[实用新型]一种光腔衰荡技术的温度补偿传感装置

说明书

本实用新型涉及一种光腔衰荡技术的温度补偿传感装置，包括宽带光源、信号发生器、调制器、光隔离器、2×1光纤耦合器、传输光纤、温度补偿光纤光栅(FBG1)、传感光纤光栅(FBG2)、光电转换器、PC机以及示波器。所述衰荡腔由温度补偿光纤光栅(FBG1)和传感光纤光栅(FBG2)组成，传感光纤光栅(FBG2)为传感区。宽带光源的能量谱具有一定的范围。环境温度变化时，两个光纤光栅的完全重合光谱会发生同步移动，宽带光源能够保证其漂移后和漂移前衰荡腔内的损耗相等，从而保证衰荡时间是相同的。因此衰荡时间的变化仅仅是由于待测量引起，与温度无关。本实用新型提出一种低成本、稳定性好、消除温度影响的基于光腔衰荡技术的温度补偿传感装置。

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，特别涉及一种光腔衰荡技术的温度补偿传感装置。

背景技术

光腔衰荡光谱技术起源于上世纪六十年代。1961年，Jackson首次研究法布里-珀罗腔内介质的吸收。1974年，Kastler证实了光学腔透射出的激光束强度呈e的指数衰减形式。并且衰减时间常数与腔内的损耗有关。直到1988年，O’Keefe和Deacon在测量高反镜的反射率时，发现一系列的吸收谱峰，经解析为氧分子的禁阻跃迁谱线，意识到这种技术可用于光谱测量，并于1988年正式提出光腔衰荡光谱(cavityring-down spectroscopy，CRDS)一词，标志着光腔衰荡技术的诞生。在CRDS技术中，光耦合进包含待测气体的高精细度稳定谐振光腔中，通过测量腔内光腔的衰荡比率就能得到待测气体的浓度。在气体先行吸收范围内，腔内光强呈单指数衰减，衰荡比率不受入射光波动的影响，故CRDS技术有极高的测量灵敏度。随着光纤技术的发展，人们将腔衰荡光谱技术与光纤传感结束结合起来，在2001年之后，出现了各种结构的光纤衰荡腔并且在传感领域得到了成功的应用。

光纤环形腔衰荡光谱技术(FLRDS)是一种新颖而优越的灵敏吸收光谱技术，其使用光纤环路而不是高反射镜作为谐振腔，不仅具有一般光纤传感器的优点，而且具有独特的优势，如快速检测、实时响应、免受光源功率波形影像，减少对超高反镜的依赖等。因此，在化学、环境、食品安全和医疗应用等领域具有潜在的应用价值。然而，基于该技术的传感通常都会受到温度的交叉影响，使得测量不准确。2009年，瑞尔森大学的Sean Pu andXijia Gu发表在OPTICS LETTERS的论文中，提出了一种具有长周期光栅腔的光纤环结衰荡光谱，该设计提供了一个相对较大的消失波吸收面积，同时保持了光纤环的很低损耗。该腔作为敏感的化学传感器的有效性也得到了证明。但是对化学量进行测量时，化学反应的热量会对测量的结果造成误差。2010年，西北工业大学的Daqing Tang等人发表在Optics andLasers in Engineering的论文，结合基于FLRDS的压力传感器测量气压变化，灵敏度为0.384ms/MPa、最小可探测压力为0.20MPa。该传感器在0.10～4.90MPa的压力范围内，表现出良好的线性响应。但是该文中未考虑环境温度对气压灵敏度的影响，气压的测量结果不精确。2015年，Di Wu等人发表在IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS的论文，基于FLRDS技术采用拉锥光纤测量氯化钠溶液的折射率，实验结果表明氯化钠折射率的灵敏度为-388.581μs/RIU。然而，温度对氯化钠溶液折射率的影响达到了1.41×10^-4RIU/℃，很显然温度的影响会造成测量误差。2017年，波尔图大学的Susana Silva等人发表在Optics&LaserTechnology的文章给出了基于多模干涉的光纤传感器在谐振腔折射率测量系统中的应用，在1.324-1.331的RI 范围内，折射率灵敏度为580μs/RIU，同时，该测量系统对温度敏感，温度灵敏度为-1.6×10- 9μs/℃，尽管该测量系统对温度的影响控制到很小，但还是没有完全消除。综上所述，基于光纤环形腔衰荡光谱技术(FLRDS)的传感系统具有结构简单、体积小，低损耗、抗电磁扰，耐高温、耐腐蚀等优点，但是该技术中存在温度交叉敏感现象，导致不能实现对待测量的精准测量，严重限制了该技术在一些领域的应用和发展。

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