摘 要

温度作为七种国际单位制其中之一，在化工生产、材料制备、航空航天等等许多领域，都扮演着至关重要的作用。所以，过去和现在，温度的测量，一直备受各国科学家的强烈重视。如今的科研条件，使在1000℃以下的温度区间，测量结果已经非常精确，但是许多领域都工作在1000℃以上的高温条件下，而此区间的温度测量，还不具备长时间精确测量的能力，因此一种新型测量设备和方法迫在眉睫。本文基于蓝宝石光纤法珀高温传感器的基础上，结合傅里叶算法和最小均方差算法，设计了一种全新的解调算法，使得计算结果更精确。

关键词：光纤法珀，温度，蓝宝石光纤，算法

Abstract

Temperature as one of the seven international units. It plays a crucial role in chemical production, material preparation, aerospace and many other fields. Therefore, the past and present, the temperature measurement, has been the strong attention of scientists around the world. Today's research condition, made under 1000 ℃ temperature range, the measured results have been very accurate, but many field work under the condition of high temperature above 1000 ℃, and the range of temperature measurement, also does not have the ability of accurate measurement for a long time, so a new type of measuring device and method is imminent. In this paper, based on sapphire fiber faber high temperature sensor, a new demodulation algorithm is designed by combining Fourier algorithm and least mean square error algorithm, which makes the calculation result more accurate.

Key Words：optical fiber F-P，temperature，sapphire fiber，algorithm

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景、意义和目的 1

1.2高温传感技术的发展现状 1

1.2.1电类高温传感器 2

1.2.2石英光纤传感器 2

1.2.3蓝宝石法珀光纤高温传感器 4

1.3主要研究的内容 5

第2章 光导纤维F-P传感器理论分析 6

2.1光导纤维F-P感应器原理 6

2.1.1光导纤维F-P感应装置组成 6

2.1.2 光纤F-P中光干涉分析 7

2.2光纤传感器的两种解调原理 8

2.2.1强度解调法 9

2.2.2条纹计数法 9

第3章 蓝宝石光纤F-P高温传感器解调研究 11

3.1傅里叶变换法 11

3.2傅里叶变换解调原理 11

3.2.1解调公式 14

3.2.2频域高斯插值 15

3.2.3傅里叶变换和最小均方差联合解调算法 16

第4章 基于频率估计的光纤法珀干涉信号处理算法 20

4.1法布里 - 珀罗干涉仪 20

4.2信号分析 21

4.3频率估计 24

第5章 总结与展望 25

5.1总结 25

5.2展望 25

第1章 绪论

1.1研究背景、意义和目的

当前环境下，航天技术、石油石化、钢铁锻造、新材料加工制备、军事国防等等很多领域，都与温度有着紧密相关的联系，与此同时，也对能够精确测量、长时间性、稳定性、简易性、廉价性有了更高的要求。单个热电偶传感器能够测量的温度范围有限，其材质是铂铑合金等贵金属，使造价高昂，极易损耗，并且在高温条件下，它的抗氧化能力很低，会导致实验误差很大，这些特性决定了这类传感器不适合现实环境的应用。

自20世纪后半期，光纤传感技术有了高速的进展。这要得益于光纤技术和光纤通信的成熟完善，由于其具有探测范围大、抗干扰能力强、稳定性高、造价低、抗腐蚀、响应速度快等优点，目前，光纤传感已经成为主流的温度传感器。现阶段的光纤传感器普遍由石英晶体制备，如荧光温度探测器、拉曼散射温度探测器、光纤法珀温度探测器等，它们虽然能够进行较精确的测量，但是石英晶体的温度有限，耐温值为1200℃，那么对于更高温度的测量，该如何实现呢？武汉理工大学光纤中心实验室为此研制了一种新型高温光纤传感器。

这种传感器其主要材料是蓝宝石（主要成分Al₂O₃），它具有2040℃的高熔点、热稳定性好、化学性质稳定、具有较大强度、与高分子膜相比，不会出现老化现象的特点。蓝宝石光纤传感器，兼具了光纤传感器和蓝宝石的优点，利用蓝宝石材料制作的光纤F-P传感器，从原理上看，满足了对超高温的测量要求。

