] 其中tl和t2為Sagnac環(huán)的透射率，射出的光通過第二耦合器212耦合，經(jīng)第二摻雜 稀土元素光纖207后由光譜儀米集輸出的梳狀譜。第一光纖Sagnac環(huán)204與第二光纖Sagnac 環(huán)206之間布置的隔離器205保證了光沿一個(gè)方向的傳播。采集的梳狀譜中，相鄰峰值的波 長間隔與中心波長、偏振態(tài)、光纖長度有關(guān)。應(yīng)用該梳狀譜進(jìn)行傳感測(cè)試，當(dāng)干涉儀受到外 界影響導(dǎo)致兩臂光程差發(fā)生改變時(shí)，干涉梳狀譜發(fā)生變化，干涉條紋產(chǎn)生移動(dòng)。
[0035] 下面具體描述本實(shí)施例中利用光纖薩格納克干涉儀測(cè)量溫度場(chǎng)的方法，具體步驟 如下:搭建所述級(jí)聯(lián)Sagnac干涉儀測(cè)量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括依次通過熔接的方式連接的寬 帶光源栗浦源101、一支波分復(fù)用器102、第一摻雜稀土兀素光纖103、第一光纖Sagnac環(huán) 104、隔離器105、第二光纖Sagnac環(huán)106、第二摻雜稀土元素光纖107、光譜儀108;級(jí)聯(lián) Sagnac干涉儀第一光纖Sagnac環(huán)104包括保偏光纖109a、偏振控制器110a，第二光纖Sagnac 環(huán)106包括保偏光纖109b、偏振控制器110b。第一光纖Sagnac環(huán)104與第一摻雜稀土兀素光 纖103通過第一光親合器111連接，第二光纖Sagnac環(huán)106與第二摻雜稀土元素光纖107通過 第二光親合器112連接。將第一光纖Sagnac環(huán)104和第二光纖Sagnac環(huán)106置于可控溫度的 環(huán)境中：選取環(huán)氧樹脂(Epoxy Resin)或丙烯酸酯作為膠粘劑，以膠粘方式分別將第一光纖 Sagnac環(huán)104和第二光纖Sagnac環(huán)106固定在材料113的表面上，將固定好的材料置于溫度 控制器114上方可控溫度的環(huán)境中，進(jìn)行溫度標(biāo)定。通過溫度控制器114改變環(huán)境溫度的條 件下對(duì)干涉儀拉伸或彎曲，優(yōu)選地，本實(shí)施例中通過升高溫度引起干涉儀偏振態(tài)發(fā)生相應(yīng) 變化從而導(dǎo)致梳狀譜發(fā)生紅移或藍(lán)移，隨著拉伸長度的增加，即軸向微應(yīng)力增大，梳狀濾波 器的傳輸譜向短波方向移動(dòng)。光譜儀108采集第二光纖Sagnac環(huán)106輸出的梳狀譜，如圖3所 示梳狀譜波長偏移隨溫度變化的波形圖，記錄梳狀譜移動(dòng)的長度，擬合梳狀譜波長偏移隨 溫度變化的曲線，如圖4所示梳狀譜波長偏移隨溫度變化的曲線，曲線擬合可采用線性擬 合，如公式5所示。
[0036] y = ax+b (5)
[0037] 曲線擬合也可采用最小二乘擬合，由下述等式(6)和(7)可推出擬合曲線。
[0038] ,、 (6)
[0039] (7)
[0040] 解方程組，求出ao和m，就可構(gòu)造出滿足平方逼近條件的逼近函數(shù)。
[0041] f (x) =ao+aix (8) 〇
[0042] 利用所擬合的梳狀譜波長偏移隨溫度變化曲線對(duì)待環(huán)境進(jìn)行溫度測(cè)量。
[0043]結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員 都是易于想到和理解的。說明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均 由權(quán)利要求所限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種利用光纖薩格納克干涉儀測(cè)量溫度場(chǎng)的方法，其特征在于，所述方法包括如下 步驟： a) 搭建級(jí)聯(lián)Sagnac干涉儀測(cè)量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括寬帶光源栗浦源、第一摻雜稀土元 素光纖、第二摻雜稀土元素光纖、一支波分復(fù)用器、第一光親合器、第二光親合器、第一光纖 Sagnac環(huán)、隔離器、第二光纖Sagnac環(huán)、光譜儀； b) 將第一光纖Sagnac環(huán)和第二光纖Sagnac環(huán)置于可控溫度的環(huán)境中，進(jìn)行溫度標(biāo)定； c) 逐漸改變環(huán)境中的溫度，光譜儀采集第二光纖Sagnac環(huán)輸出的光譜，記錄梳狀譜移 動(dòng)的長度，擬合梳狀譜波長偏移隨溫度變化的關(guān)系曲線； d) 利用所擬合的梳狀譜波長偏移隨溫度變化的關(guān)系曲線對(duì)待測(cè)環(huán)境進(jìn)行溫度測(cè)量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述第一光纖Sagnac環(huán)包括保偏光 纖、偏振控制器，所述第二光纖Sagnac環(huán)包括保偏光纖、偏振控制器;所述第一光纖Sagnac 環(huán)與第一摻雜稀土元素光纖通過第一光耦合器連接，所述第二光纖Sagnac環(huán)與第二摻雜稀 土元素光纖通過第二光耦合器連接。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測(cè)量方法，其特征在于，經(jīng)過所述第一光纖Sagnac環(huán)射出 的光進(jìn)入第二光纖Sagnac環(huán)進(jìn)行二次過濾。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于，步驟a)中所述連接為熔接方式。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于，步驟c)中所述的改變環(huán)境的溫度的方 法使干涉儀拉伸或彎曲。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述摻雜稀土元素光纖作為光纖傳感 器的增益介質(zhì)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述的波分復(fù)用器對(duì)栗浦光進(jìn)行耦 合，所述耦合后的栗浦光進(jìn)入所述摻雜光纖。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述的梳狀譜波長偏移隨溫度變化的 關(guān)系曲線通過線性擬合或者最小二乘法進(jìn)行擬合。9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述第一 Sagnac環(huán)中所述的保偏光纖 長度為1.5m-2.5m，所述第二Sagnac環(huán)中所述的保偏光纖長度為0.5m-l. 5m。10. -種用于權(quán)利要求1所述測(cè)量溫度場(chǎng)方法的級(jí)聯(lián)Sagnac干涉儀測(cè)量系統(tǒng)，其特征在 于，所述測(cè)量系統(tǒng)包括依次連接的寬帶光源栗浦源、一支波分復(fù)用器、第一摻雜稀土元素光 纖、第一光親合器、第一光纖Sagnac環(huán)、隔離器、第二光親合器、第二光纖Sagnac環(huán)、第二摻 雜稀土元素光纖、光譜儀;所述第一光纖Sagnac環(huán)包括保偏光纖、偏振控制器，所述第二光 纖Sagnac環(huán)包括保偏光纖、偏振控制器;所述第一光纖Sagnac環(huán)與第一摻雜稀土兀素光纖 通過第一光耦合器連接，所述第二光纖Sagnac環(huán)與第二摻雜稀土元素光纖通過第二光耦合 器連接。
【文檔編號(hào)】G01K11/32GK105841839SQ201610165571
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月22日
【發(fā)明人】祝連慶, 何巍, 駱飛, 劉鋒, 張鈺民, 閆光, 董明利
【申請(qǐng)人】北京信息科技大學(xué)