專利名稱：基于正交雙偏振光纖激光器的液壓傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ー種用于檢測液體壓カ信號的傳感器，特別涉及ー種基于光纖技術檢測靜態(tài)或準靜態(tài)液體壓カ信號的傳感器。
背景技術：
目前，壓カ傳感器種類較多，比較常見的有電感式、電阻式、電容式和壓電式，它們主要是基于電學原理設計制作而成的，它們將液體壓カ信號的變化轉換為電壓或電流的一些參量的變化，由此實現聲壓信號測量。其缺點是，易受電磁干擾、穩(wěn)定性差、壽命短。特別是，電子元器件一般需要本地儀器，不適合于深水或油井中部署陣列測量液體的靜態(tài)或準靜態(tài)液壓。光纖傳感器技術可彌補傳統電子式液壓傳感器的上述不足。相對于傳統的電類傳 感器，光纖傳感器具有以下優(yōu)點靈敏度高、不受電磁干擾、結構小巧、易于組網等，在眾多領域已經取代傳統的電類傳感器，具有更廣泛的應用前景。在光纖液壓傳感器開發(fā)方面，已經進行了多種嘗試。通過對各種光纖傳感原理了解，可歸納出光纖傳感基本原理光源發(fā)出的光經過受外界參數作用的調制區(qū)后參數發(fā)生變化，經過探測器檢測得出外界參數變化量。光的參數改變分為波長、頻率、相位、光強和偏振態(tài)的改變，這些參數最終需轉化為波長或光強才能被探測器接收。例如，文獻“Measurements of polarimetric sensitivity to hydrostaticpressure,strain and temperature in birefringent dual-core microstructuredpolymer fiber” I麥見 Szczurowski，Marcin KjMartynkien, Tadeusz ; StatKiewicz-Barabach, Gabriela;Urbanczyk, Waclaw;Webb, David J，Optics Express, Vol. 18Issuel2,pp.12076-12087,2010)描述了基于雙芯朔料光纖，采用干涉方法對信號進行解調的液壓傳感器。這類基于干涉方法解調信號的液壓傳感器一般具有較高的靈敏度，但是其復用能力差，需要非常復雜的技術才能夠實現傳感器組網，陣列部署時成本十分昂貴。再如，文獻“High-sensitivity temperature-independent differentialpressure sensor using fiber Bragg gratings'，bheng, Hao-Jan; Liu, Wen-Fung; Lin, Kuei-Ru;Bor, Sheau-Shong;Fu, Ming-Yue, Optics Express, Vol. 16Issue20, pp. 16013-16018,2008)描述了基于光纖光柵的液壓傳感器，為了提高靈敏度附加了復雜的增敏裝置。這類基于光纖光柵的傳感器將液壓轉換為光纖光柵的工作波長的變化，通過檢測波長變化獲知聲壓信息。這類傳感器易于復用，但一般靈敏度較低，增敏裝置往往比較復雜且需要波長解調，解調設備昂貴。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種解調成本低廉、體積小、增敏結構簡單、易于組網的光纖液壓傳感器。本發(fā)明利用光電探測器作為傳感単元，光電探測器在無線電射頻域產生一個拍頻信號，它將液壓信號轉換為此拍頻信號頻率的變化，通過檢測拍頻信號頻率來實現對液壓的測量，靈敏度高、解調簡單、易于復用。本發(fā)明的目的可以通過下述技術方案實現基于雙偏振光纖激光器的液壓傳感器，包括光纖激光器、增敏構件、光電探測器和信號解調單元；所述光纖激光器封裝在增敏構件的應カ分布不對稱區(qū)域，增敏構件在液壓信號作用下向光纖激光器施加側向作用力，使光纖激光器的兩個正交方向受到不相等的壓カ；所述光纖激光器、光電探測器和信號解調單元依次連接，光電探測器將光纖激光器所產生的兩束正交偏振的激光信號轉化為ー個無線電射頻域的拍頻信號，拍頻信號的頻率隨光纖激光器的光纖慢軸與光纖快軸的有效折射率之差改變而改變。所述增敏構件包括第一硬體單元和第二硬體單元；所述第一硬體單元的楊氏模量大于第二硬體單元的楊氏模量，第一硬體單元在光纖激光器側面，第二硬體單元完全包裹第一硬體単元及光纖激光器。