1.2高温传感技术的发展现状

温度传感器的种类非常多样，普遍可以按两种方式分类。根据物体特性的不同，温度的变化，会使得物体的某些特性随之发生规律性的改变，如物体的体积、大小、密度、辐射、电容，根据不同的特点制备的温度传感器，有电压传感器、电流传感器、电阻传感器、热辐射式传感器等。

按照接触方式，可以区为接触式和非接触式两种不同类型。接触式测温传感器，是把传感器放置在被测对象散发出的温度场中，体温计是最常见的一种，与物体接触，热量传导和热量对流，最终使热量达到热平衡，进而实现温度测量，这种方法一般比较精确。非接触式不与物体直接接触，接收热源散发的热量，通过一系列的计算，得出被测温度，常用方法有亮度法、辐射法和比色法。

1.2.1电类高温传感器

在电类高温传感技术中，最常见的就是热辐射式和热电偶式两种高温传感器。

热电偶式温度测量仪可以直接对被测物体测量，材质不同，温度不同，就会产生不同的热电势，温差与电势差会形成一个固有的函数表达式，通过这个关系，利用电气仪表，便可很精准地得出被测物体的温度。不同的热电偶探测器有相似的结构，它们都包含热电极、保护套和接线盒等。

不同的热电偶探测器有不同的组成材料，镍铬材料热电探测器，可以测量1200℃以下的温区，误差在2.5℃范围内。但若要测量更高温度区间，则需使用铂铑合金制备的热电偶探测器，

铂铑合金属于贵金属，具有高精度测量的优点，但在高温环境下，铂铑合金不稳定，极易氧化，使实验结果不准确，并且造价高昂，易损坏，抗干扰能力弱，不易维修，总而言之，铂铑合金热电偶探测器不适合长期使用。

另一种是热辐射计，物体散发热量的同时，也会向外散发辐射能量，热辐射计接收辐射能量的大小和波的分布，将热信号变为电信号，计算电信号的强弱，进而得出被测物体温度。但是，在测量过程中，热信号是通过空气介质传入到测量仪中，所以，空气的质量、水汽含量、粉尘密度等因素，会影响接收到的信号，导致误差偏大。并且热辐射式温度测量计受环境限制，不能进入到被测对象内部测量，只能外部测量。

1.2.2石英光纤传感器

石英的主要成分是二氧化硅，光导纤维往往简称为石英光纤^[6]，是用纯度很高的石英制成的玻璃纤维结构，具有传输波长范围广等特点。它可以束约和传导光信号，通过把光束缚在几十微米的直径范围内，可以极大降低光信号的损失。随着光导纤维的成熟，光纤传感技术逐渐被人们认知，通过对光波的某些量进行调制，比如振幅、频率、相位、噪声等参量，可以实现某些物理量的测量。

光纤传感器与人们常用的电类传感器对比，有种种优点：1、可测量精度达到纳米级别，比传统传感器的精度更高；2、与光纤传输系统连接，可以长远距离测量和监控被测对象；3、适应能力强，可以应用于各种复杂环境；4、造价低，不易损耗，性价比高。

由于光纤传感器有种种优势，经过多年多年的发展，光纤传感可以根据光学现象和探测特点分为以下几大类：

⑴功能型光纤传感器

某些特殊光纤可以感知和辨别外界环境的信息，利用这种光纤制作的传感器，将“传”和“感”统一成一个整体，不仅起到传输光的作用，还能对外界因素的变化实现感知功能。此光纤传感器中光纤是相互联系的，长度可变化，灵敏度与长度成正比。

⑵非功能型光纤传感器

光纤只能传输光信号，不能感知光信号，感知部分由其他物理元器件完成，此种光纤不连续，成本低，容易制作，但是灵敏度受限。

⑶拾光型光纤传感器

该传感器用光导纤维做探头，接收物体反射、散射、折射的光信号。

根据以上特点，目前已经有大量多种光纤传感器被研制出来，下面介绍几种常见光纤传感器。

一、荧光式光纤温度传感器

多模光纤和它顶部的荧光膜共同构成荧光温度传感器，当外界光刺激到荧光物质，它会散发光辐射能量。激励消失后，荧光会持续一段时间，持续的时间长度取决于荧光膜特性、环境、温度等因素。受激发荧光往往按照指数形式衰减，衰减的时间常数代表荧光寿命和余晖时间。环境温度的各异，会导致荧光余晖衰减程度也各异。因此如果知道了荧光余晖的持续寿命，间接地可得知此环境下的温度。

