基于光纤自相位调制效应的温度传感系统及测量方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于光纤自相位调制效应的温度传感系统及测量方法，所述系统包括光源模块、光纤传感模块、温度调节模块、检测模块；其中，光源模块与光纤传感模块相连，光纤传感模块与检测模块相连；在进行温度测量时，首先确定光纤传感模块中传感光纤的热光系数与热膨胀系数；然后得到不同待测温度下传感光纤的非线性系数与群速度色散；确定不同待测温度下自相位调制效应感应频谱的展宽因子；根据不同待测温度下传感光纤的自相位调制效应感应频谱带宽的差异进行温度测量，计算得到温度传感灵敏度。本发明专利技术提出的温度测量方法，系统结构简单、机械强度高、全光纤化，测量灵敏度高、实时性强、是实现温度检测的有效手段。

【技术实现步骤摘要】
基于光纤自相位调制效应的温度传感系统及测量方法
本专利技术属于光学传感领域，具体涉及一种基于光纤自相位调制效应的温度传感系统及测量方法。
技术介绍
随着军事、航空航天、生物医学、建筑施工等领域的飞速发展，光纤传感器由于体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点在检测领域备受青睐，光纤传感器的工作原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制器，在调制器内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，被调制的光信号再经过光纤送入光电器件、经解调器后获得被测参数。其中，光纤温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器，最主要的光纤温度传感器包括：分布式温度传感器，干涉型温度传感器，荧光温度传感器。近年来，光纤温度传感器不断朝着高灵敏度、高机械强度、高探测精度、大动态范围和智能化的方向发展。自相位调制是一种光纤非线性现象，当光脉冲在光纤中传输时，由于光纤的折射率具有非线性特性，当光纤中电场强度变化引起光纤的折射率变化时，光纤中传输的信号相位也变化，这种信号自身场强的变化引起自身相位的变化称为自相位调制。一般来说,自相位调制效应使信号光谱逐渐展宽，这种展宽与信号的脉冲形状和光纤的色散有关。在光纤的正常色散区,由于色散效应,自相位调制引起光信号经历暂时的较大展宽；在反常色散区,光纤的色散效应和自相位调制效应可能会相互补偿,从而使信号的展宽较小。自相位调制效应广泛应用于全光再生、光纤通信、光开关等领域。由于自相位调制效应在光纤中易于产生与观察，且对于光纤结构要求比较低，因此自相位调制效应为研发低成本、高灵敏度、高机械强度、结构紧凑的光纤温度传感器提供了新的有效途径。
技术实现思路
针对目前光纤温度传感器的弊端，本专利技术的目的是提供一种基于光纤自相位调制效应的温度传感系统及测量方法，将光纤非线性应用于光纤传感检测，实现低成本、高灵敏度、高机械强度、结构紧凑的目标。为了实现上述目的，一种基于光纤自相位调制效应的温度传感系统，包括光源模块、光纤传感模块、温度调节模块、检测模块，光源模块与光纤传感模块相连，光纤传感模块与检测模块相连；所述光纤传感模块由微结构传感光纤和普通光纤组成，微结构传感光纤的两端分别熔接一段普通光纤，形成三段式的整体结构，所述微结构传感光纤包括包层、包层中的气孔和内层气孔包围而成的六边形纤芯；所述光源模块用于提供光脉冲信号；所述温度调节模块用于改变待测温度；所述光纤传感模块用于检测温度调节模块的温度；所述检测模块用于显示自相位调制效应产生光谱的变化。所述微结构传感光纤的六边形纤芯的内接圆直径范围为5μm～20μm，包层直径范围为125μm～200μm，包层中空气孔直径范围为2μm～20μm，空气孔间隔范围为10μm～50μm；微结构传感光纤长度范围为20-50cm。所述微结构传感光纤材料包括石英光纤、碲酸盐光纤、硫化物光纤、氟化物光纤，普通光纤包括多模光纤、单模光纤。所述光源模块为全光纤锁模激光器，输出激光工作波长为1560nm，脉宽为200fs。所述温度调节模块包括水浴加热锅、恒温恒湿箱、加热电线圈。所述检测模块包括光谱仪、示波器。一种采用基于光纤自相位调制效应的温度传感系统的温度测量方法，包括：步骤1：拉制光纤传感模块中的微结构传感光纤，测量光纤传感模块中微结构传感光纤的热光系数与热膨胀系数；步骤2：计算拉制后的微结构传感光纤的有效模面积；步骤3：通过温度调节模块改变待测温度，计算拉制后的微结构传感光纤在不同温度下的非线性系数与群速度色散；步骤4：通过检测模块测量拉制后的微结构传感光纤在不同温度下经自相位调制效应感应频谱的展宽大小σ；步骤5：计算拉制后的微结构传感光纤在不同温度下的自相位调制效应感应频谱的展宽因子σ/σ0：式中，σ0表示初始频谱宽度，φmax表示微结构传感光纤在一定温度下自相位调制感应频谱的最大非线性位移，L表示微结构传感光纤在一定温度下的长度，LD表示微结构传感光纤在一定温度下的色散长度；其中，式中，Leff表示微结构传感光纤在一定温度下的有效长度，LNL表示微结构传感光纤在一定温度下的非线性长度，α表示微结构传感光纤在一定温度下的损耗，γ表示微结