光纤法珀双光源低相干干涉压力-温度测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种光纤法珀双光源低相干干涉压力‑温度测量系统及方法，包括SLED光源、第一3dB耦合器(3)、第二3dB耦合器(4)、双参量光纤法珀传感器(5)、光纤准直器(6)、解调模块、偏振起偏器(9)、双折射晶体补偿板(10)、双折射晶体光楔(11)、偏振检偏器(12)、红外线阵CCD(13)以及计算机(14)；利用压力和温度标定找出绝对相位和压力与温度之间的关系，对传感器进行标定，找出传感器两个干涉条纹分别对压力和温度的敏感度，即可进一步求逆矩阵得到待测的压力/温度计算关系式。本发明专利技术实现了新型的双参量低相干干涉解调装置和方法，可以有效根据要求调整测量范围，同时得到较高的测量精度，扩大了测量范围，更具有普适性。

【技术实现步骤摘要】
光纤法珀双光源低相干干涉压力-温度测量系统及方法
本专利技术涉及光纤传感领域，特别是涉及一种使用复合光源同时测量压力和温度的、光程差线扫描且范围可调的低相干干涉测量系统以及方法。
技术介绍
近年来压力温度双参量同时测量方法得到了广泛研究，国内外科研人员提出了很多测量方法，如2014年DYun(Yun,David,etal."HybridMiniatureFabry–PerotSensorwithDualOpticalCavitiesforSimultaneousPressureandTemperatureMeasurements."Jour-nalJournalofLightwaveTechnology32.8(2014):1585-1593.)提出的利用聚合物和金属膜配合聚合物构成的法珀腔测量方法，2017年Dong,Nannan(Dong,Nannan,etal."PressureandTemperatureSensorBasedonGrapheneDiaphragmandFiberBraggGratings."IEEEPhotonicsTechnologyLettersPP.99(2017):1-1.)提出的光纤布拉格光栅与光纤法珀腔结合的测量方法等。但上述方法都需要使用光谱仪进行信号采集，使得整个系统体积大、成本高和不易复制。低相干干涉技术采用对干涉条纹处理得到解调结果，其解调部分结构紧凑而且成本低。2017年，WangS等(WangS,etal.High-resolutionpolarizedlow-coherenceinterferometricpressuremeasurementdeviceandmethod:,WO2017113965A1[P].2017)专利技术了一种高精度低相干干涉测量装置和方法；低相干干涉技术主要采用时间扫描式和空间扫描式，其中空间扫描式采用线阵CCD器件进行电扫描，其长期可靠性高，但若对压力和温度两个信号进行采集，线阵CCD的像元有限，其测量范围通常较小。
技术实现思路
在对传统的低相干干涉解调装置和方法针对双参量测量存在的问题进行分析与研究基础上，本专利技术提出一种光纤法珀双光源低相干干涉压力-温度测量系统及方法利用压力和温度标定找出绝对相位和压力与温度之间的关系，根据理论公式进行测量并计算，实现同时测量，通过实验测量出绝对相位和外界压力和温度的变化量之间的关系，对传感器进行标定，找出传感器两个干涉条纹分别对压力和温度的敏感度，即可进一步求逆矩阵得到计算关系式，本专利技术的一种光纤法珀双光源低相干干涉压力-温度测量系统，包括SLED光源、第一3dB耦合器3、第二3dB耦合器4、双参量光纤法珀传感器5、光纤准直器6、解调模块、偏振起偏器9、双折射晶体补偿板10、双折射晶体光楔11、偏振检偏器12、红外线阵CCD13以及计算机14，其中：所述SlED光源与接第一3dB耦合器3相连接，所述第一3dB耦合器3输出端与第二3dB耦合器4输入端相连接，所述第二3dB耦合器4的第一输出端与双参量光纤法珀传感器5相连接，所述第二3dB耦合器4的第二输出端与光纤准直器6相连接，所述光纤准直器6与一依序设置扩束透镜7、准直透镜8、偏振起偏器9、双折射晶体补偿板10、双折射晶体光楔11、偏振检偏器12、红