專利名稱：一種基于光纖光柵反射光偏振參量的實(shí)時(shí)壓力傳感方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種利用光纖光柵反射光的偏振參量對(duì)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的光纖傳感設(shè)備。
背景技術(shù)：
當(dāng)光纖受到外界環(huán)境(溫度、應(yīng)力、磁場(chǎng)、壓力等)影響時(shí)，光纖中傳輸光的強(qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)等參量會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化。通過檢測(cè)傳輸光的這些參量便可獲知相應(yīng)物理量的變化，這種技術(shù)稱為光纖傳感技術(shù)。光纖光柵作為一種成熟的全光纖器件，由于其本身具有的體積小，插入損耗低，易于與其他光纖器件集成等特點(diǎn)，在光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域中有著非常重要的應(yīng)用，目前多數(shù)是利用波長(zhǎng)偏移量進(jìn)行溫度傳感和應(yīng)力傳感。其測(cè)量原理主要是利用外界參量變化引起的光纖光柵的折射率或光柵周期的變化從而導(dǎo)致布拉格波長(zhǎng)發(fā)生偏移，通過測(cè)量偏移量達(dá)到傳感的目的?，F(xiàn)有利用光纖光柵對(duì)壓力的測(cè)量主要是光纖布拉格光柵在壓力負(fù)載條件下的諧振波長(zhǎng)分裂，通過對(duì)X偏振光和y偏振光幅度譜中心波長(zhǎng)的偏移量檢測(cè)外在壓力。這種方法在壓力較小時(shí)，總幅度譜很難察覺到兩種本征模中心波長(zhǎng)的差別，檢測(cè)較為困難。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種新穎的基于偏振參量測(cè)量的、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍可調(diào)節(jié)的基于光纖光柵反射光偏振參量的實(shí)時(shí)壓力傳感方法。技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于光纖光柵反射光偏振參量的實(shí)時(shí)壓力傳感方法；該實(shí)時(shí)壓力傳感方法基于一個(gè)實(shí)時(shí)壓力傳感器，該實(shí)時(shí)壓力傳感器包括可調(diào)諧激光器、光隔離器、在線起偏器、偏振控制器a、環(huán)形器、傳感用光纖光柵、偏振控制器b、偏振檢測(cè)模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)處理和顯示單元；可調(diào)諧激光器發(fā)出的激光經(jīng)過光隔離器進(jìn)入在線起偏器，輸出的線偏振光經(jīng)可旋轉(zhuǎn)光纖連接端口和偏振控制器a后進(jìn)入環(huán)形器第一端口，第二端口連接傳感光纖光柵，從光纖光柵中反射的光從第三端口輸出經(jīng)偏振控制器b進(jìn)入在線偏振檢測(cè)模塊，從檢測(cè)模塊輸出四路包含偏振信息的模擬電壓信號(hào)V1, V2, V3, V4，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將四路模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入信號(hào)處理和顯示模塊，經(jīng)過信號(hào)處理從模擬電壓信號(hào)V1, V2, V3, V4中得到反射光偏振態(tài)的四個(gè)斯托克斯參量Stl, S1, S2, S3以及其它偏振相關(guān)參量，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)歸一化第一斯托克斯參量數(shù)值S1=S1/
S。，對(duì)傳感光纖光柵上所受壓力進(jìn)行傳感；加載在光纖光柵上的壓力導(dǎo)致反射光信號(hào)的歸一化第一斯托克斯參量數(shù)值隨外加壓力大小發(fā)生變化；通過在線偏振檢測(cè)模塊檢測(cè)歸一化第一斯托克斯參量即可對(duì)外加壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。所述的光隔離器用來隔離并減少光纖光柵和各光器件接頭上的反射信號(hào)的影響。采用偏振控制器a和偏振控制器b來調(diào)節(jié)和補(bǔ)償光路中普通單模光纖引入的相位差。旋轉(zhuǎn)光纖連接端口的相對(duì)位置，用來調(diào)節(jié)在線起偏器輸出的線偏振光的入射角度，從而帶來不同的靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍和線性度。