基于FP标准具的FBG温度传感器响应测量系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于FP标准具的FBG温度传感器响应时间测量系统及方法，其中：ASE光源(1)发出的宽带光首先通过光隔离器(2)进入光环形器(3)一端口，然后光束从光环形器(3)二端口射出进入FBG温度传感器(4)；FBG温度传感器(4)反射光再次进入光环形(3)二端口，从光环形器(3)三端口射出进入FP标准具(5)发生干涉，光电探测器(6)实时探测干涉光强度，光强度信号由数据采集系统(7)实时采集；将FBG传感器波长变化通过FP标准具转换成光强度变化，通过光电探测器探测光强度变化，同时数据采集系统实时采集光强度信号；进而根据FP标准具的干涉强度公式计算出FBG温度传感器的波长变化情况，最终得到FBG温度传感器的响应时间。本发明结构简单，操作简便，FBG温度传感器的响应时间测量精度高，可以应用于工程实际。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感器领域，特别是涉及一种FBG温度传感器响应时间的测量系统及其测量方法。

背景技术

1978年，K.O.Hill等人发现了掺锗光纤的光敏性，并展示了在光纤纤芯上形成光栅的可行性。由此产生了一种新型的光纤无源器件FBG，即光纤布拉格光栅(Fibber BraggGratting)。随着FBG写入技术的不断完善，应用成果的日益丰富，FBG称为目前最有发展前景、最具代表性的光纤无源器件之一。其在温度、应变、压力等多个传感领域的应用研究也进入全新的发展阶段。

FBG温度传感器所在环境温度发生变化时，热量的传递速度与热量传递方式、温差及传感器的封装方式有关。在前两者确定的情况下，封装方式成为主要影响因素。FBG温度传感器温度传递速度通常用响应时间来表征。采用不同封装方式的FBG传感器进行温度测量时，必须要知晓传感器的响应时间。大多数场合的温度场分布可以看作是静态或准静态的，温度变化相对缓慢，此时大多数FBG温度传感器都可以满足温度测量的要求。然而在一些特殊场合，比如海洋温度测量要求速度快，航空航天领域温度变化比较剧烈等，在这些情况下，就要求光纤光栅温度传感器能够有足够快的响应时间，以满足快速温度测量的要求。若是在快速温度检测中，使用了响应时间较长的传感器，会导致温度测量值与真实值之间的误差。

光纤光栅温度传感器的响应时间在一定程度上给测量结果带来不确定性，所以深入探讨光纤光栅传感器的响应时间及测试方法，对实际应用中传感器封装形式的合理选择具有重要意义。因此，本文提出了一种基于FP标准具的FBG温度传感器响应时间系统以及测量方法。

发明内容

基于上述现有技术，本发明提出一种基于FP标准具的FBG温度传感器响应测量装置及方法，实现于测量环境温度发生变化时，FBG温度传感器对于温度变化的响应时间。

本发明提供了一种基于FP标准具的FBG温度传感器响应时间测量系统，该系统包括ASE光源1、光隔离器2、光环形器3、FBG温度传感器4、FP标准具5、光电探测器6、数据采集系统7；ASE光源连接光隔离器输入端，光隔离器2输出端接入光环形器3一端口端口，光环形器3二端口接入FBG温度传感器4，光环形器3三端口接入FP标准具5输入端口，FP标准具5输出端口接入光电探测器6；光电探测器6连接数据采集系统7。其中：

ASE光源1发出的宽带光首先通过光隔离器2进入光环形器1，然后光束从光环形器3二端口射出进入FBG温度传感器4；FBG温度传感器4反射光再次进入光环形3二端口，从光环形器3三端口射出进入FP标准具5发生干涉，光电探测器6实时探测干涉光强度，光强度信号由数据采集系统7实时采集。

本发明还提供了一种基于FP标准具的FBG温度传感器响应时间测量系统的FBG温度传感器响应时间测量方法，该方法包括以下步骤：

接通ASE光源、光电探测器以及信号采集系统的电源；将FBG温度传感器从室温环境(24℃)中放入温度为70℃的恒温水浴槽中，采集FBG温度传感器因外在环境温度发生变化，波长发生突变过程中，光电探测器接收到光强度信号；

根据FP标准具干涉强度公式(1)计算出FBG温度传感器从室温环境放入到70℃水浴环境这段时间内，FBG温度传感器波长λ的变化情况：

式中，α表示FP标准具金属涂层的吸收比，ρ表示界面反射比，I_i表示入射光强度，F为标准具精细度系数，δ表示相位差，h表示标准具腔长，θ表示干涉倾斜角，表示标准具金属涂层引入的相位变化；

根据公式(2)(3)得到FBG温度传感器的响应时间：

T_r＝T_s-T_o(3)

