[发明专利]基于多纵模自混合效应的温度传感测量装置及方法

说明书

本发明涉及光学测量技术领域，具体为一种基于多纵模自混合效应的温度传感测量装置及方法，测量装置包括多纵模激光器、传感单元、振动目标、滑动装置、分光元件、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元，测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光器出射激光经传感单元后入射到振动目标上，然后再反馈回多纵模激光器谐振腔内形成自混合信号，上述过程中传感单元发生改变引起自混合信号波形改变，通过调节滑动装置使振动目标发生微移，形成在不同激光器外腔长度下的自混合信号，利用光电探测器采集不同外腔长度下的自混合信号，然后利用信号预处理单元和信号处理单元进行处理，即可得出传感单元的变化，该方法测量成本低、光路简单、测量精度高。

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种基于多纵模自混合效应的温度传感测量装置及方法。

背景技术

利用光学进行精密测量，一直是计量测量技术领域中的主要方法，目前，光学测量方法因其非接触测量、测量灵敏度高、测量精度高等优点已被成熟应用于温度测量、电压测量、磁场测量、应变测量、液体浓度测量等测量场合。

在温度测量技术领域，目前的测温方法主要分为接触式和非接触式两大类。接触式的测温方法主要有热敏电阻测温法、光纤光栅测温法等；非接触式的测温方法主要有红外测温方法、传统干涉光学测温法等。基于热敏电阻体积小，机械性能好等优点，热敏电阻测温法主要适用于测量点温、表面温度及快速变化的温度的场合，但其存在复现性较差和互换性较差的缺点。光纤光栅测温法适用于需要测量精度要求较高的表面温度的场合，但是受自身材料特性影响，其测温范围较小，并且需要结合昂贵的光谱仪或者复杂的解调技术，应用成本较高。红外测温法理论上无测量上限，但是当被应用于测量真实温度时，受被测对象辐射率的影响较大，测量精度较低，不满足高精度测温需求。传统干涉光学温度测量方法则一般采用马赫-曾德尔方案，信号光和参考光处在不同光路，受环境影响较大，结构相对复杂且调试困难。

在电压测量技术领域，传统测量电压的仪器有静电电压表、球隙、电磁式电压互感器、电阻分压器以及电容分压器等，但存在绝缘难度大、体积大、价格高、动态范围小、频带窄等问题。光学电压传感器具有抗电磁干扰能力强，绝缘性腔和测量带宽高等特点，可以利用泡克尔斯效应、电光克尔效应等进行传感测量，但对被测材料的要求很高，一般要求为泡克尔斯晶体和电光晶体，且测量的稳定性受限于材料的温度特性和传感头加工工艺，同时存在制作成本较高的问题。干涉式的光学电压传感系统中，主要采用的是迈克尔逊干涉型电压检测方法和马赫-曾德尔(M-Z)型电压检测方法，但测量时传感臂和参考臂太长且不在同一通道中，系统容易受到环境干扰。

在磁场测量技术领域，传统的磁场传感器一般是通过霍尔效应、Faraday磁光效应、巨磁感应效应、磁饱和效应等实现，但这些方法普遍存在测量系统体积大、成本高、测量频带窄、动态范围小等问题。随着光学传感技术的发展，光学磁传感器逐渐受到研究者重视。光学磁传感器主要有光纤光栅磁场传感器、赛格纳克磁场传感器、迈克尔逊磁场传感器、马赫-曾德尔磁场传感器和法布里-帕罗型磁场传感器。其中，光纤光栅磁场传感器及赛格纳克磁场传感器均需接入光谱仪观察不同磁场强度下的传感器输出光谱，成本较高且易受环境影响；迈克尔逊磁场传感器、马赫-曾德尔磁场传感器是通过采集传感臂和参考臂间的干涉信号来获得磁场强度，但信号光和参考光处在不同光路，受环境影响较大，结构复杂且调试困难；法布里-帕罗型磁场传感器则是利用空气腔中光的干涉效应对磁场强度进行传感，但空气腔易受环境干扰且光程有一定限制，不利于高灵敏度磁场强度测量。