一种半导体吸收式光纤温度解调算法及系统

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种半导体吸收式光纤温度解调算法及系统。

背景技术

半导体吸收式光纤传感测温系统，是利用对光纤温度传感器吸收光源后反射的光谱数据进行解析，从而得到传感器探头温度信息的系统。光纤测温由于其不怕电磁干扰，且传输信号为光信号，因此，特别适合于易燃、易爆、空间受限及强电磁干扰等恶劣环境下使用，如对油浸变压器内部绕组热点温度、电缆堵头内部金属件温度、水轮机或大电机内部的汇流环和压指等关键位置的温度进行测量。

在实现本发明过程中，发明人发现该技术中至少存在如下问题：现有的半导体吸收式光纤传感测温解调算法中，大部分都是利用光谱仪来进行光谱分析，而光谱仪是精密的光学设备，对运行环境的要求苛刻，价格昂贵，体积大不易携带、安装，且光谱仪一次只能探测分析一路光信号，对于多通道设备需要依次采集，工作效率低。

为此，我们提出来一种半导体吸收式光纤温度解调算法及系统解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中，现有的半导体吸收式光纤传感测温解调算法中通常采用光谱仪进行光谱分析，而光谱仪使用局限性高，导致光纤传感测量效率低的问题，而提出的一种半导体吸收式光纤温度解调算法及系统。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种半导体吸收式光纤温度解调算法及系统，其中算法包括以下步骤：

S1、采集光源的光功率；

S2、采集反射光的光功率；

S3、根据不同的温度得到不同的系统综合反射系数；

S4、建立温度－系统综合反射系数的关系；

S5、通过温度－系统综合反射系数的关系得到所测物体温度。

作为进一步的优选方案，所述S1中，在光源与光纤温度传感器的路径上，采用一个探测器直接探测光源的光功率值，且另外采用一个探测器与一个带通滤波器配合，探测经由带通滤波器过滤后的光源的光功率值。

作为进一步的优选方案，所述S2中，采用一个探测器直接探测光纤传感器返回的光功率值，且另外采用一个探测器与一个带通滤波器探测经由带通滤波器过滤后的光纤传感器返回的光功率值。

作为进一步的优选方案，所述S3与所述S4中，通过求得系统的光损耗系数IL以及传感器反射系数L，计算得到不同温度下对应的综合反射系数P＝F(IL,L)，并建立对应的温度与综合反射系数的关系T＝F(P),其中T表示当前温度，P表示该系统当前温度的综合反射系数。

作为进一步的优选方案，所述滤波器的工作波长范围在光源光谱的覆盖范围之内，且工作波长范围在半导体芯片对温度信号敏感的波范围之外。

一种半导体吸收式光纤温度解调算法的系统，包括依次串联的光源主体、探测光路与光纤温度传感器主体，其特征在于，所述探测光路包括串联入所述光源主体与所述光纤温度传感器主体之间路径上的耦合器一、耦合器二。

作为进一步的优选方案，所述耦合器一与所述耦合器二均配合有主控单元，所述耦合器一与所述主控单元之间并联有探测器一与探测器二，且所述探测器一与所述探测器二的中的一个串联有滤波器一；

所述耦合器二与所述主控单元之间并联有探测器三与探测器四，且所述探测器三与所述探测器四中的一个串联有滤波器二。

综上所述，本发明的技术效果和优点：

1、该半导体吸收式光纤温度解调算法及系统，相较于传统的常规半导体光纤温度传感器解析仪通过光谱仪探测出整个返回光谱，通过对整个光谱进行分析计算得到温度数据的方法，本发明采用光电探测器与带通滤波器配合的方式探测和解析光信号得出温度信号，无需用到使用局限性高的光谱仪，使得测量更加方便，并降低了系统成本；

2、该半导体吸收式光纤温度解调算法及系统，通过采集光源的光功率和反射光的光功率，根据不同的温度得到不同反射的系数，从而建立温度与系统综合反射系数的关系，从而可以同时测量解析多路温度数据，有利于提高测量效率。

附图说明

图1为本发明的算法步骤示意图；

图2为本发明的光路图；

图3为本发明的半导体光纤温度传感器光谱原理图；

图4为本发明的实施例中的光谱图；

图5为本发明的实施例中L值与温度曲线图。

图中：1、光源主体；2、探测光路；201、耦合器一；202、耦合器二；203、主控单元；204、滤波器一；205、滤波器二；206、探测器一；207、探测器二；208、探测器三；209、探测器四；3、光纤温度传感器主体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，具体为，本发明的实施例为以砷化镓及其相同特征的半导体材料为例。

