[发明专利]一种基于光学谐振腔游标效应的温度传感器及其控制方法

权利要求书

1.一种基于光学谐振腔游标效应的温度传感器，其特征在于：包括光源（1）、第一分束器（2）、光栅（3）、第二分束器（4）、耦合器（5）、环形波导（6）、光谱仪（7）和处理系统（8）；

光源（1）的光输出端连接第一分束器（2）的光输入端，第一分束器（2）的光输入输出端连接光栅（3）的光输入输出端，第一分束器（2）的光输出端连接第二分束器（4）的光输入端，第二分束器（4）的第一光输出端连接光谱仪（7）的第一光输入端，第二分束器（4）的第二光输出端连接耦合器（5）的第一光输入端，耦合器（5）的第二光输入端、第二光输出端连接环形波导（6），耦合器（5）的第一光输出端连接光谱仪（7）的第二光输入端，光谱仪（7）的电输出端连接处理系统（8）的电输入端，处理系统（8）的电输出端输出传感器输出信号；所述的耦合器（5）和环形波导（6）构成环形谐振腔；

光栅的反射峰的中心频率随温度变化而移动，通过光栅的反射峰的中心频率的移动方向，判断出温度是升高或是降低；环形谐振腔的谐振频率随温度变化而移动，通过环形谐振腔的谐振频率的移动量，得出温度的变化量；

环形波导（6）的折射率与温度的关系为温度越高，环形波导（6）的折射率越大；光栅（3）的折射率与温度的关系为温度越高，光栅（3）的折射率越大；环形波导（6）的长度和光栅的长度均为随温度热胀冷缩。

2.根据权利要求1所述的一种基于光学谐振腔游标效应的温度传感器，其特征在于：光栅（3）的反射谱为一个反射峰，且此反射峰的带宽至少是环形谐振腔的自由谱宽的100倍，所述光源（1）为宽带光源，其带宽至少是光栅（3）的反射峰带宽的100倍。

3.根据权利要求1所述的一种基于光学谐振腔游标效应的温度传感器，其特征在于：所述耦合器（5）为2×2耦合器；所述第一分束器（2）与第二分束器（4）均为1×2耦合器，且耦合比均为50:50。

4.根据权利要求1所述的一种基于光学谐振腔游标效应的温度传感器，其特征在于：所述处理系统（8）包括采样电路（8-1）、分析电路（8-2）和输出电路（8-3）；采样电路（8-1）的电输入端为处理系统（8）的电输入端，输出电路（8-3）的电输出端为处理系统（8）的电输出端；光谱仪（7）的电输出端连接采样电路（8-1）的电输入端，采样电路（8-1）的电输出端连接分析电路（8-2）的电输入端，分析电路（8-2）的电输出端连接输出电路（8-3）的电输入端，输出电路（8-3）的电输出端输出传感器输出信号。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种基于光学谐振腔游标效应的温度传感器的控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一、在某一已知的标准温度条件下，记录光栅（3）的反射谱，同时，确定反射谱中的反射峰的中心频率，并将此中心频率作为原点1，记录环形谐振腔的透射谱，并将透射谱标定为透射谱1、将透射谱中的透射谷标定为透射谷1，同时，确定透射谱中任意一个透射谷的中心频率，将此中心频率作为原点2，并由透射谱获得此标准温度条件下环形谐振腔的自由谱宽，此自由谱宽用FSR1表示；

当温度变化时，如果光栅（3）的反射峰的中心频率向原点1的左侧移动即向低频移动，可判定温度升高；此时，记录环形谐振腔的透射谱，将透射谱标定为透射谱2、将透射谱中的透射谷标定为透射谷2，并由透射谱获得此时环形谐振腔的自由谱宽，此自由谱宽用FSR2表示；由于此时温度升高，环形波导（6）的折射率与环形谐振腔的腔长，二者的增大，共同导致环形谐振腔的自由谱宽减小，即FSR2小于FSR1，且环形谐振腔的谐振频率向低频移动；由于FSR2不等于FSR1，因此，存在一些谐振频率既是透射谷1的中心频率、又是透射谷2的中心频率，将这些谐振频率标定为谐振频率2；此时，在低频方向确定距离原点2最近的谐振频率2，将此谐振频率2标定为谐振频率2x；

当温度变化时，如果光栅（3）的反射峰的中心频率向原点1的右侧移动即向高频移动，可判定温度降低；此时，记录环形谐振腔的透射谱，将透射谱标定为透射谱3、将透射谱中的透射谷标定为透射谷3，并由透射谱获得此时环形谐振腔的自由谱宽，此自由谱宽用FSR3表示；由于此时温度降低，环形波导6的折射率与环形谐振腔的腔长，二者的减小，共同导致环形谐振腔的自由谱宽增大，即FSR3大于FSR1，且环形谐振腔的谐振频率向高频移动；由于FSR3不等于FSR1，因此，存在一些谐振频率既是透射谷1的中心频率、又是透射谷3的中心频率，将这些谐振频率标定为谐振频率3；此时，在低频方向确定距离原点2最近的谐振频率3，将此谐振频率3标定为谐振频率3x；

步骤二、光谱仪（7）将光谱电压信号（1）和光谱电压信号（2）输入采样电路（8-1），采样电路（8-1）将光谱电压信号（1）和光谱电压信号（2）送入分析电路（8-2）；其中，光谱电压信号（1）为光谱仪（7）采集的光栅（3）的反射谱，光谱电压信号（2）为光谱仪（7）采集的环形谐振腔的透射谱；

步骤三、首先，分析电路（8-2）在某一已知的标准温度条件下，获取原点1、原点2、透射谱1、透射谷1和FSR1，并将以上参数作为标准参数记录；其次，分析电路8-2由光栅3的反射峰的中心频率的移动方向，判断温度是升高或是降低，如果温度升高，则获取透射谱2、透射谷2、FSR2、谐振频率2和谐振频率2x，并在谐振频率2x处按照游标卡尺的读数方法获得频差y；如果温度降低，则获取透射谱3、透射谷3、FSR3、谐振频率3和谐振频率3x，并在谐振频率3x处按照游标卡尺的读数方法获得频差z；然后，分析电路（8-2）由频差y或频差z得出温度的变化量，进而获得变化后的温度；最后，分析电路（8-2）将温度信息送入输出电路（8-3），输出电路（8-3）输出传感器输出信号，输出传感器输出信号包含温度值的大小。