[發明專利]一種基于馬赫澤德爾干涉結構的溫度傳感器

有效

• 申請號: 201810889092.1
• 申請日: 2018-08-07
• 公開（公告）號: CN109029776B
• 公開（公告）日: 2019-11-19
• 發明（設計）人: 汝玉星;孫茂強;于廣安;畢琳旭;楊忠崗
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32
• 代理公司: 22201 長春吉大專利代理有限責任公司
• 代理人: 王恩遠<國際申請>=<國際公布>=<進入

本發明的一種基于馬赫澤德爾干涉結構的溫度傳感器屬于光纖傳感器技術領域。其主要結構有泵浦源(1)、光波分復用器(2)、摻鉺光纖(3)等。本發明用正弦信號作為調制信號，不會產生高頻干擾，具有工作更可靠、傳感精度高、應用范圍廣等特點。

技術領域

本發明屬于光纖傳感器的技術領域，特別涉及一種基于馬赫澤德爾干涉結構的溫度傳感器。

背景技術

布拉格光纖光柵(FBG)因具有抗電磁干擾、耐化學腐蝕、傳輸損耗小、體積小重量輕、便于大規模生產等優點，而廣泛應用于傳感技術領域。目前，溫度傳感器在安全生產中具有重要作用，尤其如礦井等高危場所，對溫度的監測至關重要。但傳統的溫度傳感器多數都是靠電信號的變化實現的，而基于電信號變化的溫度傳感器在實際應用中受到很大的限制，一方面電信號的使用會對某些環境(如煤礦)造成額外的安全隱患，另一方面在惡劣環境下使用時受環境的干擾較大且傳輸不便。而布拉格光纖光柵由于其上述優點使得其構成的溫度傳感器相比于其它傳感器具有更高的可靠性，也更適合惡劣條件下的使用。

與本發明最接近的現有技術是大連理工大學李宏的碩士學位論文《分布式光纖Bragg光柵傳感器解調技術的研究》，該文獻提供了一種基于非平衡馬赫澤德爾干涉法解調技術的布拉格光纖光柵應力傳感系統(參見該文獻的第5頁圖1.4)，該光纖傳感系統采用馬赫澤德爾干涉原理，在干涉儀兩臂中的其中一臂上利用壓電陶瓷(PZT)提供的調制信號改變該臂的長度，從而改變干涉儀輸出光強，干涉儀輸出光強隨PZT調制信號的變化呈余弦函數規律，如果采用理想鋸齒波作為PZT的調制信號，則光纖傳感系統的輸出直接為余弦波。光纖傳感系統通過布拉格光柵感知測量點處應力的變化(測量溫度時原理類似)，并反映為反射光譜中心波長的變化，中心波長的變化經過上述馬赫澤德爾干涉儀后體現為輸出余弦波相位的變化，最后將余弦波的相位和鋸齒波的相位相比較，即可反映出布拉格光纖光柵反射譜中心波長的變化，從而實現測量外界應力(或溫度)的變化。

在上述傳感系統中，存在的最大問題是鋸齒波不可能做到絕對的理想化，理想的鋸齒波下降沿是垂直的，而實際的鋸齒波的下降沿總是會有一定的坡度，從而會使后級輸出的余弦波存在一個高頻抖動，為了消除該高頻抖動信號，一般在其后級解調電路中必須使用帶通濾波器(BPF)，濾除直流分量和高頻分量。但是，一方面該高頻分量本身就會對余弦波的相位檢測造成影響(過零點位置變化)；另一方面該高頻抖動信號的頻率受PZT驅動電路性能、PZT本身的遲滯特性(PZT的電特性相當于電容，其兩端電壓是不能跳變的，因此鋸齒波的下降沿是做不到無限短的)以及光纖本身彈性等諸多因素影響，頻率大小不定，很難濾除干凈；而且，在使用濾波器時，除了會對輸出信號的幅頻特性產生影響外，還會同時對信號的相頻特性產生影響，即濾波是在截止頻率附近相位會受到影響，這對于依靠相位變化來測量溫度變化的光纖傳感器來說是十分不利的。因此，現有的布拉格光纖光柵溫度傳感器還需要進一步改進。

發明內容

為了克服現有的布拉格光纖光柵應溫度傳感器存在的缺點，本發明提供一種使用正弦信號作為PZT驅動信號的一種基于馬赫澤德爾干涉結構的溫度傳感器，從而避免了高頻干擾信號的產生，且在對接收到的信號進行處理時無需使用濾波器，從而避免了濾波過程對相位產生的影響。

本發明的目的通過以下技術方案實現：