| 主权项 |
基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感方法，其特征在于，它包括宽带光源(1)、长周期光纤光栅(2)、分光器(3)、第一耦合器(4)、第二耦合器(5)、第一光电探测器(6)、第二光电探测器(7)、第一光纤光栅温度传感器(8)、第二光纤光栅温度传感器(9)、数据采集器(10)和数据处理器(11)，所述的宽带光源(1)的宽带光信号输出端与长周期光纤光栅(2)的宽带光信号输入端连接，所述的长周期光纤光栅(2)的双边带光信号输出端与分光器(3)的光信号输入端连接，所述的分光器(3)的第一光信号输出端与第一耦合器(4)的光信号输入端连接，所述的第一耦合器(4)的光信号输入输出端与第一光纤光栅温度传感器(8)的光信号输入输出端连接，所述第一耦合器(4)的光信号输出端与第一光电探测器(6)的光信号输入端连接，所述的第一光电探测器(6)的电信号输出端与数据采集器(10)的第一数据信号输入端连接，所述的分光器(3)的第二光信号输出端与第二耦合器(5)的光信号输入端连接，所述的第二耦合器(5)的光信号输入输出端与第二光纤光栅温度传感器(9)的光信号输入输出端连接，所述第二耦合器(5)的光信号输出端与第二光电探测器(7)的光信号输入端连接，所述的第二光电探测器(7)的电信号输出端与数据采集器(10)的第二数据信号输入端连接，所述的数据采集器(10)的信号输出端与数据处理器(11)的信号输入端连接,宽带光源(1)发出的宽带光经长周期光纤光栅(2)后成为具有双边带的透射光，然后被分光器(3)分成两束光；其中一束光经第一耦合器(4)后被第一光纤光栅温度传感器(8)反射到第一光电探测器(6)，第一光电探测器(6)将光信号转化为电信号，另一束光经第二耦合器(5)后被第二光纤光栅温度传感器(9)反射到第二光电探测器(7)，第二光电探测器(7)将光信号转化为电信号，数据采集器(10)采集第一光电探测器(6)和第二光电探测器(7)测得的数据，数据处理器(11)对采集的数据进行处理，第一光纤光栅温度传感器(8)和第二光纤光栅温度传感器(9)的反射光谱分别表示为：<img file="FDA0000717281960000011.GIF" wi="1253" he="159" />和<img file="FDA0000717281960000012.GIF" wi="1267" he="165" />其中，λ<sub>B1</sub>和λ<sub>B2</sub>分别表示第一光纤光栅温度传感器(8)和第二光纤光栅温度传感器(9)的中心波长，R<sub>B1</sub>和R<sub>B2</sub>分别表示第一光纤光栅温度传感器(8)和第二光纤光栅温度传感器(9)在中心波长处的反射光强，b<sub>1</sub>和b<sub>2</sub>分别表示第一光纤光栅温度传感器(8)和第二光纤光栅温度传感器(9)的半峰值宽度，λ表示光信号的波长，第一光电探测器(6)和第二光电探测器(7)输出端输出电压分别表示为：<img file="FDA0000717281960000021.GIF" wi="1177" he="103" />和<img file="FDA0000717281960000022.GIF" wi="1174" he="100" />其中，β<sub>1</sub>和β<sub>2</sub>为常数，β<sub>1</sub>由分光器(3)的分光比、光路损耗和第一光电探测器(6)的光电转换因子决定，β<sub>2</sub>由分光器(3)的分光比、光路损耗和第二光电探测器(7)的光电转换因子决定，T<sub>1</sub>(λ)表示长周期光纤光栅的光谱在上升沿线性区间内的透光率，且T<sub>1</sub>(λ)＝A<sub>1</sub>λ+B<sub>1</sub> (1) T<sub>2</sub>(λ)表示长周期光纤光栅的光谱在下降沿线性区间内的透光率，且T<sub>2</sub>(λ)＝A<sub>2</sub>λ+B<sub>2</sub> (2) 其中，A<sub>1</sub>为长周期光纤光栅的光谱上升沿的斜率，A<sub>2</sub>为长周期光纤光栅的光谱下降沿的斜率，B<sub>1</sub>和B<sub>2</sub>均为常数，将公式(1)和公式(3)代入公式(5)得，V<sub>1</sub>＝K<sub>1</sub>λ<sub>B1</sub>+D<sub>1</sub> (7) 将公式(2)和公式(4)代入公式(6)得，V<sub>2</sub>＝K<sub>2</sub>λ<sub>B2</sub>+D<sub>2</sub> (8) 其中，<img file="FDA0000717281960000023.GIF" wi="1017" he="151" /><img file="FDA0000717281960000024.GIF" wi="1092" he="149" /><img