采用固定波長(zhǎng)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；可調(diào)諧激光器發(fā)出的激光波長(zhǎng)位于光纖光柵中心波長(zhǎng)兩邊的通帶內(nèi)，不同波長(zhǎng)點(diǎn)的選擇帶來不同靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍和線性度。所述的光纖光柵，改變其長(zhǎng)度、折射率調(diào)制系數(shù)，用以調(diào)節(jié)壓力測(cè)量的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。選取合適的光纖光柵物理參量、可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)或者調(diào)節(jié)在線起偏器輸出的線偏振光的角度，可以使反射光歸一化第一斯托克斯參量值和外加壓力之間具有良好的線性關(guān)系，并且靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍均可進(jìn)行調(diào)節(jié)。 有益效果本發(fā)明利用光纖光柵在外加壓力作用下產(chǎn)生線雙折射，導(dǎo)致反射光的斯托克斯參量發(fā)生變化，采用單波長(zhǎng)源實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力大小的實(shí)時(shí)傳感，同時(shí)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍均可進(jìn)行調(diào)節(jié)?？朔藗鹘y(tǒng)的基于幅度譜波長(zhǎng)偏移測(cè)量的光柵壓力傳感方法不適合小壓力傳感的缺點(diǎn)。


圖I是本發(fā)明提供的一種基于光纖光柵反射光偏振參量的實(shí)時(shí)壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖。圖2是實(shí)例I中的第一斯托科斯參量變化量(As1)與外加壓力的關(guān)系曲線。光柵參數(shù)光柵周期A=535nm，光纖纖芯折射率neff=l. 448，長(zhǎng)度L=IOmm,折射率調(diào)制系數(shù)6 n=l X 10_4，可調(diào)諧激光器波長(zhǎng)入p=1549. 54nm,入射起偏角45°。圖3是實(shí)例2中的第一斯托科斯參量變化量(As1)與外加壓力的關(guān)系曲線。光柵參數(shù)光柵周期A =535nm，光纖纖芯折射率neff=l 448，長(zhǎng)度L=5mm，折射率調(diào)制系數(shù)Sn=O. 5 X 10_4，可調(diào)諧激光器波長(zhǎng)Ap=1549.45nm，入射起偏角45°。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的基于光纖光柵反射光偏振參量的實(shí)時(shí)壓力傳感方法基于一個(gè)實(shí)時(shí)壓力傳感器，該實(shí)時(shí)壓力傳感器包括可調(diào)諧激光器I、光隔離器2、在線起偏器3、偏振控制器a4、環(huán)形器5、傳感用光纖光柵6、偏振控制器b7、偏振檢測(cè)模塊8、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊9、信號(hào)處理和顯示單元10 ;可調(diào)諧激光器I發(fā)出的激光經(jīng)過光隔離器2進(jìn)入在線起偏器3，輸出的線偏振光經(jīng)可旋轉(zhuǎn)光纖連接端口 A、B和偏振控制器a4后進(jìn)入環(huán)形器5第一端口①，第二端口②連接傳感光纖光柵6,從光纖光柵6中反射的光從第三端口③輸出經(jīng)偏振控制器b7進(jìn)入在線偏振檢測(cè)模塊8，從檢測(cè)模塊輸出四路包含偏振信息的模擬電壓信號(hào)V1, V2, V3, V4,經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊9將四路模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入信號(hào)處理和顯示模塊10，經(jīng)過信號(hào)處理從模擬電壓信號(hào)V1, V2, V3, V4中得到反射光偏振態(tài)的四個(gè)斯托克斯參量Stl, S1, S2, S3以及其它偏振相關(guān)參量，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)歸一化第一斯托克斯參量數(shù)值S1=S1ZX，對(duì)傳感光纖光柵上所受壓力進(jìn)行傳感；加載在光纖光柵6上的壓力導(dǎo)致反射光信號(hào)的歸一化第一斯托克斯參量數(shù)值隨外加壓力大小發(fā)生變化；通過在線偏振檢測(cè)模塊8檢測(cè)歸一化第一斯托克斯參量即可對(duì)外加壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?