【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于温度计量领域，涉及基于气室温度传感领域，具体涉及一种基于微腔和微气室的光学测温装置及其方法。
技术介绍
1、温度作为计量测试的一项重要参数，对保证科研、生产生活的正常运行非常关键。传统的温度计例如电阻温度计根据阻值与温度的对应关系实现温度测量，但受外界环境因素(例如高温、高压)影响显著，导致温度计产生显著漂移，严重影响测温结果，并且需要周期性校准，限制了温度计的应用场景。因此，亟需原位校准、测量的测温方法。
2、基于量子原理的多普勒展宽温度计是一种相对新型的原级测温方法，符合国际单位制量子化发展趋势。多普勒展宽温度计基于气室作为温度传感元件，通过原子或者分子的吸收光谱实现温度测量。多普勒展宽温度计作为一种原级温度计，将温度与绝对频率和频率间隔(多普勒宽度)联系起来，溯源到时间频率量。该测温方法优势为不需要测量探测光的绝对强度，充分利用了光谱分辨力高的特点，具有很高的测量精度。
3、在多普勒展宽测温领域中，通常需要借助超稳腔、波长计等外部标准具作为频率参考，这些标准具虽具有高精度、长期稳定等特点，但体积大、成本高、使用复杂，这就导致很难实现测温系统的小型化、集成化，限制了多普勒展宽测温朝向实用性的发展。此外，基于标准具频率参考的等间隔光学扫频进行多普勒展宽测温的方法，光路复杂、测量时间长，很难实现实时测量。因此，研制一种易集成、长期在线测温的新型多普勒展宽测温方法具有光明的应用前景。
技术实现思路
1、为克服现有技术缺点，本专利技术的目的是提供一
2、为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案。
3、本专利技术公开的一种基于微腔和微气室的光学测温装置，包括激光输出模块、标定光路、探测光路、数据采集及处理模块。所述激光输出模块发射周期性宽带扫频激光。所述标定光路用于标定宽带扫频激光间隔。所述探测光路用于产生携带温度信息的分子或原子吸收谱。所述数据采集及处理模块采集光谱信息，并进行温度计算。
4、半导体激光器的输出波长与外部注入电流具有良好的线性关系。通过对窄线宽激光器施加锯齿波电学扫描信号产生线性宽带扫频激光，宽带线性扫频激光被微腔透射谱产生的自由光谱范围fsr标定，并将时域上的谱线映射到频域。根据频域的微型气室吸收谱线计算热力学温度。
5、所述的激光输出模块，包括窄线宽激光器、激光器温控器、信号发生器、1×2单模保偏光纤耦合器。所述的窄线宽激光器包括但不限于dbr激光器，具有窄线宽、宽调谐单频无跳模输出的特点，用于产生激光。所述激光器温控器与信号发生器分别与窄线宽激光器连接。激光器温控器用于保证窄线宽激光器的稳定输出。信号发生器用于产生周期性锯齿波电压信号，对窄线宽激光器进行周期性调制，实现周期性宽带扫频激光输出。所述1×2单模保偏光纤耦合器将激光分成2路。
6、所述标定光路包括1×2单模保偏光纤耦合器端口一、微腔芯片、微腔温控外壳、微腔温控器、拉锥光纤、光电探测器。窄线宽激光器发射的激光通过1×2单模保偏光纤耦合器端口一耦合进微腔，微腔输出光耦合进拉锥光纤，再被光电探测器收集。微腔芯片被微腔温控外壳包围，并配合微腔温控器维持微腔芯片温度的恒定。
7、所述的探测光路包括:1×2单模保偏光纤耦合器输出端口二、光纤准直器、衰减片、偏振片、微气室、透镜、光电探测器。所述1×2单模保偏光纤耦合器输出端口二连接光纤准直器输出空间准直光，经过衰减片、偏振片后，进入微型气室与分子或者原子相互作用。穿过微型气室的透射光经透镜聚焦后被光电探测器收集。
8、所述的数据采集及处理模块包括数据采集单元和上位机。所述上位机控制数据采集单元收集两个光电探测器以及锯齿波电信号，获得标定光路和探测光路在时间域上的光谱信号，并根据光谱信号实现热力学温度计算。
9、本专利技术公开的窄线宽激光器包括但不限于dbr激光器，具有窄线宽、宽调谐、单频无跳模输出等特点，用于产生激光。
10、本专利技术公开的微腔芯片以实际探测中心波长、自由光谱范围(fsr)为优化要素，首先经过理论仿真优化，再通过半导体加工工艺得到fsr为5g的微腔芯片。
