[发明专利]一种利用微波光子滤波器测量光纤端面接触气体温度的方法

说明书

本发明公开了一种利用微波光子滤波器测量光纤端面接触气体温度的方法，包括宽谱光源、电光调制器、光纤环形器、传输光纤、温箱、光电探测器、频谱分析模块，本发明提供的一种利用微波光子滤波器测量光纤端面接触气体温度的方法，通过外调制的方法对输出光进行调制，使用宽谱激光光源，降低了光源要求，同时不需要使用光谱仪对波长进行解调，减少了系统成本，可实现长距离测量。

技术领域

本发明涉及微波光子学、微波光子滤波器、以及微波光子滤波器应用于传感的技术领域，具体地说，是一种利用微波光子滤波器测量光纤端面接触气体温度的方法。

背景技术

在工业生产中，特别是在钢铁冶金、航空航天、石油化工、材料和电力等行业的生产过程中，气体温度的实时准确测量对生产工艺优化、生产效率提高和安全生产等方面具有重要的意义。

由于光纤自身体积小、重量轻、结构简单、易受外界物理参量影响使得光纤传感器具有结构轻巧、灵敏度高、动态测量范围大、抗电磁干扰力强、测量精度大等特点，并受到越来越多学者的重视^[1]。光纤传感技术可利用光纤及基于光纤制成的特殊结构测量多种物理量，例如：温度、湿度、折射率、电流、磁场强度等。测温的光纤传感器主要有基于光纤非线性效应的光纤传感器、基于光纤光栅的传感器、基于特殊光纤结构的传感器、基于微波调制技术的光纤传感器四种。

基于光纤非线性效应的光纤传感器包含基于拉曼散射效应和基于布里渊时域反射效应的光纤传感器两种，基于拉曼散射效应的温度传感系统最早在1985年由J.D.Dakin^[2]等人提出，随后Zhang^[3]等人设计的拉曼温度传感器可在40km内达到0.1℃的测量精度，在此之后拉曼分布式温度传感器可实现30km的高精度温度实时监控，为地铁、隧道、油气管道等长距离运输线路提供了很好的监测方法；布里渊时域反射型光纤传感器是通过探测布里渊散射光的变化来解调外界物理量的变化，通常利用这种方式可探测的距离可达到数十公里，因此经常被用在土木结构监测中，例如大坝、地下管道等。基于布里渊型光纤传感器通过结构可分为BOTDA与BOTDR两种^[4]；

基于光纤光栅的光纤传感器其传感信号主要由其峰值波长携带，当外界物理量(例如温度、应力等)作用在光纤光栅上时，就会改变光纤芯径的有效折射率和光栅周期，因此通过检测其中心波长的漂移就可以解调出外界物理量的大小，所以对于其峰值波长的读取是该传感技术的关键；

基于特殊光纤结构的传感器是指用一些特殊的光器件来进行传感，例如利用锥形的啁啾光纤光栅，但这种结构的光栅易发生断裂，在实用性方面有待提升，2005年Huang^[5]等人提出将一段多模光纤置于两段单模光纤之中在光纤内形成模内干涉，当温度或应力作用于光纤时使得FP腔的腔长发生改变，通过测量干涉谱的自由光谱变化即可解调出传感参量的大小，这种结构制作起来简单且重复性高，与传统光纤光栅构成的分布式传感系统相比它的插入损耗较低，因此在复用能力方面有较大的潜力；

基于微波调制技术的光纤传感器利用微波光子的方法，集成了微波学与光子学的优点，利用射频信号直接调制光载波，并在光域内直接进行处理，实现在射频波(电磁辐射的射频波段)和光纤之间透明转换，具有高紧密型，电磁环境下的高兼容性，体积小且易于安装等优点。此方法主要是通过待测量的改变影响微波干涉谱的自由光谱范围，通过测量自由光谱范围即可解调出待测量的改变。

微波光子学中关键技术之一就是微波光子滤波器，其主要目的是代替传统的方法来处理射频信号，即由于光波与微波间巨大的频差，参量在光域中发生的微小变化可以很明显地反映在微波频域，随着微波光子技术的发展，实现射频信号的光子处理变得更加方便和具有成本效益。利用微波光子滤波器实现传感的系统，主要实现对温度、压力、液体折射率等待测量变化的传感，其主要结构有Sagnac环型、光纤环型、MZI型、光纤光栅型等。