高精度光纖光柵溫度傳感系統技術方案

一種高精度光纖光柵溫度傳感系統，包括：光源、光纖耦合器陣列、光纖光柵、光纖諧振腔、標準氣體吸收室、光電探測器陣列和計算控制器，其中：計算控制器、光源、光纖耦合器陣列依次串聯連接，光纖耦合器陣列的四個輸出端與光電探測器陣列的四個輸入端之間構成四條并聯支路，光電探測器陣列的輸出端分別與計算控制器相連。與一般的光纖光柵溫度傳感器相比，本系統具有更高的溫度分辨率指標，并具有更好的溫度精確度和長期穩定性。

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及的是光纖傳感
，具體是一種精度達到0.0004K的光纖光柵溫度傳感系統。
技術介紹
光纖光柵傳感技術是光纖傳感技術的重要分支之一。由于其具有高測量精度、易實現多點測量、抗電磁干擾、尺寸小、成本低等優勢，現已廣泛用于各類實用場景。地球物理學相關研究是光纖光柵傳感系統的重要應用場景之一，如地質構造研究中，地殼微變過程的數據獲取、地震火山等地質災害檢測及預警、全球氣候變化、“厄爾尼諾”效應等研究中的海洋科學測溫等。該類應用場景所涉及待測物理場的顯著特點在于其變化量極其微小、變化周期長且長期變化范圍廣。因此，要求傳感器具有高靈敏度、高絕對精度及大動態范圍。經過對現有技術的檢索發現，中國專利文獻號CN103196473A，公開日2013.07.10，公開了一種多通道高精度光纖光柵解調裝置及其解調方法。該類裝置及其調節方法以可調諧激光器產生掃頻光對光柵進行探測，獲取與光柵反射/透射譜等效的“透射功率一一時間”曲線，該類光纖光柵解調系統需獲取待測光纖光柵的完整譜特性曲線，然而，可調諧FP濾波器的掃頻并非理想的線性過程，各次掃頻同一時刻對應的光頻率也存在隨機抖動，導致光譜測量的精度有限，無法實現足夠高的溫度測量精度。同時，而且受可調諧FP濾波器性能限制，其譜寬在1pm -200pm，較寬的光譜寬度使得其中心波長測量的不確定性隨之增加，進一步限制了這類系統的溫度分辨率。如果采用更窄的FP濾波器，雖然窄的譜寬能夠降低中心波長測量的不確定性，但是窄帶FP濾波器會導致掃頻激光光功率的降低，使得在測量光纖布拉格光柵的光譜時精度下降，系統的測量精度也無法提高。中國專利文獻號CN102252704A和CN101021443A分別公開了兩種高精度多通道光纖光柵溫度傳感系統。這兩種系統分別利用不同電流、溫度下光纖光柵譜特性改變，導致其對特定頻率激光的反射或透射光功率發生變化，經光電探測器將其轉為電信號，基于信號強度直接獲取待測場信息。專利文獻CN102252704A中采用的比較器加自動增益控制的數據獲取方式及專利文獻CN101021443A中基于長周期光纖光柵的波長解調方式，同樣面臨光源在掃頻過程中的非線性所帶來的精度問題。其中，專利文獻CN102252704A中采用了查表及擬合進行掃頻非線性校正的方法，雖然能一定程度上緩解掃頻非線性的問題，但是由于查表與擬合所依賴的數據都是基于測量之前預獲取的信息，無法補償測量時刻的實際非線性的差異情況，從而不能夠完全消除掃頻非線性對溫度測量精度的影響。
技術實現思路
本技術針對現有技術存在的上述不足，提出一種高精度光纖光柵溫度傳感系統，徹底解決了光源在調諧過程中的非線性問題，并且引入氣體吸收室作為絕對頻率參考，具有測量精度高、長期穩定性好的特點。本技術是通過以下技術方案實現的:本技術涉及一種高精度光纖光柵溫度傳感系統，包括:光源、光纖耦合器陣列、光纖光柵、光纖諧振腔、標準氣體吸收室、光電探測器陣列和計算控制器，其中:計算控制器、光源和光纖耦合器陣列依次串聯連接，光纖耦合器陣列的四個輸出端與光電探測器陣列的四個輸入端之間構成四條并聯支路，分別為:①光纖親合器陣列的第一輸出端與光電探測器陣列的第一輸入端直接連接；②光纖光柵的兩端分別與光纖親合器陣列的第二輸出端與光電探測器陣列的第二輸入端相連；③光纖諧振腔的兩端分別與光纖親合器陣列的第三輸出端與光電探測器陣列的第三輸入端相連；④標準氣體吸收室的兩端分別與光纖耦合器陣列的第四輸出端與光電探測器陣列的第四輸入端相連；光電探測器陣列的輸出端分別與計算控制器輸入端相連。