專利名稱：基于賽格奈克光纖干涉儀的高精度快速溫度測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于賽格奈克光纖干涉儀的高精度快速溫度測量方法。
背景技術(shù)：
目前，測量溫度的主要方法是利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性，通過實(shí)時(shí)測得熱敏電阻的阻值大小來計(jì)算出溫度的值；由于熱敏電阻的阻值隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系為指數(shù)關(guān)系，在所測量的范圍內(nèi)線性度較差，這種方法測量得到的溫度的線性度也較差，同時(shí)測量結(jié)果的精度較低，反應(yīng)較慢。集成電光相位調(diào)制器是賽格奈克光纖干涉儀的核心器件，在調(diào)制電極上加載一定的電壓可以使傳播通過的光波產(chǎn)生相應(yīng)的相位變化。當(dāng)傳播通過的光波產(chǎn)生^■相位變化時(shí)，加載在調(diào)制電極上的電壓稱為半波電壓。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，半波電壓隨環(huán)境溫度的變化呈現(xiàn)出一次線性關(guān)系，并具有很好的線性度。 集成電光相位調(diào)制器應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)測量出其半波電壓值，并在此基礎(chǔ)上控制所加載的調(diào)制信號(hào)波形，從而得到所需要的光相位變化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的測試功能；基于不同結(jié)構(gòu)的賽格奈克光纖干涉儀，測量半波電壓所需要的時(shí)間周期一般均小于I毫秒。在集成電光相位調(diào)制器的應(yīng)用中，均是直接利用其相位調(diào)制的特性，尚未使用其作為溫度傳感部件，如果根據(jù)實(shí)際的溫度與半波電壓的變化關(guān)系，通過在系統(tǒng)中實(shí)時(shí)測量其半波電壓的值，則可以間接計(jì)算出實(shí)時(shí)的溫度值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對目前溫度測量方法的精度不高和線性度不好的問題，提供一種基于賽格奈克光纖干涉儀的高精度快速溫度測量方法?；谫惛衲慰斯饫w干涉儀的高精度快速溫度測量方法，米用基于賽格奈克光纖干涉儀的高精度快速溫度測量系統(tǒng)，測量方法的步驟如下
(1)采用集成電光相位調(diào)制器作為溫度傳感頭，并將其作為賽格奈克光纖干涉儀的調(diào)制器，對干涉儀中傳播的光進(jìn)行相位調(diào)制；
(2)在Tmin彡T彡Tmax的范圍內(nèi)，其中T為實(shí)時(shí)溫度，Tmin為可測量的最低溫度，Tmax為可測量的最高溫度，以Tstep為溫度變化步長選定溫度點(diǎn)序列為T1, T2, Tn，用溫箱控制集成電光相位調(diào)制器的溫度為T1，測量集成電光相位調(diào)制器的半波電壓值并記錄下來，在其他溫度點(diǎn)進(jìn)行同樣的工作，可依次得到半波電壓序列為V1, V2, V^Vn ;測量完成之后對半波電壓序列V1, V2, Vn和溫度點(diǎn)序列T1, T2, Tn采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，從而確定一次系數(shù)a和常數(shù)項(xiàng)b，得到溫度與半波電壓的關(guān)系表達(dá)式T=aXVn+b ；
(3)通過控制處理電路和調(diào)制信號(hào)輸出模塊為集成電光相位調(diào)制器提供特定波形的調(diào)制信號(hào)，測量光電探測器的響應(yīng)，在信號(hào)采集模塊測量其輸出滿足不變的情況下記錄此時(shí)的調(diào)制信號(hào)幅度，即為實(shí)時(shí)測得的半波電壓V-通過預(yù)標(biāo)定的公式T=aXVn+b進(jìn)行計(jì)算，可得到測量溫度T ；
基于賽格奈克光纖干涉儀的高精度快速溫度測量系統(tǒng)包括SLD光源、耦合器、集成電光相位調(diào)制器、光纖環(huán)、光電探測器、信號(hào)采集模塊、控制處理電路和調(diào)制信號(hào)輸出模塊；SLD光源、耦合器、集成電光相位調(diào)制器、光纖環(huán)順次相連，耦合器、光電探測器、信號(hào)采集模塊、控制處理電路、調(diào)制信號(hào)輸出模塊和集成電光相位調(diào)制器順次相連。
所述的集成電光相位調(diào)制器為Y型結(jié)構(gòu)的集成光路器件。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)對于溫度的高精度快速測量，功能穩(wěn)定可靠，能夠應(yīng)用于需要高精度溫度快速測量的場合。實(shí)時(shí)測量半波電壓所需要的時(shí)間周期因所使用的賽格奈克光纖干涉儀結(jié)構(gòu)的不同而有所差別，一般均小于I毫秒；由系統(tǒng)特性可知，經(jīng)過多次累加平均求得的溫度絕對精度可以達(dá)到0.01度，分辨率可達(dá)0. 001度；同時(shí)由于半波電壓隨溫度變化的線性度較好，本發(fā)明對溫度的測量具有較好的線性度。