11、作为优选，微型气室基于mems工艺实现，气室内部填充为分子或原子气体。
12、本专利技术公开的一种基于微腔和微气室的光学测温方法，基于所述基于微腔和微气室的光学测温装置实现。所述一种基于微腔和微气室的光学测温方法，包括以下步骤：
13、步骤1：曲线绘制。数据采集单元(400)按照设定的采样速率获取标定光路(2)和探测光路(3)中两个探测器输出的电信号，同时采集锯齿波电信号并上传至上位机(401)。将三路曲线以时间为横坐标，电压幅值为纵坐标绘制曲线，得到三路多周期曲线，分别为微腔透射曲线、气室吸收谱曲线、锯齿波曲线。锯齿波曲线用于划分周期，微腔透射曲线用于标定，气室吸收谱曲线用于温度计算。
14、步骤2：对三条多周期曲线进行单周期处理。以锯齿波每个周期的最低点作为单周期划分依据，将时域上连续的微腔透射曲线、气室吸收谱曲线线划分成多个单周期曲线。
15、步骤3：顶点对齐处理。通过移动横坐标使多个单周期微腔透射曲线的透射峰顶点对齐，相应的气室吸收谱曲线也发生移动。
16、步骤4：曲线平均处理。将步骤3处理过后的多个单周期微腔透射曲线和气室吸收谱曲线在相应时域点上进行平均处理，得到平均后的微腔透射曲线和气室吸收谱曲线。步骤2、3、4在一个数值计算软件实现，每一步骤对应数值计算软件编程逻辑。
17、步骤5：时域至频域转化处理。基于平均处理后的微腔透射曲线的两个谐振峰时间间隔等于自由光谱范围(fsr)即5ghz，得到时域上两个相邻点的频率间隔，再将平均处理后的微腔透射曲线、气室吸收谱线的横坐标由时域变成频率，完成时域至频域转化。
18、步骤6：热力学温度计算。对频域上气室吸收谱线进行拟合，提取多普勒宽度，并代入热力学温度计算式中进行计算热力学温度。式中：δvd为拟合提取的多普勒半高宽(hwhm)；v0为谱线中心频率；t为热力学温度。根据热力学温度计算式得到微型气室(208)所处的热力学温度。
19、作为优选，利用微腔自由光谱范围(fsr)标定微型气室吸收谱线的方法实现原级测温。
20、作为优选，步骤2、3、4在一个matlab程序实现，每一步骤对应matlab编程逻辑。
21、有益效果：
22、1、本专利技术公开的一种基于微腔和微气室的光学测温装置及其实现方法，通过微腔自由光谱范围(fsr)标定原子或分子吸收谱曲线并得出热力学温度的方法，替代现有多普勒展宽测温方法中常用的超稳腔、波长计等大型标准具，有效解决多普勒展宽温度计的体积大，成本高、操作复杂等难题。
23本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于微腔和微气室的光学测温装置，其特征在于：包括激光输出模块(1)、标定光路(2)、探测光路(3)、数据采集及处理模块(4)；所述激光输出模块(1)用于产生宽带扫频激光；所述标定光路(2)用于标定宽带激光扫频的间隔和范围；所述探测光路(3)用于产生携带温度信息的分子或原子吸收谱；所述数据采集及处理模块(4)用于获取标定光路(2)和探测光路(3)的光谱信息，并对获取的光谱信息进行处理。
2.如权利要求1所述的一种基于微腔和微气室的光学测温装置，其特征在于：激光输出模块(1)包括窄线宽激光器(100)、激光器温控器(101)、信号发生器(102)、1×2单模保偏光纤耦合器(103)；所述窄线宽激光器(100)包括但不限于DBR激光器，具有窄线宽、宽调谐、单频无跳模输出的特点，用于输出窄线宽单频激光；所述激光器温度控制器(101)与窄线宽激光器(100)连接，实现窄线宽激光器(100)稳定输出；所述信号发生器(102)用于产生周期性锯齿波，并驱动窄线宽激光器(100)产生周期性宽带扫频激光；所述1×2单模保偏光纤耦合器连接窄线宽激光器(100)将输出光一分为二。p>