所述第一硬體單元為金屬絲；所述第二硬體単元為膠體固化物。所述第一硬體単元為鋼絲，所述第二硬體單元為紫外固化膠固化物?！に鲈雒魳嫾€包括為半封閉凹型槽狀物的第三硬體単元；所述第三硬體単元作為基座通過第二硬體単元與光纖激光器和第一硬體単元粘結。所述第三硬體單元為石英U型槽。所述第二硬體単元與光纖激光器面接觸；第一硬體単元與第二硬體単元面接觸；第二硬體単元與第三硬體単元面接觸。上述液壓傳感器還包括泵浦光源、泵浦光隔離器、WDM波分復用器、激光隔離器、起偏器和檢偏器，泵浦光源、泵浦光隔離器和WDM波分復用器依次連接，光纖激光器、WDM波分復用器、激光隔離器、起偏器、檢偏器和光電探測器依次連接。所述信號解調單元為頻譜分析儀或解調電路。所述泵浦光源為980nm泵浦光源；所述泵浦光隔離器對對應泵浦源發(fā)出的特定波長的光起隔離作用；所述激光隔離器為1550nm光隔離器。所述光纖激光器為分布布拉格反射光纖激光器(通過在同一個增益光纖上刻寫一對波長匹配的布拉格光柵構成諧振腔，由外設980nm泵浦光源作為泵源的單縱模激光器)或者為分布反饋光纖激光器(通過在增益光纖上刻寫ー個相移為n/2的相移光柵，由外設980nm泵浦光源作為泵源的單縱模激光器)。本發(fā)明的工作原理如下泵浦光通過泵浦光隔離器，由WDM波分復用器的980nm端ロ進入WDM波分復用器再由WDM波分復用器的公共端ロ進入光纖激光器，光纖激光器發(fā)出具有兩束正交偏振態(tài)的激光，這兩束激光再通過WDM波分復用器的公共端ロ進入WDM波分復用器，由WDM波分復用器的1550nm端ロ進入1550nm隔離器再通過起偏器，再通過檢偏器進入光電探測器，在光電探測器內將兩束正交偏振的激光信號轉化為ー個無線電射頻域拍頻信號，當光纖激光器的兩個正交方向受到不同的壓カ時，光纖激光器的雙折射發(fā)生改變使兩束正交偏振的激光的頻率差發(fā)生改變，從而此拍頻信號的頻率會發(fā)生改變。在膠體固化物、細鋼絲與U型槽構成的增敏構件的封裝結構中，由于細鋼絲的楊氏模量遠大于膠體固化物的楊氏模量，造成封裝結構的不對稱，引起膠體固化物中的應カ分布不對稱，這種不対稱的封裝結構在液體中將原本對光纖激光器的兩個正交方向貢獻壓力基本相等的液壓信號(在不應用增敏構件時拍頻信號頻率對液壓信號的變化不敏感)轉化為對光纖激光器兩個正交方向不等的壓力，使光纖激光器的雙折射(既光纖慢軸與光纖快軸的有效折射率之差)發(fā)生改變從而導致拍頻信號的頻率發(fā)生變化，實現增敏。因此，通過檢測拍頻信號能夠實現對靜態(tài)或準靜態(tài)液壓的測量。本發(fā)明相對于現有技術具有如下的優(yōu)點及效果與傳統的電類傳感器相比，具有不受電磁干擾等優(yōu)點；與現有光纖聲壓傳感器相比，將聲壓信號轉換為在無線電射頻域的拍頻信號，它具有靈敏度高、解調簡單、解調成本低廉、易于復用等優(yōu)點。


圖I是本發(fā)明的結構示意圖；圖2是圖I的側視圖；圖3是本發(fā)明的液壓傳感光路原理圖；圖4是應用增敏構件時與未用增敏構件時的靈敏度對比圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進ー步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例I如圖1、2所示，在本實施例中，作為第一硬體單元的細鋼絲2在光纖激光器I側面，光纖激光器I和細鋼絲2被作為第二硬體単元的紫外固化膠固化物3完全包裏，作為第三硬體単元的石英U型槽4通過作為基座的紫外固化膠固化物3與光纖激光器I和細鋼絲2粘結。細鋼絲2、紫外固化膠固化物3與石英U型槽4對光纖激光器I的不對稱封裝結構將在液體中原本對光纖激光器的兩個正交方向貢獻壓力基本相等的液壓信號轉化為對光纖激光器兩個正交方向不等的壓力，使光電探測器所產生的拍頻信號對液壓信號的變化敏感；改變光纖激光器的雙折射使兩束正交偏振的激光的頻率差發(fā)生改變，從而使拍頻信號的頻率發(fā)生改變，以此測量液體的壓カ值。光纖激光器I為正交偏振雙頻激光器，當光纖激光器的雙折射(既光纖的慢軸與快軸的有效折射率之差)發(fā)生變化時，光纖激光器的偏振拍頻信號的頻率發(fā)生變化，故而，光纖激光器的偏振拍頻隨液壓信號而變化。