构传感光纤在一定温度下的非线性系数，P0表示光脉冲峰值功率；步骤6：计算拉制后的微结构传感光纤在不同温度下自相位调制效应感应频谱带宽的差异Δσ表示为：步骤7：计算拉制后的微结构传感光纤在不同温度C1、C2下自相位调制效应的温度传感灵敏度S表示为:本专利技术的有益效果：本专利技术提出的一种基于光纤自相位调制效应的温度传感系统及测量方法，基于光纤自相位调制效应引起的光信号光谱展宽，当待测温度变化时，光纤传感模块的光纤群速度色散与非线性系数发生改变，引起光纤自相位效应调制效应输出的光信号光谱带宽发生变化，通过检测光信号光谱3dB带宽的改变实现温度传感，将其应用到光纤传感领域，相比于传统的光纤温度传感器，结构简单、灵敏度高、机械强度高、全光纤结构紧凑；而且对于光纤结构以及材料要求较低，易于实现及检测。附图说明图1为本专利技术中的一种基于光纤自相位调制效应的温度传感系统的整体结构示意图。图2为本专利技术中的微结构光纤的横向截面图。图3为本专利技术中的微结构光纤在不同待测温度下的群速度色散变化散点图。图4为本专利技术中的微结构光纤在不同待测温度下的非线性系数变化散点图。图5为本专利技术中的温度传感系统测量的光谱曲线图。图6为本专利技术中的温度传感系统的温度测量灵敏度曲线图。图7为本专利技术中采用基于光纤自相位调制效应的温度传感系统的温度测量方法流程图。具体实施方式下面结合实施例与附图，对本专利技术的技术方案进行进一步说明。如图1所示，一种基于光纤自相位调制效应的温度传感系统，包括光源模块、光纤传感模块、温度调节模块、检测模块，光源模块与光纤传感模块相连，光纤传感模块与检测模块相连；所述光纤传感模块由微结构传感光纤和普通光纤组成，微结构传感光纤的两端分别熔接一段普通光纤，形成三段式的整体结构，所述微结构传感光纤包括包层、包层中的气孔和内层气孔包围而成的六边形纤芯；所述光源模块用于提供光脉冲信号；所述温度调节模块用于改变待测温度；所述光纤传感模块用于检测温度调节模块的温度；所述检测模块用于显示自相位调制效应产生光谱的变化。所述微结构传感光纤的六边形纤芯的内接圆直径范围为5μm～20μm，包层直径范围为125μm～200μm，包层中空气孔直径范围为2μm～20μm，空气孔间隔范围为10μm～50μm；微结构传感光纤长度范围为20-50cm。所述微结构传感光纤材料包括石英光纤、碲酸盐光纤、硫化物光纤、氟化物光纤，普通光纤按传输模式的数量分为多模光纤、单模光纤。所述光源模块为全光纤锁模激光器，输出激光工作波长为1560nm。所述温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光纤自相位调制效应的温度传感系统，其特征在于，包括光源模块、光纤传感模块、温度调节模块、检测模块，光源模块与光纤传感模块相连，光纤传感模块与检测模块相连；所述光纤传感模块由微结构传感光纤和普通光纤组成，微结构传感光纤的两端分别熔接一段普通光纤，形成三段式的整体结构，所述微结构传感光纤包括包层、包层中的气孔和内层气孔包围而成的六边形纤芯；/n所述光源模块用于提供光脉冲信号；/n所述温度调节模块用于改变待测温度；/n所述光纤传感模块用于检测温度调节模块的温度；/n所述检测模块用于显示自相位调制效应产生光谱的变化。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤自相位调制效应的温度传感系统，其特征在于，包括光源模块、光纤传感模块、温度调节模块、检测模块，光源模块与光纤传感模块相连，光纤传感模块与检测模块相连；所述光纤传感模块由微结构传感光纤和普通光纤组成，微结构传感光纤的两端分别熔接一段普通光纤，形成三段式的整体结构，所述微结构传感光纤包括包层、包层中的气孔和内层气孔包围而成的六边形纤芯；
所述光源模块用于提供光脉冲信号；
所述温度调节模块用于改变待测温度；
所述光纤传感模块用于检测温度调节模块的温度；
所述检测模块用于显示自相位调制效应产生光谱的变化。


2.根据权利要求1所述的一种基于光纤自相位调制效应的温度传感系统，其特征在于，所述微结构传感光纤的六边形纤芯的内接圆直径范围为5μm～20μm，包层直径范围为125μm～200μm，包层中空气孔直径范围为2μm～20μm，空气孔间隔范围为10μm～50μm；微结构传感光纤长度范围为20-50cm。


3.根据权利要求2所述的一种基于光纤自相位调制效应的温度传感系统，其特征在于，所述微结构传感光纤材料包括石英光纤、碲酸盐光纤、硫化物光纤、氟化物光纤，普通光纤包括多模光纤、单模光纤。


4.根据权利要求1所述的一种基于光纤自相位调制效应的温度传感系统，其特征在于，所述的光源模块为全光纤锁模激光器，输出激光工作波长为1560nm，脉宽为200fs。


5.根据权利要求1所述的一种基于光纤自相位调制效应的温度传感系统，其特征在于，所述温度调节模块包括水浴加热锅、恒温恒湿箱、加热电线圈。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：程同蕾，陈晓雨，闫欣，张学楠，王方，李曙光，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21