3.如权利要求1所述的一种基于微腔和微气室的光学测温装置，其特征在于：标定光路(2)包括1×2单模保偏光纤耦合器(103)输出端口一(a)、微腔芯片(200)、微腔温控外壳(201)、微腔温控器(202)、拉锥光纤(203)、光电探测器(204)；所述1×2单模保偏光纤耦合器(103)输出端口一(a)的输出光耦合至微腔芯片(200)，所述的微腔芯片(200)基于理论仿真优化并通过半导体加工工艺实现，自由光谱范围(FSR)为5GHz；所述微腔芯片(200)被微腔温控外壳(201)包围，并结合微腔温控器(202)实现微腔芯片(200)温度恒定；微腔芯片(200)透射谱耦合至拉锥光纤(203)并被光电探测器收集(204)。
4.如权利要求1所述的一种基于微腔和微气室的光学测温装置，其特征在于：探测光路(3)包括1×2单模保偏光纤耦合器(103)输出端口二(b)、光纤准直器(300)、衰减片(301)、偏振片(302)、微型气室(303)、透镜(304)、光电探测器(305)；所述1×2单模保偏光纤耦合器(103)输出端口二(b)连接光纤准直器(300)输出准直空间光，并经过减片(301)和偏振片(302)后入射至微型气室(303)；所述的微型气室(303)是温度传感的核心部件，基于MEMS工艺制备，内部填充为分子或者原子；微型气室(303)透射光经透镜(304)聚焦后被光电探测器(305)收集。
5.如权利要求1所述的一种基于微腔和微气室的光学测温装置，其特征在于：数据采集及处理模块(4)包括数据采集单元(400)和上位机(401)；所述数据采集卡(400)收集两个光电探测器以及锯齿波电压信号并发送至上位机(301)，根据采集的电信号在上位机(301)完成信号处理及热力学温度计算。
6.一种基于微腔和微气室的光学测温方法，基于如权利要求1、2、3、4或5所述的一种基于微腔和微气室的光学测温装置实现，其特征在于：包括以下步骤，
7.如权利要求6所述一种基于微腔和微气室的光学测温方法，其特征在于：利用微腔自由光谱范围标定微型气室吸收谱线的方法实现原级测温。
8.如权利要求6所述一种基于微腔和微气室的光学测温方法，其特征在于：步骤2、3、4在一个matlab程序实现，每一步骤对应matlab编程逻辑。
...【技术特征摘要】
1.一种基于微腔和微气室的光学测温装置，其特征在于：包括激光输出模块(1)、标定光路(2)、探测光路(3)、数据采集及处理模块(4)；所述激光输出模块(1)用于产生宽带扫频激光；所述标定光路(2)用于标定宽带激光扫频的间隔和范围；所述探测光路(3)用于产生携带温度信息的分子或原子吸收谱；所述数据采集及处理模块(4)用于获取标定光路(2)和探测光路(3)的光谱信息，并对获取的光谱信息进行处理。
2.如权利要求1所述的一种基于微腔和微气室的光学测温装置，其特征在于：激光输出模块(1)包括窄线宽激光器(100)、激光器温控器(101)、信号发生器(102)、1×2单模保偏光纤耦合器(103)；所述窄线宽激光器(100)包括但不限于dbr激光器，具有窄线宽、宽调谐、单频无跳模输出的特点，用于输出窄线宽单频激光；所述激光器温度控制器(101)与窄线宽激光器(100)连接，实现窄线宽激光器(100)稳定输出；所述信号发生器(102)用于产生周期性锯齿波，并驱动窄线宽激光器(100)产生周期性宽带扫频激光；所述1×2单模保偏光纤耦合器连接窄线宽激光器(100)将输出光一分为二。
3.如权利要求1所述的一种基于微腔和微气室的光学测温装置，其特征在于：标定光路(2)包括1×2单模保偏光纤耦合器(103)输出端口一(a)、微腔芯片(200)、微腔温控外壳(201)、微腔温控器(202)、拉锥光纤(203)、光电探测器(204)；所述1×2单模保偏光纤耦合器(103)输出端口一(a)的输出光耦合至微腔芯片(200)，所述的微腔芯片(200)基于理论仿真优化并通过半导体加工工艺实现，自由光谱范围(fsr)为5ghz；所述微腔芯片(200)被微腔温控外壳(201)包围，并...
【专利技术属性】
技术研发人员：李小宽，李维，李昱东，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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