所述的光源采用窄線寬可調諧激光器，其工作波長位于1550nm，輸出功率大于lmW，線寬小于IMHz。所述的光纖親合器陣列，包括:第一光纖親合器、第二光纖親合器和第三光纖親合器，其中:光纖耦合器陣列四個端口輸出光的功率比值固定，波長相同。所述的光纖光柵工作波長位于1550nmo所述的光纖諧振腔置于恒溫環境中，光纖諧振腔自由光譜范圍只有10MHz，品質因素大于10。所述的標準氣體吸收室所含標準物質為HC13N,壓強小于0.1標準大氣壓。所述的光電探測器陣列包括多個光電探測器，各光電探測器輸出帶寬大于10kHz0所述的計算控制器，包括:電信號發生器、數據采集卡和計算機，其中:計算機一輸出端與電信號發生器輸入端相連，另一輸出端與數據采集卡一輸入端相連，同時數據采集卡一輸出端與計算機一輸入端相連。所述的數據采集卡其采樣通道數與光電探測器數目一致。技術效果與現有技術相比，本技術的技術效果包括:I)利用光纖諧振腔的等間距頻率選擇透射特性和較小的自由光譜范圍，在恒溫環境下，對掃頻探測系統進行重采樣，重采樣后每個采樣點都具有完全相同的波長/頻率步進，消除了掃頻時非線性因素引入的頻率誤差；還可以結合分布式反饋激光器及具有極窄透射峰的相移光纖布拉格光柵，提高系統的溫度傳感分辨率；2)利用標準氣體吸收室的環境不敏感特性提供穩定的絕對頻率參考，配合具有嚴格固定頻率間隔的光纖諧振腔，實現高精度的頻率信息解調，最終實現具有高精度的高分辨率溫度傳感。【附圖說明】圖1為本技術結構示意圖；圖2為系統采集的光纖光柵、標準氣體吸收室、光纖諧振腔、光源直接輸出“透射功率一時間”圖譜；圖3為系統折算光源直接輸出功率后得到的光纖光柵、標準氣體吸收室、光纖諧振腔“透射率一時間”圖譜；圖4為系統重采樣得出的光纖光柵、標準氣體吸收室“透射率一頻率”圖譜；圖5為實施例1的測試結果圖；圖中:光源1、第一光纖親合器2、第二光纖親合器3、第三光纖親合器4、光纖光柵5、光纖諧振腔6、標準氣體吸收室7、光電探測器陣列8、電信號合成器9、數據采集卡10、計算機11。【具體實施方式】下面對本技術的實施例作詳細說明，本實施例在以本技術技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本技術的保護范圍不限于下述的實施例。實施例1如圖1所不，本實施例包括:光源1、光纖親合當前第1頁1 2 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高精度光纖光柵溫度傳感系統，其特征在于，包括：光源、光纖耦合器陣列、光纖光柵、光纖諧振腔、標準氣體吸收室、光電探測器陣列和計算控制器，其中：計算控制器、光源和光纖耦合器陣列依次串聯連接，光纖耦合器陣列的四個輸出端與光電探測器陣列的四個輸入端之間構成四條并聯支路，分別為：①光纖耦合器陣列的第一輸出端與光電探測器陣列的第一輸入端直接連接；②光纖光柵的兩端分別與光纖耦合器陣列的第二輸出端與光電探測器陣列的第二輸入端相連；③光纖諧振腔的兩端分別與光纖耦合器陣列的第三輸出端與光電探測器陣列的第三輸入端相連；④標準氣體吸收室的兩端分別與光纖耦合器陣列的第四輸出端與光電探測器陣列的第四輸入端相連；光電探測器陣列的輸出端分別與計算控制器相連。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：何祖源，劉慶文，樊昕昱，杜江兵，馬麟，陳嘉庚，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：新型
國別省市：上海;31