荧光温度传感器具有以下特点：光纤探头安全系数高，抗高压能力强，抗电磁辐射；稳定可靠，无需定期检查；利用模块组合安装，方便安装和拆卸，更便捷；输出数字信号和模拟信号，可远程自动化控制。

二、拉曼散射分布式光纤温度传感器

光在光导纤维中传输会产生实时变化的空间温度场。在拉曼散射系统中，光纤是传输介质，同时也是被检测的传感对象，由于其安全性高、抗干扰能力强、结构稳定，所以被广泛应用于输油输气管道温度检测，仓库高楼火灾防护，大功率发电机温度检测等。

光纤内部，会产生自激励形式的拉曼光谱，斯托克斯散射光中，存放入某位置的信息，以上就是拉曼散射的基本原理。光纤首先窄带高功率脉冲送入光纤中，然后检测器对对背面的散射光进行检测，基于拉曼散射的温室效应，将信号解调出来，利用光时域反射技术（OTDR）来定位信号，最后，计算出被测物体温度信息。

三、布里渊散射温度传感器

在介质中，光受到各种元激发和非弹性散射，频率会随之改变，不同的频率代表光激发的能量，这就是布里渊散射。

--斯托克斯光频率

—入射激光的光频率

—介质环境下，光传播速率

--光纤内部使用材料的折射率

--入射光的频率移动

因此，根据此公式，温度变化，折射率变化，会导致其他几个量随之变化，频移变化和、都有函数关系的计算，通过此关系式计算，就可得到温度的变化。

四、光纤法珀高温传感器

光纤F-P传感器是在光纤内形成两个反射膜层，从而制造了一个长为L的腔，当光束经过此腔时会在两个端面发生反射，并从原路返回发生干涉现象，干涉信号与腔的长度有关，当外界环境改变时，腔长L也会发生变化，同时会改变输出干涉信号，根据此原理，可以通过某种运算关系将外界环境和腔长联系起来，以上就是光纤F-P传感器的原理^[10]。

光纤平面干涉计量传感器有两种，从内向外的干涉计和从外向内的干涉计。IFPI传感器内部，有两个光反射镜。光纤平面干涉计的光纤既能作为感知元件，又可做传导元件。Lee和Taylor展示了一些IFPI传感器，通过在光纤中构建介质镜。EFPI传感器包含一根引入光纤，其端面带有一个部分反射镜，一个空气腔或另一种透明介质，另一端同样存在一个反射装置，它的材料可以用光纤来组成。Sirkis等人通过将两根光纤与一个外径相同的中空管熔接在一起，引入了直列式光纤标准具。

1.2.3蓝宝石法珀光纤高温传感器

在某些尖端领域，国防科工等行业，往往要求工作在高于1500℃的环境下，在此环境中，往往受到空气潮湿，颗粒物含量，光照强弱等因素的影响，因此电类高温传感器等非接触式传感器并不适合此环境。因为测温机制和石英材料的最高工作温度要求，所以由石英光纤组成的几种温度传感器，受自身条件限制，无法进行高温实验；因为二氧化硅材料的耐高温性能受到限制，双金属片式光纤温度仪器、光纤F-P干涉温度仪器等最高只能测量1200℃。而蓝宝石光纤的超高温工作环境，使蓝宝石光纤传感器得到飞快发展。

如前文所讲，蓝宝石单晶光纤是一种能在超高温环境下工作的光导材料，它不同于由石英材料和聚合物材料制作的光导纤维，此传感器中的蓝宝石晶体材料属于单体光导纤维，最高工作环境温度可达1600℃。蓝宝石光纤具有高熔点,高温环境下耐腐蚀性强，而且工作波长范围宽，非常适合在高温环境下工作。研究人员借用在普通光纤刻制光栅的实验经验让，推广在蓝宝石光纤上，然后再根据光纤光栅测温的原理进行温度测量。蓝宝石光纤接触式测温器，能够直接接触待测环境，因此，测量结果更精确可靠。