参照图1，一种半导体吸收式光纤温度解调算法，包括以下步骤：

S1、采集光源的光功率。具体为，在光源与光纤温度传感器的路径上，采用一个探测器直接探测光源的光功率值，且另外采用一个探测器与一个带通滤波器配合，探测经由带通滤波器过滤后的光源的光功率值。

S2、采集反射光的光功率。具体为，S2中，采用一个探测器直接探测光纤传感器返回的光功率值，且另外采用一个探测器与一个带通滤波器探测经由带通滤波器过滤后的光纤传感器返回的光功率值。

同时，上述步骤中的滤波器可选用但不限于型号是通过波长为980nm的带宽滤波器，且带宽滤波器的工作波长范围在光源光谱的覆盖范围之内，且工作波长范围在半导体芯片对温度信号敏感的波范围之外。

S3、根据不同的温度得到不同的系统综合反射系数。

S4、建立温度－系统综合反射系数的关系。操作时，可根据S3中的数值建立对应的温度与系统综合反射系数的关系，具体为，通过求得系统的光损耗系数IL以及传感器反射系数L，计算得到不同温度下对应的综合反射系数P＝F(IL,L)，并建立对应的温度与综合反射系数的关系T＝F(P),其中T表示当前温度，P表示该系统当前温度的综合反射系数。

S5、通过温度－系统综合反射系数的关系得到所测物体温度。

参照图2，一种半导体吸收式光纤温度解调算法的系统，包括依次串联的光源主体1、探测光路2与光纤温度传感器主体3，其中，由于光纤温度传感器主体3是基于半导体材料对光的吸收性能会随着环境温度的改变而改变的特性制成的温度传感器，因此，对半导体芯片持续输入宽带波长的光信号，半导体芯片的反射光边界会随着温度的增加而向长波长方向移动，而且其移动幅度与温度的增加幅度呈线性关系，具体如图3所示。

同时，探测光路2包括串联入光源主体1与光纤温度传感器主体3之间路径上的耦合器一201、耦合器二202，且具体实施时，耦合器一201与耦合器二202均可选用但不限于2x2耦合器。

而耦合器一201与耦合器二202均配合有主控单元203。其中，耦合器一201与主控单元203之间并联有探测器一206与探测器二207，且探测器一206与探测器二207的中的一个串联有滤波器一204。本实施例中，滤波器一204串联于耦合器一201与探测器二207之间，即探测器一206探测光纤传感器返回的光功率值，探测器二207探测通过滤波器一204后(不受半导体芯片影响的980nm附近)光路返回的光功率值，而具体实施时，滤波器一204还可串联于耦合器一201与探测器一206之间。

另外的，耦合器二202与主控单元203之间并联有探测器三208与探测器四209，且探测器三208与探测器四209中的一个串联有滤波器二205，本实施例中，滤波器二205串联于耦合器二202与探测器三208之间，即探测器四209探测光源的光功率值，探测器三208探测通过滤波器二205后(不受半导体芯片影响的980nm附近)光源的光功率值，而具体实施时，滤波器二205还可串联于耦合器二202与探测器四209之间。

参照图2与图4，设探测器四209探测到的光源光功率为Ui1；

设探测器一206探测到的传感器返回的光功率为Ur1；

设探测器二207探测到的通过带通滤波器后的光功率为Ui2；

设探测器三208探测到的通过带通滤波器后的光功率为Ur2；

设L为传感器的反射系数；

设IL为光路的损耗系数；

则反射系数L的计算方式为：

L＝Ur1/Ui1

光路的损耗系数IL的计算方式为：

IL＝Ur2/Ui2

每台便携式解析仪生产完成后，接入一根标准半导体光纤温度传感器后得到系统的IL值，后在温度校验炉内对传感器进行多个温度点的测试，得到L值后,结合系统的IL值，得到该温度下的综合反射系数P，可以表示为P＝F(L,IL)，在实际使用过程中如果光纤弯折受损，光路损耗系数IL增大，则对反射系数L也存在影响，该综合值则可以进行补偿校准，保证该值和温度存在唯一的对应关系。最终将其与温度信息拟合成相对应的函数关系T＝F(P)，即使用最小二乘法求拟合曲线，在T

T＝a

式中，T代表温度，a

具体实施时，通过每次计算得到当前的IL值和L值，即可计算出对应的温度值，而IL要确保在一定范围内，以保证光路没有弯折受损。

以上为单个通道的计算过程，而当系统存在多个通道，则可按照上述方法，以同时获取不同通道的温度信息。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。