圖I是基于賽格奈克光纖干涉儀的高精度快速溫度測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框 圖2是集成電光相位調(diào)制器半波電壓隨溫度變化的示意 圖3是溫度與集成電光相位調(diào)制器半波電壓的關(guān)系的示意 圖中SLD光源I、|禹合器2、集成電光相位調(diào)制器3、光纖環(huán)4、光電探測器5、信號(hào)米集模塊6、控制處理電路7、調(diào)制信號(hào)輸出模塊8。
具體實(shí)施例方式集成電光相位調(diào)制器的半波電壓隨溫度的變化而變化，即Vn=f (T)，若采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合可以得到其近似表達(dá)式如下
V11= mXT+n(I)
其中，Vn是半波電壓，m為半波電壓與溫度之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，量綱為V/°C;n為常數(shù)，量綱為V ;具體曲線如圖2所示。以上的表達(dá)式接近于實(shí)際半波電壓與溫度的關(guān)系，具有較高的吻合度，其變換形式，即溫度與半波電壓的關(guān)系式為
T=aXV +b(2)
其中，a為溫度與半波電壓之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，量綱為。C /V ；b為常數(shù)，量綱為。C ;具體曲線如圖3所示。本發(fā)明使用上述表達(dá)式，通過測量系統(tǒng)測得實(shí)時(shí)半波電壓的值計(jì)算出實(shí)時(shí)的溫度值?；谫惛衲慰斯饫w干涉儀的高精度快速溫度測量方法，米用基于賽格奈克光纖干涉儀的高精度快速溫度測量系統(tǒng)，測量方法的步驟如下
(1)采用集成電光相位調(diào)制器3作為溫度傳感頭，并將其作為賽格奈克光纖干涉儀的調(diào)制器，對干涉儀中傳播的光進(jìn)行相位調(diào)制；
(2)在Tmin彡T彡Tmax的范圍內(nèi)，其中T為實(shí)時(shí)溫度，Tmin為可測量的最低溫度，Tmax為可測量的最高溫度，以Tstep為溫度變化步長選定溫度點(diǎn)序列為T1, T2, Tn，用溫箱控制集成電光相位調(diào)制器3的溫度為T1，測量集成電光相位調(diào)制器3的半波電壓值并記錄下來，在其他溫度點(diǎn)進(jìn)行同樣的工作，可依次得到半波電壓序列為V1, V2, VfVn ;測量完成之后對半波電壓序列V1, V2, Vf Vn和溫度點(diǎn)序列T1, T2, Tf Tn采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，從而確定一次系數(shù)a和常數(shù)項(xiàng)b，得到溫度與半波電壓的關(guān)系表達(dá)式T=aXVn+b ；
(3)通過控制處理電路7和調(diào)制信號(hào)輸出模塊8為集成電光相位調(diào)制器3提供特定波形的調(diào)制信號(hào)，測量光電探測器5的響應(yīng)，在信號(hào)采集模塊6測量其輸出滿足不變的情況下記錄此時(shí)的調(diào)制信號(hào)幅度，即為實(shí)時(shí)測得的半波電壓Vn，通過預(yù)標(biāo)定的公式T=aXVn+b進(jìn)行計(jì)算，可得到測量溫度T ;
下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)一步說明
如圖I所示，基于賽格奈克光纖干涉儀的高精度快速溫度測量系統(tǒng)包括SLD光源I、耦合器2、集成電光相位調(diào)制器3、光纖環(huán)4、光電探測器5、信號(hào)米集模塊6、控制處理電路7和 調(diào)制信號(hào)輸出模塊8 ；SLD光源I、稱合器2、集成電光相位調(diào)制器3、光纖環(huán)4順次相連,率禹合器2、光電探測器5、信號(hào)米集模塊6、控制處理電路7和調(diào)制信號(hào)輸出模塊8、集成電光相位調(diào)制器3順次相連。所述的集成電光相位調(diào)制器3為Y型結(jié)構(gòu)的集成光路器件。系統(tǒng)的基本工作原理如下SLD光源I產(chǎn)生光波，沿光路傳播經(jīng)過耦合器2，到達(dá)集成電光相位調(diào)制器3，被Y型結(jié)構(gòu)平均分為兩束光波，分別沿著光纖環(huán)4進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針傳播，然后在集成電光相位調(diào)制器3處發(fā)生干涉，繼續(xù)傳播經(jīng)過耦合器2，到達(dá)光電探測器5的輸入端；光電探測器5的輸出響應(yīng)被信號(hào)采集模塊6測量，經(jīng)過控制處理電路7的運(yùn)算和控制，通過調(diào)制信號(hào)輸出模塊8輸出特定的調(diào)制信號(hào)，加載到集成電光相位調(diào)制器3上，對傳播通過的光波產(chǎn)生特定的相位調(diào)制。首先，選用一個(gè)集成電光相位調(diào)制器，測試其半波電壓與溫度的變化關(guān)系特性，假定其應(yīng)用環(huán)境的溫度范圍是_50°C彡t ( IOO0C,以Tstep=I °C為步長選定溫度點(diǎn)序列為-50°C，-49°C, -48t>"100°C，用溫箱對集成電光相位調(diào)制器進(jìn)行溫度控制使其溫度為-50°C，測量出對應(yīng)的半波電壓值并記錄下來，在其他溫度點(diǎn)進(jìn)行同樣的工作，可依次得到半波電壓序列為3. 455V，3. 452V，3. 449V-3. 021V ;測量完成之后對3. 455V,