式中，T_λ表示FBG温度传感器波长为λ时对应的时间，f(λ)表示传感器波长为λ时对应的时间索引，其值等于FP标准具干涉光光强度为I_t对应的时间索引f(I_t)，f表示数据采集系统采样频率；

T_s表示FBG温度传感器波长为稳态90％时对应的时间，T_o表示FBG温度传感器波长为稳态10％时对应的时间，这两个参数值根据公式(2-1)(2-2)得出：

式中，f(s)为FBG温度传感器波长为稳态90％时对应的时间索引，f(o)为FBG温度传感器波长为稳态10％时对应的时间索引。

与现有技术相比，本发明的基于FP标准具的FBG温度传感器响应测量系统及测量方法结构简单，操作简便，FBG温度传感器的响应时间测量精度高，可以应用于工程实际。

附图说明

图1为本发明的基于FP标准具的FBG温度传感器响应测量装置结构示意图；

图2为利用本发明提出的基于FP标准具的FBG温度传感器响应测量方法对FBG温度传感器响应时间进行实际测量时数据采集系统所采集到的光强变化图；

附图标记：1、ASE光源；2、光隔离器；3、光环形器；4、FBG温度传感器；5、FP标准具；6、光电探测器；7、数据采集系统。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方案来进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，为基于FP标准具的FBG温度传感器响应时间测量系统结构示意图。该系统包括ASE光源1、光隔离器2、光环形器3、FBG温度传感器4、FP标准具5、光电探测器6、数据采集系统7；ASE光源1连接光隔离器2输入端，光隔离器2输出端接入光环形器3一端口，光环形器3二端口接入FBG温度传感器4，光环形器3三端口接入FP标准具5输入端口，FP标准具5输出端口接入光电探测器6；光电探测器6信号由数据采集系统7实时采集；

ASE光源1发出的宽带光首先通过光隔离器2进入光环形器3一端口，然后光束从光环形器3二端口射出进入FBG温度传感器4；FBG温度传感器4反射光再次进入光环形3二端口，从光环形器3三端口射出进入FP标准具5发生干涉，光电探测器6实时探测干涉光强度，光强度信号由数据采集系统7实时采集；

本发明的基于FP标准具的FBG温度传感器响应时间测量方法，将FBG传感器波长变化通过FP标准具转换成光强度变化，通过光电探测器探测光强度变化，同时数据采集系统实时采集光强度信号；进而根据FP标准具的干涉强度公式计算出FBG温度传感器的波长变化情况，最终得到FBG温度传感器的响应时间，具体包括以下步骤：

接通ASE光源、光电探测器以及信号采集系统的电源；将FBG温度传感器从室温环境中(24℃)放入温度为70℃的恒温水浴槽中，采集FBG温度传感器因外在环境温度发生变化，波长发生突变过程中，光电探测器接收到光强度信号；

根据FP标准具干涉强度公式(1)计算出这段时间内FBG温度传感器波长λ的变化情况

式中，α为FP标准具金属涂层的吸收比，ρ为界面反射比，I_i为入射光强度，F为标准具精细度系数，δ为相位差，h为标准具腔长，θ为干涉倾斜角，为标准具金属涂层引入的相位变化，这些参数数值器件生产厂商提供。对于确定的标准具，干涉光强度I_t只与FBG温度传感器反射波长λ有关。通过公式(1)进行相关计算后，即可知道FBG温度传感器从室温环境放入到水浴(70℃)环境，FBG温度传感器的波长λ在这段时间内的变化情况。

时间常数为FBG温度传感器响应时间的指标，时间常数定义为当被测环境温度突变时，传感器由起始温度变化到稳态温度63.2％时所需要的时间。实际应用中，也用传感器自身温度从稳态值的10％变化到90％时所用的时间。由于波长变化与温度变化是线性相关的，根据公式(2)、(3)即可得到FBG温度传感器的响应时间T_r，根据公式(2)(3)得到FBG温度传感器的响应时间：

T_r＝T_s-T_o(3)

式中，T_λ为FBG温度传感器波长为λ时对应的时间，f(λ)是传感器波长为λ时对应的时间索引，其值等于FP标准具干涉光光强度为I_t对应的时间索引f(I_t)，该索引可以由信号采集系统采集到的信号处理得到，f为数据采集系统采样频率；

T_s为FBG温度传感器波长为稳态90％时对应的时间，T_o为FBG温度传感器波长为稳态10％时对应的时间，这两个参数值根据公式(2-1)(2-2)可得：

式中，f(s)为FBG温度传感器波长为稳态90％时对应的时间索引，f(o)为FBG温度传感器波长为稳态10％时对应的时间索引。