蓝宝石光纤非本征型法珀干涉仪（EFPI）是一种利用光纤包围外侧的法珀干涉现象来实现温度测量的传感器，是高温测量界中非常主要的工具。

1.3主要研究的内容

本文首先从背景方面介绍了如今环境下几种常见的光纤温度传感器和传统温度传感器，对比分析了它们的优缺点，最后以蓝宝石光导纤维为基础，使用武汉理工大学光纤实验室中的蓝宝石光纤传感器为基础做仿真实验，分析了它和F-P温度传感器具有的优点。接着探讨了不同种类光纤F-P传感器的工作原理和解调方法，以此为基础，细致研究了由武汉理工大学光纤实验室制备的蓝宝石光纤组成的F-P高温传感器，并以此为基础，分析了几种常见的蓝宝石光纤传感器的解调算法^[12]。最后，把傅里叶算法和最小均方差算法结合在一起，提出了一种新型算法，即傅里叶-最小均方差联合算法，利用仿真实验检验了该算法的先进性。

第2章 光导纤维F-P传感器理论分析

2.1光导纤维F-P感应器原理

光纤传感器因其结构简单、灵敏度高、不受电磁干扰、适合恶劣环境等优点而被广泛应用。近年来，光纤高温传感器受到广泛关注。诞生了基于长周期光纤光栅、法布里珀罗干涉仪和光纤布拉格光栅(FBG)的各种高温传感器。因为蓝宝石光纤具有非常高的熔点，这是在非常高的温度下用于传感应用的最重要的性能，许多文章介绍了与法布里珀罗(F-P)和蓝宝石光纤相结合的传感器。但是，传感器输出的条纹对比度取决于许多难以控制的因素，例如石英-蓝宝石光纤接头的质量、光纤端部的表面粗糙度和光纤表面。

为了获得高精度和高分辨率的测量，已经开发了多种解调方法，通过不同的算法精确地提取光纤放大器的腔长。波长跟踪方法提供了高灵敏度。然而，它仅限于测量氟-磷腔长度的相对变化，动态范围也是有限的。快速傅里叶变换是腔长解调的经典方法，被广泛用作获得原始腔长的第一步估计。它将信号从光波长域转换到腔长域，并给出原始绝对腔长。快速傅立叶变换方法速度快，动态范围宽，受噪声影响小。然而，分辨率远低于波长跟踪方法，并且解调精度受到光学频率范围的限制。为了避免这些缺点，研究人员必须为不同的实验环境找到其他算法。Wang等人使用快速傅立叶变换方法获得估计的光程差(OPD)，随后使用频率估计算法获得更精确的值，获得3.0纳米的分辨率。提出了一种用于光纤射频传感的小波相位提取解调算法。快速傅立叶变换方法也被用于首先获得估计的空腔长度。该算法具有速度快、简单的优点。一种基于气隙平板印刷中调频连续波技术的解调系统，其温度分辨率为0.02℃，远远高于传统波长偏移检测方法的测量分辨率。Ying等人提出了一种基于快速傅立叶变换的最小均方误差(MMSE)估计和斐波那契法相结合的新算法。决议使用该算法实现的是0.15纳米，并且使得在0.03秒内快速解调是可能的。

2.1.1光导纤维F-P感应装置组成

由于不同的光纤法珀传感器它们的组成结构不相同，按照它们的传播介质，可将它们为两类：本征型光导纤维F-P传感器和非本征型光导纤维F-P传感器，这两种传感器的结构分别如图（a）和图（b）所示。

(a)

(b)

图2-1光纤法珀传感器结构：(a)本征型(b)非本征型

在本征型光纤F-P传感器中，光纤器件既有传输功能，又有感知功能^[13]。而在非本征型光纤F-P传感器中，光纤器件只能做传输功能，不能用来感知信号。

2.1.2 光纤F-P中光干涉分析

两束不同的光在传播过程中，如果它们的频率相同，振幅相同，运动方向一致，相位差固定，所以在它们碰撞的时候，会发生干涉现象。而法珀干涉仪正是源于这种现象而发明的，它的本质结构上就是两个相互平行的端面构成一个光学谐振腔。当入射光以某一角度进入到干涉仪法珀腔壁时，碰到腔表面的时候，会发生反射和透射，透射过去的光，继续向前传播，继而又会在碰壁时候发生反射和透射，进而发生多光束干涉。

图2-2 法珀干涉仪原理图

其中A为入射光，A_r为反射光，A_t为透射光，n为法珀腔。

法珀干涉仪的反射光强可以表示为：

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