專利名稱：一種基于光纖光柵反射光偏振參量的實(shí)時壓力傳感方法
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壓力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測的光纖傳感設(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、壓力等)影響時，光纖中傳輸光的強(qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)等參量會相應(yīng)的發(fā)生變化。通過檢測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)是利用波長偏移量進(jìn)行溫度傳感和應(yīng)力傳感。其測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)致布拉格波長發(fā)生偏移，通過測量偏移量達(dá)到傳感的目的。現(xiàn)有利用光纖光柵對壓力的測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分裂，通過對X偏振光和y偏振光幅度譜中心波長的偏移量檢測外在壓力。這種方法在壓力較小時，總幅度譜很難察覺到兩種本征模中心波長的差別，檢測較為困難。
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量的、靈敏度和動態(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)時壓力傳感方法；該實(shí)時壓力傳感方法基于一個實(shí)時壓力傳感器，該實(shí)時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、偏振檢測模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、信號處理和顯示單元；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)入在線偏振檢測模塊，從檢測模塊輸出四路包含偏振信息的模擬電壓信號V1, V2, V3, V4，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將四路模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，進(jìn)入信號處理和顯示模塊，經(jīng)過信號處理從模擬電壓信號V1, V2, V3, V4中得到反射光偏振態(tài)的四個斯托克斯參量Stl, S1, S2, S3以及其它偏振相關(guān)參量，通過實(shí)時監(jiān)測歸一化第一斯托克斯參量數(shù)值S1=S1/
S。，對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；通過在線偏振檢測模塊檢測歸一化第一斯托克斯參量即可對外加壓力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。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、動態(tài)范圍和線性度。采用固定波長點(diǎn)實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測；可調(diào)諧激光器發(fā)出的激光波長位于光纖光柵中心波長兩邊的通帶內(nèi)，不同波長點(diǎn)的選擇帶來不同靈敏度、動態(tài)范圍和線性度。所述的光纖光柵，改變其長度、折射率調(diào)制系數(shù)，用以調(diào)節(jié)壓力測量的靈敏度和動態(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，采用單波長源實(shí)現(xiàn)對壓力大小的實(shí)時傳感，同時靈敏度和動態(tài)范圍均可進(jìn)行調(diào)節(jié)?？朔藗鹘y(tǒng)的基于幅度譜波長偏移測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)時壓力傳感方法基于一個實(shí)時壓力傳感器，該實(shí)時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、偏振檢測模塊8、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊9、信號處理和顯示單元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)入在線偏振檢測模塊8，從檢測模塊輸出四路包含偏振信息的模擬電壓信號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轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，進(jìn)入信號處理和顯示模塊10，經(jīng)過信號處理從模擬電壓信號V1, V2, V3, V4中得到反射光偏振態(tài)的四個斯托克斯參量Stl, S1, S2, S3以及其它偏振相關(guān)參量，通過實(shí)時監(jiān)測歸一化第一斯托克斯參量數(shù)值S1=S1ZX，對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；通過在線偏振檢測模塊8檢測歸一化第一斯托克斯參量即可對外加壓力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。基于光纖光柵反射光偏振參量的實(shí)時壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖I所不，其對壓力進(jìn)行測量的具體實(shí)施步驟如下所示I)制作光纖光柵，測量其反射譜，在通帶范圍內(nèi)選擇測量波長Ap ;2)可調(diào)諧激光器I發(fā)出波長為\ 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)入在線偏振檢測模塊8，輸出模擬電壓信號；8)模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊9將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，進(jìn)入信號處理和顯示模塊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Ap=1549. 54nm。當(dāng)傳感光纖光柵6受到外在壓力的影響,會使線雙折射發(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)線偏振檢測模塊8檢測出偏振參量的變化，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊9,在信號處理和顯不模塊10中實(shí)時顯不歸一化第一斯托科斯參量數(shù)值，實(shí)時監(jiān)測所受壓力的大小。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)時壓力傳感方法，其特征是該實(shí)時壓力傳感方法基于一個實(shí)時壓力傳感器，該實(shí)時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)、偏振檢測模塊(8)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(9)、信號處理和顯示單元(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)入在線偏振檢測模塊(8)，從檢測模塊輸出四路包含偏振信息的模擬電壓信號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轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，進(jìn)入信號處理和顯示模塊(10)，經(jīng)過信號處理從模擬電壓信號V1, V2, V3, V4中得到反射光偏振態(tài)的四個斯托克斯參量Stl, S1, S2, S3以及其它偏振相關(guān)參量，通過實(shí)時監(jiān)測歸一化第一斯托克斯參量數(shù)值S1=S1Z^，對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；通過在線偏振檢測模塊(8)檢測歸一化第一斯托克斯參量即可對外加壓力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。
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)時壓力傳感方法，其特征在于采用固定波長點(diǎn)實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測；可調(diào)諧激光器(I)發(fā)出的激光波長位于光纖光柵(6)中心波長兩邊的通帶內(nèi)，不同波長點(diǎn)的選擇帶來不同靈敏度、動態(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)時壓力傳感方法，其特征在于所述的光纖光柵(6)，改變其長度、折射率調(diào)制系數(shù)，用以調(diào)節(jié)壓力測量的靈敏度和動態(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)入在線偏振檢測模塊(8)，輸出四路包含偏振信息的模擬電壓信號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轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，進(jìn)入信號處理和顯示模塊(10)，得到反射光偏振態(tài)的四個斯托克斯參量S0，S1,S2,S3以及其它偏振相關(guān)參量，通過實(shí)時監(jiān)測歸一化第一斯托克斯參量s1=S1/S0數(shù)值對傳感光纖光柵上所受壓力進(jìn)行傳感。
文檔編號G01L1/24GK102706494SQ20121018485
公開日2012年10月3日 申請日期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 申請人:中國人民解放軍理工大學(xué)