file="FDA0000717281960000025.GIF" wi="1029" he="149" /><img file="FDA0000717281960000031.GIF" wi="1123" he="149" />当第一光纤光栅温度传感器(8)和第二光纤光栅温度传感器(9)的中心波长分别由λ<sub>B1</sub>和λ<sub>B2</sub>变为λ<sub>B1</sub>+△λ<sub>1</sub>和λ<sub>B2</sub>+△λ<sub>2</sub>时，将λ<sub>B1</sub>+△λ<sub>1</sub>替换公式(7)中的λ<sub>B1</sub>得到：V<sub>1</sub>＝K<sub>1</sub>△λ<sub>1</sub>+(K<sub>1</sub>λ<sub>B1</sub>+D<sub>1</sub>) (11) 将λ<sub>B2</sub>+△λ<sub>2</sub>替换公式(8)中的λ<sub>B2</sub>得到：V<sub>2</sub>＝K<sub>2</sub>△λ<sub>2</sub>+(K<sub>2</sub>λ<sub>B2</sub>+D<sub>2</sub>) (12) 其中，△λ<sub>1</sub>表示温度变化量ΔT引起的第一光纤光栅温度传感器(8)中心波长的偏移量，△λ<sub>2</sub>表示温度变化量ΔT引起的第二光纤光栅温度传感器(9)中心波长的偏移量，第一光纤光栅温度传感器(8)和第二光纤光栅温度传感器(9)处于相同的温度环境下，若测量过程中第一光纤光栅温度传感器(8)和第二光纤光栅温度传感器(9)所受的径向拉力为零，则△λ<sub>1</sub>＝(μ<sub>1</sub>+ν<sub>1</sub>)λ<sub>B1</sub>△T (13) △λ<sub>2</sub>＝(μ<sub>2</sub>+ν<sub>2</sub>)λ<sub>B2</sub>△T (14) 其中，μ<sub>1</sub>表示第一光纤光栅温度传感器(8)光纤材料的热膨胀系数；ν<sub>1</sub>表示第一光纤光栅温度传感器(8)光纤材料的热光系数，μ<sub>2</sub>表示第二光纤光栅温度传感器(9)光纤材料的热膨胀系数；ν<sub>2</sub>表示第二光纤光栅温度传感器(9)光纤材料的热光系数，将公式(13)代入公式(11)得：V<sub>1</sub>＝K<sub>1</sub>(μ<sub>1</sub>+ν<sub>1</sub>)λ<sub>B1</sub>△T+(K<sub>1</sub>λ<sub>B1</sub>+D<sub>1</sub>) (15) 将公式(14)代入公式(12)得：V<sub>2</sub>＝K<sub>2</sub>(μ<sub>2</sub>+ν<sub>2</sub>)λ<sub>B2</sub>△T+(K<sub>2</sub>λ<sub>B2</sub>+D<sub>2</sub>) (16) 第一光电探测器(6)和第二光电探测器(7)电信号输出端输出电压V<sub>1</sub>和V<sub>2</sub>还受到宽带光源(1)输出功率起伏的影响，由于第一光电探测器(6)和第二光电探测器(7)电信号输出端输出电压V<sub>1</sub>和V<sub>2</sub>在相同的条件下测量获得，因此宽带光源(1)输出功率起伏对它们的影响相同，考虑到宽带光源(1)输出功率起伏的影响，第一光电探测器(6)和第二 光电探测器(7)电信号输出端输出电压分别表示为：V<sub>1</sub>＝K<sub>1</sub>(μ<sub>1</sub>+ν<sub>1</sub>)λ<sub>B1</sub>△T+(K<sub>1</sub>λ<sub>B1</sub>+D<sub>1</sub>)+n(t) (17) 和V<sub>2</sub>＝K<sub>2</sub>(μ<sub>2</sub>+ν<sub>2</sub>)λ<sub>B2</sub>△T+(K<sub>2</sub>λ<sub>B2</sub>+D<sub>2</sub>)+n(t) (20) 其中，n(t)表示宽带光源(1)输出功率起伏，将公式(19)和公式(20)作差得：V＝V<sub>1</sub>‑V<sub>2</sub>＝[K<sub>1</sub>(μ<sub>1</sub>+ν<sub>1</sub>)λ<sub>B1</sub>‑K<sub>2</sub>(μ<sub>2</sub>+ν<sub>2</sub>)λ<sub>B2</sub>]△T+(K<sub>1</sub>‑K<sub>2</sub>)λ<sub>B1</sub>+(D<sub>1</sub>‑D<sub>2</sub>) (21)完成基于长周期光栅解调普通光纤光栅的温度传感器实现的测量。 |