外线阵CCD13的光路相连接，所述红外线阵CCD13与计算机14相连接；所述SLED光源发出的光通过第一3dB耦合器3叠加，叠加光束经过第二3dB耦合器4入射到双参量光纤法珀传感器5，所述双参量光纤法珀传感器5输出的分别包含对应压力和温度的不同光程差信息的反射光信号再次通过第二3dB耦合器4进入解调模块中，产生平行光；所述偏振起偏器9与所述偏振检偏器12透射方向垂直、并且与所述双折射晶体光楔11光轴成45°；在所述偏振起偏器9与所述偏振检偏器12之间由双折射晶体补偿板10和双折射晶体光楔11附加线扫描光程差；所述双折射晶体补偿板10覆盖部分光楔所形成的含补偿板区域和不含补偿板区域出现两个不同干涉条纹分别对应压力光程差和温度光程差；红外线阵CCD13根据双折射晶体补偿板10的边界分为测压区域以及测温区域且用于采集光程差信号；计算机14用于对采集的光程差信号进行处理。所述双参量光纤法珀传感器5由单模光纤15、玻璃插芯16、硅环17以及硅膜片18组成，具有光纤尾端、硅膜片前端和硅膜片后端三个反射面，其中任意两束反射光产生干涉，光纤尾端反射光和硅膜片前端反射光产生的光程差对应测压法珀腔长，硅膜片前端和后端反射光产生的光程差对应测温法珀腔长。所述双折射晶体补偿板10的光轴与所述双折射晶体光楔11的光轴平行，平行情况下光楔与补偿板的总光程差为光楔光程差加上补偿板的光程差；所述双折射晶体补偿板10的光轴与所述双折射晶体光楔11的光轴垂直，垂直情况下光楔与补偿板的总光程差为光楔光程差减去补偿板的光程差。本专利技术的一种光纤法珀双光源低相干干涉压力-温度测量方法，该方法包括以下步骤：步骤1、将SLED光源发出的光通过第一3dB耦合器3叠加，叠加光束经过第二3dB耦合器4入射到双参量光纤法珀传感器5；步骤2、将所述双参量光纤法珀传感器5输出分别包含对应压力和温度的不同光程差信息的反射光信号经过解调，当调整到线扫描光程差与传感器光程差匹配时，产生干涉条纹；并且产生两个不同干涉条纹分别对应压力光程差和温度光程差，分为测压区域以及测温区域；步骤3、在温度T0下，进行双参量光纤法珀传感器5的压力标定：对外界压力进行扫描，采集每个压力下的信号，将测压区域和测温区域的干涉信号分开，并利用单色频率绝对相位解调法解调出每个压力下两信号的绝对相位；步骤4、在压力P0下，进行双参量光纤法珀传感器5的温度标定：对外界温度进行扫描，采集每个温度下的信号，将测压区域和测温区域的干涉信号分开，并利用单色频率绝对相位解调法解调出每个温度下两信号的绝对相位；步骤5、对步骤(3)和步骤(4)得到的绝对相位值分别进行线性拟合，得到测压信号和测温信号的绝对相位在不同温度和压力下的线性关系，求出双参量敏感度矩阵T表示如下：步骤6、对任意信号，将测压区域和测温区域的干涉信号分开，并利用单色频率绝对相位解调法解调出绝对相位，并通过求逆矩阵得到解调矩阵T-1，表示如下：其中，ΔΦP和ΔΦT分别表示通过测压信号和测温信号求出的绝对像位在被测环境与温度T0、压力P0环境下的变化量，dT和dP分别表示被测环境与温度T0、压力P0环境温度和压力的变化量；步骤7、求出对应的压力和温度的值，实现测量，公式如下：T＝T0+dTP＝P0+dP其中，T和P分别表示被测环境的温度和压力。与现有技术相比，本专利技术的有益效果及优点在于：本专利技术的一种光纤法珀双光源低相干干涉压力-温度测量系统及方法实现了新型的双参量低相干干涉解调装置和方法，可以有效根据要求调整测量范围，同时得到较高的测量精度，扩大了测量范围，更具有普适性。附图标记图1为本专利技术中一种光纤法珀双光源低相干干涉压力-温度测量系统结构示意图；图2为压力标定阶段测压区域(左)和测温区域(右)的信号变化示意图；图3为温度标定阶段测压区域(左)和测温区域(右)的信号变化示意图；图4为测压区域和测温区域的绝对相位与压力的线性关系示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤法珀双光源低相干干涉压力‑温度测量系统，其特征在于，该系统包括SLED光源、第一3dB耦合器(3)、第二3dB耦合器(4)、双参量光纤法珀传感器(5)、光纤准直器(6)、解调模块、偏振起偏器