3.452V，3. 449V-3. 021V 和-50°C, -49。。，-48°C- 100°C兩個(gè)序列采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，從而確定系數(shù)a=-344. 83和b=1141. 38，得到半波電壓與溫度的關(guān)系表達(dá)式T=-344. 83XV.+1141. 38。應(yīng)用本發(fā)明進(jìn)行溫度測量時(shí)，通過系統(tǒng)實(shí)時(shí)測量的半波電壓值即可計(jì)算出實(shí)時(shí)的
溫度值。
權(quán)利要求
1.一種基于賽格奈克光纖干涉儀的高精度快速溫度測量方法，米用基于賽格奈克光纖干涉儀的高精度快速溫度測量系統(tǒng)，其特征在于它的步驟如下 (1)采用集成電光相位調(diào)制器(3)作為溫度傳感頭，并將其作為賽格奈克光纖干涉儀的調(diào)制器，對干涉儀中傳播的光進(jìn)行相位調(diào)制； (2)在Tmin≤T≤Tmax的范圍內(nèi)，其中T為實(shí)時(shí)溫度，Tmin為可測量的最低溫度，Tmax為可測量的最高溫度，以Tstep為溫度變化步長選定溫度點(diǎn)序列為T1, T2, IV··Tn，用溫箱控制集成電光相位調(diào)制器(3)的溫度為T1，測量集成電光相位調(diào)制器(3)的半波電壓值并記錄下來，在其他溫度點(diǎn)進(jìn)行同樣的工作，可依次得到半波電壓序列為V1, V2, ν^··νη ;測量完成之后對半波電壓序列V1, V2,Vn和溫度點(diǎn)序列T1, T2, IV·· Tn采用最小二乗法進(jìn)行線性擬合，從而確定一次系數(shù)a和常數(shù)項(xiàng)b，得到溫度與半波電壓的關(guān)系表達(dá)式T=aXVn+b ； (3)通過控制處理電路(7)和調(diào)制信號(hào)輸出模塊(8 )為集成電光相位調(diào)制器(3 )提供特定波形的調(diào)制信號(hào)，測量光電探測器(5)的響應(yīng)，在信號(hào)采集模塊(6)測量其輸出滿足不變的情況下記錄此時(shí)的調(diào)制信號(hào)幅度，即為實(shí)時(shí)測得的半波電壓νπ，通過預(yù)標(biāo)定的公式T=aXV,+b進(jìn)行計(jì)算，可得到測量溫度T ； 基于賽格奈克光纖干涉儀的高精度快速溫度測量系統(tǒng)包括SLD光源(I)、耦合器(2)、集成電光相位調(diào)制器(3)、光纖環(huán)(4)、光電探測器(5)、信號(hào)采集模塊(6)、控制處理電路(7)和調(diào)制信號(hào)輸出模塊(8) ;SLD光源(I)、耦合器(2)、集成電光相位調(diào)制器(3)、光纖環(huán)(4)順次相連，耦合(2)、光電探測器(5)、信號(hào)采集模塊(6)、控制處理電路(7)、調(diào)制信號(hào)輸出模塊(8)和集成電光相位調(diào)制器(3)順次相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于賽格奈克光纖干涉儀的高精度快速溫度測量方法，其特征在于所述的集成電光相位調(diào)制器(3)為Y型結(jié)構(gòu)的集成光路器件。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于賽格奈克光纖干涉儀的高精度快速溫度測量方法，其溫度敏感器件為集成電光相位調(diào)制器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為賽格奈克光纖干涉儀，將集成電光相位調(diào)制器置于光纖干涉儀中用于相位調(diào)制，通過控制處理電路系統(tǒng)為集成電光相位調(diào)制器提供特定的調(diào)制波形，測量賽格奈克光纖干涉儀的響應(yīng)，在干涉儀輸出滿足不變的情況下記下此時(shí)的調(diào)制波形幅度，通過預(yù)先標(biāo)定的公式進(jìn)行計(jì)算，即可得到測量溫度值。本發(fā)明測量速度快，測量絕對精度可達(dá)0.01度，分辨率可達(dá)0.001度，而且線性度較好，能夠應(yīng)用于需要高精度溫度快速測量的場合。
文檔編號(hào)G01K11/32GK102706476SQ20121019218
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者劉承, 周虎, 陳杏藩, 高曉文 申請人:浙江大學(xué)