[实用新型]高精度光纤光栅温度传感系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及的是光纤传感技术领域，具体是一种精度达到0.0004K的光纤光栅温度传感系统。

背景技术

光纤光栅传感技术是光纤传感技术的重要分支之一。由于其具有高测量精度、易实现多点测量、抗电磁干扰、尺寸小、成本低等优势，现已广泛用于各类实用场景。

地球物理学相关研究是光纤光栅传感系统的重要应用场景之一，如地质构造研究中，地壳微变过程的数据获取、地震火山等地质灾害检测及预警、全球气候变化、“厄尔尼诺”效应等研究中的海洋科学测温等。该类应用场景所涉及待测物理场的显著特点在于其变化量极其微小、变化周期长且长期变化范围广。因此，要求传感器具有高灵敏度、高绝对精度及大动态范围。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103196473A，公开日2013.07.10，公开了一种多通道高精度光纤光栅解调装置及其解调方法。该类装置及其调节方法以可调谐激光器产生扫频光对光栅进行探测，获取与光栅反射/透射谱等效的“透射功率——时间”曲线，该类光纤光栅解调系统需获取待测光纤光栅的完整谱特性曲线，然而，可调谐FP滤波器的扫频并非理想的线性过程，各次扫频同一时刻对应的光频率也存在随机抖动，导致光谱测量的精度有限，无法实现足够高的温度测量精度。同时，而且受可调谐FP滤波器性能限制，其谱宽在10pm‐200pm，较宽的光谱宽度使得其中心波长测量的不确定性随之增加，进一步限制了这类系统的温度分辨率。如果采用更窄的FP滤波器，虽然窄的谱宽能够降低中心波长测量的不确定性，但是窄带FP滤波器会导致扫频激光光功率的降低，使得在测量光纤布拉格光栅的光谱时精度下降，系统的测量精度也无法提高。

中国专利文献号CN102252704A和CN101021443A分别公开了两种高精度多通道光纤光栅温度传感系统。这两种系统分别利用不同电流、温度下光纤光栅谱特性改变，导致其对特定频率激光的反射或透射光功率发生变化，经光电探测器将其转为电信号，基于信号强度直接获取待测场信息。专利文献CN102252704A中采用的比较器加自动增益控制的数据获取方式及专利文献CN101021443A中基于长周期光纤光栅的波长解调方式，同样面临光源在扫频过程中的非线性所带来的精度问题。其中，专利文献CN102252704A中采用了查表及拟合进行扫频非线性校正的方法，虽然能一定程度上缓解扫频非线性的问题，但是由于查表与拟合所依赖的数据都是基于测量之前预获取的信息，无法补偿测量时刻的实际非线性的差异情况，从而不能够完全消除扫频非线性对温度测量精度的影响。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提出一种高精度光纤光栅温度传感系统，彻底解决了光源在调谐过程中的非线性问题，并且引入气体吸收室作为绝对频率参考，具有测量精度高、长期稳定性好的特点。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型涉及一种高精度光纤光栅温度传感系统，包括：光源、光纤耦合器阵列、光纤光栅、光纤谐振腔、标准气体吸收室、光电探测器阵列和计算控制器，其中：

计算控制器、光源和光纤耦合器阵列依次串联连接，光纤耦合器阵列的四个输出端与光电探测器阵列的四个输入端之间构成四条并联支路，分别为：

①光纤耦合器阵列的第一输出端与光电探测器阵列的第一输入端直接连接；

②光纤光栅的两端分别与光纤耦合器阵列的第二输出端与光电探测器阵列的第二输入端相连；

③光纤谐振腔的两端分别与光纤耦合器阵列的第三输出端与光电探测器阵列的第三输入端相连；

④标准气体吸收室的两端分别与光纤耦合器阵列的第四输出端与光电探测器阵列的第四输入端相连；

光电探测器阵列的输出端分别与计算控制器输入端相连。

所述的光源采用窄线宽可调谐激光器，其工作波长位于1550nm，输出功率大于1mW，线宽小于1MHz。

所述的光纤耦合器阵列，包括：第一光纤耦合器、第二光纤耦合器和第三光纤耦合器，其中：

光纤耦合器阵列四个端口输出光的功率比值固定，波长相同。

所述的光纤光栅工作波长位于1550nm。

所述的光纤谐振腔置于恒温环境中，光纤谐振腔自由光谱范围只有10MHz，品质因素大于10。

所述的标准气体吸收室所含标准物质为HC¹³N，压强小于0.1标准大气压。

所述的光电探测器阵列包括多个光电探测器，各光电探测器输出带宽大于100kHz。

所述的计算控制器，包括：电信号发生器、数据采集卡和计算机，其中：