基于带校正的双耦合结构单模错位光纤测量温度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于单模错位光纤测温技术领域，具体涉及一种基于带校正的双耦合结构 单模错位光纤测量温度的方法。
【背景技术】
[0002] 目前基于干涉理论的光纤传感器的研究已取得多项研究成果，但也存在许多亟待 解决的问题。由于输出信号会受到光纤传输损耗、接续损耗、光纤震动和多重外界环境等影 响，将严重引起光信号衰减的无规律性。双光束干涉型光纤传感器、多模干涉光纤传感器和 数字式干涉型光纤传感器等在测温领域得到逐步应用，但也存在许多不足之处，如对光源、 光纤的性能要求严格、光路和信号处理系统复杂，需要考虑多种因素。由于干涉的复杂性， 传感器探测到的信号很弱，温度分辨率不高，稳定性较差，这些都导致成本增加且对温度传 感器系统的研究没有保障。
【发明内容】
[0003] 本发明解决的技术问题是提供了一种基于带校正的双耦合结构单模错位光纤测 量温度的方法，该方法通过错位光纤结构，干涉的光信号经过耦合器产生特定波长的激光， 然后通过分析不同温度下相应的输出激光波长来研究温度传感系统的性能，双耦合结构分 辨率高，性能稳定且灵敏度高，另外在错位光纤单耦合部分的输出还增加了干涉数据的校 正算法处理功能，使得测温结果得到校准，进一步提高了测温的精度和准确度。
[0004] 本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，基于带校正的双耦合结构单模 错位光纤测量温度的方法，其特征在于具体步骤为：980nm栗浦光源发出的光信号依次通 过980/1550nm波分复用器、多IM单模掺铒光纤环、光学隔离器和错位光纤，光信号在光纤 中沿着纤芯传播，当光信号通过错位光纤熔接处时开始分解，其中一部分光信号进入包层 形成包层模，另一部分光信号进入纤芯形成纤芯模，光信号在光纤中传输一段距离后包层 模和纤芯模再次耦合进入同一根光纤中，两种模式光信号在纤芯发生干涉；然后光信号经 过第一光纤耦合器后一部分光信号直接输出，经X型光开关后通过光谱分析仪、光电转换 器、DSP和不波器进行观察分析，作为参考量，另一部分光信号经过由第一光纤親合器和第 二光纤耦合器组成的光纤环形器并选择性输出光信号，输出的光信号经过第三光纤耦合器 后其中一部分光信号经X型光开关后通过光谱分析仪、光电转换器、DSP和示波器观察，分 析相应激光波长进而研究该温度系统的规律并作为实验量，另一部分光信号通过光纤进入 980/1550nm波分复用器形成反馈，当光信号再次通过错位光纤熔接处时再次发生干涉现 象，而耦合器因错位光纤处温度不变选出的激光波长不变，若错位光纤温度改变，则经耦合 器选择得到的激光波长也发生相应的改变；设定不同的温度，一方面由光谱分析仪采集输 出激光波长的偏移，并对相应输出的激光信号参数采集和存储，另一方面由干涉输出得到 校正值对激光波长测量值进行校正，最后根据对应不同温度情况下所采集的相应输出激光 的波长参数得到波长-温度曲线并校正，进而实现对未知温度的精确测量。
[0005] 本发明与现有技术相比具有以下优点： (1) 单模光纤避免了模式色散、模式噪声以及多模光纤传输时附带的许多其他效应； (2) 双耦合结构简单、制作成本低，与系统兼容性强，偏振相关损耗小，组成滤波器的两 个耦合器分光比和干涉臂长差取一定值时，可得到输出波形通道平坦的波长交错滤波器的 功能，提高了系统的稳定性(波长交错滤波器和梳状滤波器类似）； (3) 常温时错位光纤干涉输出加入校正算法，提高了测量准确度和精度； (4) 结构更紧凑、小巧简单、不易受外界干扰、功耗低、造价低廉，灵敏度高； (5) 测量过程简化，可以进行连续分布测量，方便迅速，便于复用。
【附图说明】
[0006] 图1是本发明的光路原理图。
[0007] 图面说明：l、980nm栗浦光源，2、980/1550nm波分复用器，3、掺铒光纤环，4、光学 隔离器，5、错位光纤，6、第一光纤親合器（90:10)，7、第二光纤親合器（90:10)，8、第三光纤 耦合器（90:10)，9、X型光开关，10、光谱分析仪，11、光电转换器，12、DSP，13、示波器，14、光 纤。
【具体实施方式】
[0008] 以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本 发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发 明的范围。
[0009] 基于带校正的双耦合结构单模错位光纤测量温度的方法，基于光的干涉理论， 980nm栗浦光源1发出的光信号沿光线传输方向依次经过980/1550nm波分复用器2(WDM)、 多匝单模掺铒光纤环3、光学隔离器4和单模错位光纤5结构，之后经过第一光纤耦合器6 一部分直接输出，经X型光开关9通过光谱分析仪10、光电转换器11、DSP 12和示波器13 进行观察、分析，作为参考量，另一部分经过第一光纤耦合器6和第二光纤耦合器7组成的 光纤环形器选择输出，再经过第三光纤耦合器8, 一路经X型光开关9通过光谱分析仪10、 光电转换器11、DSP 12和示波器13观察，分析相应激光波长来研究该测温系统的规律，作 为实验量，另一路经过光纤14进入980/1550波分复用器2形成反馈。