如圖3所示，泵浦光源10產生的泵浦光通過泵浦光隔離器11，由WDM波分復用器12的980nm端ロ進入WDM波分復用器12再由WDM波分復用器12的公共端ロ進入光纖激光器1，光纖激光器I發(fā)出兩束正交偏振的激光信號，這兩束激光再通過WDM波分復用器12的公共端ロ進入WDM波分復用器12，由WDM波分復用器12的1550nm端ロ經1550nm光隔離器5進入起偏器6，再通過檢偏器7進入光電探測器8，在光電探測器8內兩束正交偏振的激光信號轉化為一個無線電射頻域拍頻信號，最后通過解調電路9將信號解調。如圖4所示，在應用增敏構件封裝之前傳感器的靈敏度為-0. 59MHz/MPa，使用增敏構件封裝之后的靈敏度為53. 9MHz/MPa，靈敏度提高了 90多倍。本領域技術人員很容易想到在具體實施中，光纖激光器I既可以采用分布布拉格反射(DBR)結構，也可以采用分布反饋(DFB)結構；增益光纖既可以采用摻鉺光纖，也可以采用Er/Yb共摻光纖；細鋼絲2可由其他楊氏模量較大的金屬絲代替；紫外固化膠固化物3可以由其他膠體固化物代替；石英U型槽4也可以由其他材質較堅硬的半封閉凹型槽狀物代替。上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的 限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.基于雙偏振光纖激光器的液壓傳感器，其特征在于包括光纖激光器、增敏構件、光電探測器和信號解調單元；所述光纖激光器封裝在增敏構件的應カ分布不對稱區(qū)域，增敏構件在液壓信號作用下向光纖激光器施加側向作用力，使光纖激光器的兩個正交方向受到不相等的壓カ；所述光纖激光器、光電探測器和信號解調單元依次連接，光電探測器將光纖激光器所產生的兩束正交偏振的激光信號轉化為一個無線電射頻域的拍頻信號，拍頻信號的頻率隨光纖激光器的光纖慢軸與光纖快軸的有效折射率之差改變而改變。
2.根據權利要求I所述的液壓傳感器，其特征在于所述增敏構件包括第一硬體単元和第二硬體単元；所述第一硬體単元的楊氏模量大于第二硬體単元的楊氏模量，所述第一硬體單元設置在光纖激光器側面，第二硬體単元完全包裹第一硬體単元及光纖激光器。
3.根據權利要求2所述的液壓傳感器，其特征在于所述第一硬體單元為金屬絲；所述第二硬體單元為膠體固化物。
4.根據權利要求3所述的液壓傳感器，其特征在于所述第一硬體単元為鋼絲，第二硬體單元為紫外固化膠固化物。
5.根據權利要求2所述的液壓傳感器，其特征在于所述增敏構件還包括為半封閉凹型槽狀物的第三硬體単元；所述第三硬體単元作為基座通過第二硬體単元與光纖激光器和第一硬體單元粘結。
6.根據權利要求5所述的液壓傳感器，其特征在于所述第三硬體單元為石英U型槽。
7.根據權利要求I所述的液壓傳感器，其特征在于還包括泵浦光源、泵浦光隔離器、WDM波分復用器、激光隔離器、起偏器和檢偏器，泵浦光源、泵浦光隔離器和WDM波分復用器依次連接，光纖激光器、WDM波分復用器、激光隔離器、起偏器、檢偏器和光電探測器依次連接。
8.根據權利要求I所述的液壓傳感器，其特征在于所述光纖激光器為正交偏振雙頻光纖激光器。
9.根據權利要求I所述的液壓傳感器，其特征在于所述光纖激光器為分布布拉格反射光纖激光器或者為分布反饋光纖激光器。
10.根據權利要求I所述的液壓傳感器，其特征在于所述信號解調單元為頻譜分析儀或解調電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于雙偏振光纖激光器的光纖液壓傳感器，包括正交偏振雙頻光纖激光器，還包括將光纖激光器完全包裹的紫外固化膠固化物和在光纖激光器一側的石英U型槽且在液壓信號作用下向光纖激光器施加側向作用力的增敏構件。本發(fā)明利用正交偏振雙頻光纖激光器作為傳感單元，正交偏振雙頻光纖激光器在無線電射頻域產生一個拍頻信號，將液壓信號轉換為此拍頻信號頻率的變化，通過檢測拍頻信號頻率來實現對聲壓的測量，靈敏度高、解調簡單、易于復用。
文檔編號G01L11/02GK102778324SQ20121024197
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月12日 優(yōu)先權日2012年7月12日
發(fā)明者全戰(zhàn), 關柏鷗, 李夢萍, 程凌浩, 金龍 申請人:暨南大學