；诠饫w光柵反射光偏振參量的實(shí)時(shí)壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖I所不，其對(duì)壓力進(jìn)行測(cè)量的具體實(shí)施步驟如下所示I)制作光纖光柵，測(cè)量其反射譜，在通帶范圍內(nèi)選擇測(cè)量波長(zhǎng)Ap ;2)可調(diào)諧激光器I發(fā)出波長(zhǎng)為\ p的激光經(jīng)過光隔離器2進(jìn)入在線起偏器3 ；3)輸出的線偏振光經(jīng)偏振控制器a4后進(jìn)入環(huán)形器5第一端口①，環(huán)形器第二端口②連接傳感光纖光柵6 ；4)調(diào)整偏振控制器a4和偏振控制器b7用于調(diào)節(jié)和補(bǔ)償光路中普通單模光纖引入的相位差；
5)旋轉(zhuǎn)光纖連接端口 A和B的相對(duì)位置調(diào)節(jié)入射線偏振光的起偏角度；6)加載在傳感光纖光柵6上的外在壓力導(dǎo)致反射光的斯托科斯參量發(fā)生變化；7)反射光從環(huán)形器5的第三端口③輸出經(jīng)偏振控制器b7進(jìn)入在線偏振檢測(cè)模塊8，輸出模擬電壓信號(hào)；8)模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊9將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入信號(hào)處理和顯示模塊10，得到反射光偏振態(tài)的斯托克斯參量。實(shí)例I設(shè)計(jì)光柵參數(shù)周期A=535nm,光纖纖芯折射率neff=l. 448,長(zhǎng)度L=IOmm,折射率調(diào)制系數(shù)Sn=IXlO'調(diào)節(jié)偏振控制器a4和偏振控制器b7進(jìn)行相位補(bǔ)償。旋轉(zhuǎn)光纖連接端口 A和B的相對(duì)位置使入射線偏振光起偏角度為45°。選擇可調(diào)諧激光器波長(zhǎng)Ap=1549. 54nm。當(dāng)傳感光纖光柵6受到外在壓力的影響,會(huì)使線雙折射發(fā)生變化,從而導(dǎo)致反射光的第一斯托科斯參量發(fā)生變化。反射光經(jīng)線偏振檢測(cè)模塊8檢測(cè)出偏振參量的變化，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊9,在信號(hào)處理和顯不模塊10中實(shí)時(shí)顯不歸一化第一斯托科斯參量數(shù)值，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所受壓力的大小。在此例中，歸一化第一斯托科斯參量變化量As1與外在壓力的理論關(guān)系如圖2所示，其中動(dòng)態(tài)范圍約為6N，靈敏度約為0. 1667/N。實(shí)例2設(shè)計(jì)光柵參數(shù)周期A=535nm,光纖纖芯折射率neff=l. 448，長(zhǎng)度L=5mm，折射率調(diào)制系數(shù)Sn=0.5Xl(T4。調(diào)節(jié)偏振控制器a4和偏振控制器b7進(jìn)行相位補(bǔ)償。旋轉(zhuǎn)光纖連接端口 A和B的相對(duì)位置使入射線偏振光起偏角度為45°。選擇可調(diào)諧激光器波長(zhǎng)Ap=1549. 45nm。在此例中，歸一化第一斯托科斯參量變化量A S1與外在壓力的理論關(guān)系如圖3所示，此例中動(dòng)態(tài)范圍約為15N，靈敏度約為0. 0667/N。
權(quán)利要求
1.一種基于光纖光柵反射光偏振參量的實(shí)時(shí)壓力傳感方法，其特征是該實(shí)時(shí)壓力傳感方法基于一個(gè)實(shí)時(shí)壓力傳感器，該實(shí)時(shí)壓力傳感器包括可調(diào)諧激光器(I)、光隔離器(2)、在線起偏器(3)、偏振控制器a (4)、環(huán)形器(5)、傳感用光纖光柵(6)、偏振控制器b (7)、偏振檢測(cè)模塊(8)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(9)、信號(hào)處理和顯示單元(10);可調(diào)諧激光器(I)發(fā)出的激光經(jīng)過光隔離器(2)進(jìn)入在線起偏器(3)，輸出的線偏振光經(jīng)可旋轉(zhuǎn)光纖連接端口(A、B)和偏振控制器a (4 )后進(jìn)入環(huán)形器(5 )第一端口(①)，第二端口(②)連接傳感光纖光柵(6 )，從光纖光柵(6)中反射的光從第三端口(③)輸出經(jīng)偏振控制器b (7)進(jìn)入在線偏振檢測(cè)模塊(8)，從檢測(cè)模塊輸出四路包含偏振信息的模擬電壓信號(hào)V1, V2, V3, V4,經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(9)將四路模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入信號(hào)處理和顯示模塊(10)，經(jīng)過信號(hào)處理從模擬電壓信號(hào)V1, V2, V3, V4中得到反射光偏振態(tài)的四個(gè)斯托克斯參量Stl, S1, S2, S3以及其它偏振相關(guān)參量，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)歸一化第一斯托克斯參量數(shù)值S1=S1Z^，對(duì)傳感光纖光柵上所受壓力進(jìn)行傳感； 加載在光纖光柵(6)上的壓力導(dǎo)致反射光信號(hào)的歸一化第一斯托克斯參量數(shù)值隨外加壓力大小發(fā)生變化；通過在線偏振檢測(cè)模塊(8)檢測(cè)歸一化第一斯托克斯參量即可對(duì)外加壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光纖光柵反射光偏振參量的實(shí)時(shí)壓力傳感方法，其特征在于所述的光隔離器(2)用來隔離并減少光纖光柵和各光器件接頭上的反射信號(hào)的影響。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光纖光柵反射光偏振參量的實(shí)時(shí)壓力傳感方法，其特征在于采用偏振控制器a (4)和偏振控制器b (7)來調(diào)節(jié)和補(bǔ)償光路中普通單模光纖引入的相位差。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光纖光柵反射光偏振參量的實(shí)時(shí)壓力傳感方法，其特征在于旋轉(zhuǎn)光纖連接端口(A、B)的相對(duì)位置，用來調(diào)節(jié)在線起偏器(3)輸出的線偏振光的入射角度，從而帶來不同的靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍和線性度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光纖光柵反射光偏振參量的實(shí)時(shí)壓力傳感方法，其特征在于采用固定波長(zhǎng)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；可調(diào)諧激光器(I)發(fā)出的激光波長(zhǎng)位于光纖光柵(6)中心波長(zhǎng)兩邊的通帶內(nèi)，不同波長(zhǎng)點(diǎn)的選擇帶來不同靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍和線性度。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光纖光柵反射光偏振參量的實(shí)時(shí)壓力傳感方法，其特征在于所述的光纖光柵(6)，改變其長(zhǎng)度、折射率調(diào)制系數(shù)，用以調(diào)節(jié)壓力測(cè)量的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。
全文摘要
本發(fā)明是一種光柵反射光偏振參量的實(shí)時(shí)壓力傳感方法，可調(diào)諧激光器(1)發(fā)出的激光順序經(jīng)隔離器(2)、在線起偏器(3)、可旋轉(zhuǎn)光纖連接端口(A、B)和偏振控制器a(4)后進(jìn)入環(huán)形器(5)第一端口(①)，第二端口(②)連接傳感光纖光柵(6)，從光纖光柵(6)中反射的光從第三端口(③)輸出經(jīng)偏振控制器b(7)進(jìn)入在線偏振檢測(cè)模塊(8)，輸出四路包含偏振信息的模擬電壓信號(hào)V1,V2,V3,V4，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(9)將四路模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入信號(hào)處理和顯示模塊(10)，得到反射光偏振態(tài)的四個(gè)斯托克斯參量S0，S1,S2,S3以及其它偏振相關(guān)參量，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)歸一化第一斯托克斯參量s1=S1/S0數(shù)值對(duì)傳感光纖光柵上所受壓力進(jìn)行傳感。
文檔編號(hào)G01L1/24GK102706494SQ20121018485
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月6日
發(fā)明者葉振興, 彭暉, 朱勇, 蘇洋 申請(qǐng)人:中國人民解放軍理工大學(xué)