[0010] 光束在光纤中沿着纤芯传输，当光信号通过错位熔接处时开始分解，其一部分光 信号进入包层形成包层模，另一部分光信号进入纤芯形成纤芯模，光信号在光纤中传输一 段距离后，包层模和纤芯模再次耦合进入同一根光纤中，两种模式光束在纤芯发生干涉。此 时纤芯中有多种不同波长的光信号，经双耦合器组成的具有选择特定波长的滤波系统输出 激光。我们采用的光纤环长为L，并且采用了两个相同的光纤耦合器。
[0011] 我们假设1:和12为单模中纤芯模的光强和包层主要模的光强，则干涉信号强度可 以表示为： I.韋~:齡餐:_ (1) 其c
^光纤的相差，是有效折射率差，L是错位光纤 有效干涉区域长度，I是工作波长。当相差满足干涉条件(m是整数）时， 相应的波长变化可以表示为：
(2) 根据公式（2)可知，在两个干涉最小值之间的自由光谱范围可以近似表示为：
(3) 公式（3)表明，自由光谱范围与有效折射率和错位光纤有效长度有关，波长最低点的变 化可以表示为：
其中I:为热膨胀系数，ε:为热光系数。
[0012] 测温系统增加了光开关，分别选择错位光纤的干涉校正输出（校正量）和激光测温 输出（实验量)同时测量。因为干涉输出随温度变化更小，所以选择干涉输出为校正输出。校 正输出是将干涉输出经光电转换后，由加入校正算法的数字信号处理器来实现测量精度、 准确度的校准，这对实现精确温度传感系统的研究更切合实际。当温度改变，光谱仪观察输 出激光波长(实验量）发生偏移，对相应输出的激光信号参数进行采集和存储。然后由同时 测量的干涉校正输出对激光输出进行校正，最后根据不同温度和相应的输出激光的波长参 数可得到准确的波长-校正温度曲线。因此，根据实验结果可以得到经过双耦合器激光结 构的输出波长差及各个系数，进而可以测量出温度值。
[0013] 以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该 了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原 理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入 本发明保护的范围内。
【主权项】
1.基于带校正的双耦合结构单模错位光纤测量温度的方法，其特征在于具体步骤为： 980nm栗浦光源发出的光信号依次通过980/1550nm波分复用器、多匝单模掺铒光纤环、光 学隔离器和错位光纤，光信号在光纤中沿着纤芯传播，当光信号通过错位光纤熔接处时开 始分解，其中一部分光信号进入包层形成包层模，另一部分光信号进入纤芯形成纤芯模，光 信号在光纤中传输一段距离后包层模和纤芯模再次耦合进入同一根光纤中，两种模式光信 号在纤芯发生干涉；然后光信号经过第一光纤耦合器后一部分光信号直接输出，经X型光 开关后通过光谱分析仪、光电转换器、DSP和示波器进行观察分析，作为参考量，另一部分 光信号经过由第一光纤耦合器和第二光纤耦合器组成的光纤环形器并选择性输出光信号， 输出的光信号经过第三光纤耦合器后其中一部分光信号经X型光开关后通过光谱分析仪、 光电转换器、DSP和示波器观察，分析相应激光波长进而研究该温度系统的规律并作为实 验量，另一部分光信号通过光纤进入980/1550nm波分复用器形成反馈，当光信号再次通过 错位光纤熔接处时再次发生干涉现象，而耦合器因错位光纤处温度不变选出的激光波长不 变，若错位光纤温度改变，则经耦合器选择得到的激光波长也发生相应的改变；设定不同的 温度，一方面由光谱分析仪采集输出激光波长的偏移，并对相应输出的激光信号参数采集 和存储，另一方面由干涉输出得到校正值对激光波长测量值进行校正，最后根据对应不同 温度情况下所采集的相应输出激光的波长参数得到波长-温度曲线并校正，进而实现对未 知温度的精确测量。
【专利摘要】本发明公开了一种基于带校正的双耦合结构单模错位光纤测量温度的方法，该方法通过错位光纤结构，干涉的光信号经过耦合器产生特定波长的激光，然后通过分析不同温度下相应的输出激光波长来研究温度传感系统的性能，双耦合结构分辨率高，性能稳定且灵敏度高，另外在错位光纤单耦合部分的输出还增加了干涉数据的校正算法处理功能，使得测温结果得到校准，进一步提高了测温的精度和准确度。
【IPC分类】G01K11/32
【公开号】CN105092085
【申请号】CN201510554469
【发明人】王芳, 杨琳琳, 王旭, 于坤, 郭彩霞, 刘玉芳, 李蕾
【申请人】河南师范大学
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年9月1日