(9)、双折射晶体补偿板(10)、双折射晶体光楔(11)、偏振检偏器(12)、红外线阵CCD(13)以及计算机(14)，其中：所述SLED光源与接第一3dB耦合器(3)相连接，所述第一3dB耦合器(3)输出端与第二3dB耦合器(4)输入端相连接，所述第二3dB耦合器(4)的第一输出端与双参量光纤法珀传感器(5)相连接，所述第二3dB耦合器(4)的第二输出端与光纤准直器(6)相连接，所述光纤准直器(6)与一依序设置扩束透镜(7)、准直透镜(8、偏振起偏器(9)、双折射晶体补偿板(10)、双折射晶体光楔(11)、偏振检偏器(12)、红外线阵CCD(13)的光路相连接，所述红外线阵CCD(13)与计算机(14)相连接；所述SLED光源发出的光通过第一3dB耦合器(3)叠加，叠加光束经过第二3dB耦合器(4)入射到双参量光纤法珀传感器(5)，所述双参量光纤法珀传感器(5输出的分别包含对应压力和温度的不同光程差信息的反射光信号再次通过第二3dB耦合器(4)进入解调模块中，产生平行光；所述偏振起偏器(9)与所述偏振检偏器(12)透射方向垂直、并且与所述双折射晶体光楔(11)光轴成45°；在所述偏振起偏器(9)与所述偏振检偏器(12)之间由双折射晶体补偿板(10)和双折射晶体光楔(11)附加线扫描光程差；所述双折射晶体补偿板(10)覆盖部分光楔所形成的含补偿板区域和不含补偿板区域出现两个不同干涉条纹分别对应压力光程差和温度光程差；红外线阵CCD(13)根据双折射晶体补偿板(10)的边界分为测压区域以及测温区域且用于采集光程差信号；计算机(14)用于对采集的光程差信号进行处理。...

【技术特征摘要】
1.一种光纤法珀双光源低相干干涉压力-温度测量系统，其特征在于，该系统包括SLED光源、第一3dB耦合器(3)、第二3dB耦合器(4)、双参量光纤法珀传感器(5)、光纤准直器(6)、解调模块、偏振起偏器(9)、双折射晶体补偿板(10)、双折射晶体光楔(11)、偏振检偏器(12)、红外线阵CCD(13)以及计算机(14)，其中：所述SLED光源与接第一3dB耦合器(3)相连接，所述第一3dB耦合器(3)输出端与第二3dB耦合器(4)输入端相连接，所述第二3dB耦合器(4)的第一输出端与双参量光纤法珀传感器(5)相连接，所述第二3dB耦合器(4)的第二输出端与光纤准直器(6)相连接，所述光纤准直器(6)与一依序设置扩束透镜(7)、准直透镜(8、偏振起偏器(9)、双折射晶体补偿板(10)、双折射晶体光楔(11)、偏振检偏器(12)、红外线阵CCD(13)的光路相连接，所述红外线阵CCD(13)与计算机(14)相连接；所述SLED光源发出的光通过第一3dB耦合器(3)叠加，叠加光束经过第二3dB耦合器(4)入射到双参量光纤法珀传感器(5)，所述双参量光纤法珀传感器(5输出的分别包含对应压力和温度的不同光程差信息的反射光信号再次通过第二3dB耦合器(4)进入解调模块中，产生平行光；所述偏振起偏器(9)与所述偏振检偏器(12)透射方向垂直、并且与所述双折射晶体光楔(11)光轴成45°；在所述偏振起偏器(9)与所述偏振检偏器(12)之间由双折射晶体补偿板(10)和双折射晶体光楔(11)附加线扫描光程差；所述双折射晶体补偿板(10)覆盖部分光楔所形成的含补偿板区域和不含补偿板区域出现两个不同干涉条纹分别对应压力光程差和温度光程差；红外线阵CCD(13)根据双折射晶体补偿板(10)的边界分为测压区域以及测温区域且用于采集光程差信号；计算机(14)用于对采集的光程差信号进行处理。2.如权利要求1所述的一种光纤法珀双光源低相干干涉压力-温度测量系统，其特征在于，所述双参量光纤法珀传感器(5)由单模光纤(15)、玻璃插芯(16)、硅环(17)以及硅膜片(18)组成，具有光纤尾端、硅膜片前端和硅膜片后端三个反射面，其中任意两束反射光产生干涉，光纤尾端反射光和硅膜片前端反射光产生的光程差对应测压法珀腔长，硅膜片前端和后端反射光产生的光程差对应...

【专利技术属性】
技术研发人员：王双，刘铁根，江俊峰，张驰，刘琨，张学智，王雪，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12