[發明專利]一種光纖溫度傳感器解調方法

在審

• 申請號: 201811225718.5
• 申請日: 2018-10-21
• 公開（公告）號: CN109084908A
• 公開（公告）日: 2018-12-25
• 發明（設計）人: 張群
• 申請（專利權）人: 張群
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種光纖溫度傳感器解調方法，其特征在于，采用的具體解調方法如下：

所述光纖溫度傳感探頭104傳感的溫度的變化將導致溫度探頭中光程的改變，從而會改變測試系統輸出的微波信號的中心頻率，該微波信號中心頻率的變化量就可以實現溫度值的解調，寬譜光源101經過馬赫曾德干涉儀后，將發生干涉，干涉條紋的輸出在頻域上可表示為：

其中A為干涉儀輸出干涉條紋的可見度，Δω為不同干涉儀光程差nΔL時輸出干涉條紋的頻率間隔，為干涉儀的相位漂移，ω₀為激光器的中心圓頻率。Δω可表示為：

Δω＝2πc/nΔL (2)

其中c為光速，n為光纖折射率，ΔL為干涉儀兩臂光纖長度差，則該干涉儀的自由光譜范圍可表示為：

干涉的輸出光是與波長相關，其電場可表征為：

E(t)＝∫E(ω)e^jωtdω (4)

則光源的光功率譜密度可表示為：

T(ω)＝|E(ω)|² (5)

干涉儀輸出的干涉條紋經過電光調制器106后，光譜的每個頻率分量E(ω)都被調制，并且由光電振蕩器環路產生一頻率為ξ的微波信號，電光調制器106輸出的光場可表示為：

E(ω)＝e^jωt(1+e^jξt+e^-jξt) (6)

光電振蕩器中使用色散光纖作為延遲線，該時延線的電場傳遞函數可表示為：

H(ω)＝|H(ω)e^-jφ(ω) (7)

φ(ω)為待測光纖延遲引入的相位，根據泰勒級數展開，該相位可表示為：

式中，τ(ω₀)為中心頻率ω₀時的群時延，β為待測光纖的色散，其單位為ps²/km，β可表示為：

式中D(ps/km/nm)為待測光纖的色散系數，λ₀為光源波長，

根據式(5)—(9)可得光電振蕩器響應函數為：

其中由此可知，光電振蕩器輸出的微波信號的中心頻率可表示為：

則光纖溫度探頭106由于溫度的變化而導致的干涉儀光程差的變化可表示為：

上式中Δf₀為中心頻率的變化量，這種光程差的變化主要來源于光纖溫度傳感探頭104中光纖的折射率和長度發射的變化，其與溫度T的關系是線性的，可表示為：

Δ(nΔL)＝KT (13)

由式(12)可知，根據光電振蕩器輸出微波信號的中心頻率、寬譜光源101的中心波長、光纖折射率、色散補償光纖107的長度及色散系數，就能夠得到光纖溫度傳感探頭104由于溫度的變化而導致的干涉儀光程差的變化量。

2.根據權利要求1所述的一種光纖溫度傳感器解調系統的測量方法，其特征在于，光纖溫度傳感系統的關鍵是要確定好式(12)中的各項參數，即先確定光電振蕩器中的色散光纖的長度和色散值，并調節干涉儀兩臂光程差使得光電振蕩器輸出的微波信號的頻率在常用頻譜測量頻段范圍內，通過設置式(12)中的各項參數使得測試系統的輸出微波信號的頻率在一般頻譜儀測量頻率范圍內。

3.根據權利要求2所述的一種光纖溫度傳感器解調系統的測量方法，其特征在于，測試系統輸出的微波信號的頻率由光電振蕩器中色散補償光纖的長度、色散值和干涉儀兩臂光程差共同決定，例如通過電動可調光纖延遲線103調節干涉儀兩臂光程差使得系統輸出的微波信號的頻率分辨率為10MHz，色散光纖為1km，色散系數為-150ps/km/nm時，本系統可檢測到的光程變化量的靈敏度為3.6微米，如果光纖溫度傳感探頭104中的光纖長度為1m，根據光纖時延的溫度系數為40ps/km/℃可得本發明提出的溫度傳感系統的溫度解調分辨率為0.3℃，通過優化式(12)中的各項參數和改變光纖溫度傳感探頭104中光纖的長度可調節本溫度傳感系統的溫度測量靈敏度。