基于窄帶光源和濾波特性可調元件的光學傳感器及其方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種光學傳感器。特別是涉及一種基于窄帶光源和濾波特性可調元件的光學傳感器及其方法。
【背景技術】
[0002]作為21世紀科技發展支柱技術的信息技術是建立在傳感器、通信、計算機等相關技術基礎之上。其中，傳感器是信息數據采集不可或缺的工具，其也是物聯網中的核心部件。雖然傳統的機械、化學等傳感器技術相對成熟，但是其存在精度低、易受干擾等不足。光學傳感器憑借其優良的性能在許多領域可以替代傳統傳感器并且可以拓展傳感器使用的領域。比如光學傳感器既可用于常規傳感如監測電力系統的電流、電壓、電磁等重要參數，又可以用于復雜的實測地點如水下探測、航空監測以及輻射檢測等。光學傳感器可采用低電壓電源供電甚至無源系統，使其尤為適用于安全防爆措施要求嚴格的檢測現場。此外，結合無線和(或)有線數據傳輸，還可實現基于光學傳感器的遠程多點實時測控。
[0003]目前基于具有頻譜諧振特性的光學傳感元件的光學傳感器系統一般包括一個波長可調光源或寬帶光源，一個具有頻譜諧振特性的光學傳感元件和一個光譜儀，如K.DeVosj 1.BartolozzijE.Schachtj P.Bienstmanj and R.Baetsj^Si I icon-on-1nsuIatormicroring resonator forsensitive and label-free b1sensing,〃0pt.Express15，7610-7615(2007)。光譜儀可以測量出頻譜諧振特性的變化從而提取出待傳感的信息量。這種方案需要使用價格昂貴且設備復雜的光譜儀，其測量精度和準確度依賴于光源和光譜儀的分辨率、精度和穩定度。這些要求顯著增加了傳感器的復雜度和成本，降低了可靠性和便攜性。
[0004]另一種光學傳感器方案使用寬譜光源，一個可以將不同波長區分開(色散)的光柵解復用器，和一個光探測器陣列，如“一種基于無源諧振腔和光柵解復用器級聯光波導傳感器”，專利號:2011205416922。所述的光柵解復用器和探測器陣列中任意一個探測器組成一個帶通濾波器，通過不同探測器所檢測光信號的變化提取出待傳感的信號量。基于這種方案的光學傳感器的測量精度主要取決于光柵解復用器的色散的分辨率、精度和穩定度，而光柵解復用器的色散精度和穩定度在實際制備中易受制造工藝精度影響，在使用過程中易受到外界環境波動如溫度變化等的影響。這些影響降低了方案的實用性和傳感器的可靠性。此外，這種方案需要大量使用光探測器，又增加了傳感器的成本和功耗。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠通過避免使用昂貴的光譜儀、波長可調光源以及光探測器陣列，有效降低傳感器的成本和傳感系統復雜程度的基于窄帶光源和濾波特性可調元件的光學傳感器及其方法。
[0006]本發明所采用的技術方案是:一種基于窄帶光源和濾波特性可調元件的光學傳感器，包括有窄帶光源，所述的窄帶光源的出射光連接濾波特性可調的光學傳感元件，所述光學傳感元件的調控輸入端連接用于調控光學傳感元件頻譜濾波特性的調控元件，所述光學傳感元件的輸出端連接光探測器，所述調控元件和光探測器還分別連接信號處理和控制元件。
[0007]所述的光學傳感元件具有帶通濾波特性、帶阻濾波特性、高通濾波特性、低通濾波特性和全通濾波特性中的至少一個。
[0008]所述的光學傳感元件是表面等離子波諧振結構、光柵結構、有限脈沖響應濾波器、無限脈沖響應濾波器、僅改變信號相位關系的全通濾波器和在一設定頻域改變透光率或吸光度的濾波器的光學結構中的至少一個。
[0009]所述的光探測器是能夠測量光信號的功率、相位和偏振信息中的至少一個信息量的光探測器。
[0010]所述的調控元件是通過熱光、聲光、電光、光光、磁光和機械光效應中的至少一種光學效應來改變光學傳感元件的頻譜濾波特性。
[0011]所述的光學傳感元件包括有接收窄帶光源發出的窄帶光的母線光波導，位于母線光波導一側的耦合接收母線光波導內傳輸光的環狀光波導諧振腔，以所述環狀光波導諧振腔為載體的光傳感介質材料，用于調控光學傳感元件的頻譜濾波特性的調控元件位于所述的環狀光波導諧振腔的外側。
[0012]所述的光傳感介質材料是材料本身的光學性質隨物理生化效應發生相應的改變，所述物理生化效應包括有壓力、應力、速度、加速度、流量、流速、溫度、濕度、氣體、液體、生物試劑、聲、光、電、電磁場和福射效應中的至少一個，所述光傳感介質材料的可變的光學性質為折射率、光吸收率、極化，發光強度和偏振相關的量度參數中的至少一個。
[0013]所述的光學傳感元件包括有干涉儀和設置在所述干涉儀內的光傳感介質材料，其中，所述的干涉儀是由接收窄帶光源發出的窄帶光的第一光分路器或光合并器和與所述第一光分路器或光合并器所分出的兩路光對接的第二光分路器或光合并器，所述第二光分路器或光合并器的出射光連接光探測器，所述光傳感介質材料設置在第一光分路器或光合并器和第二光分路器或光合并器對接的一條光路上，用于調控光學傳感元件的頻譜濾波特性的調控元件設置在第一光分路器或光合并器和第二光分路器或光合并器對接的另一條光路上，所述的光傳感介質材料是材料本身的光學性質隨物理生化效應發生相應的改變，所述物理生化效應包括有壓力、應力、速度、加速度、流量、流速、溫度、濕度、氣體、液體、生物試劑、聲、光、電、電磁場和福射效應中的至少一個，所述光傳感介質材料的可變的光學性質為折射率、光吸收率、極化，發光強度和偏振相關的量度參數中的至少一個。
[0014]所述的窄帶光源，是激光光源或非相干光源，或是頻譜寬帶光源和頻域帶通濾波器的疊加而成的窄帶光源；或是有限個窄帶光源的組合。
[0015]—種基于窄帶光源和濾波特性可調元件的光學傳感器的傳感方法，包括如下步驟:
[0016]I)啟動光學傳感器的各個部件，包括光源、具有頻譜濾波特性且濾波特性可調的光學傳感元件、調控元件、光探測器和信號處理和控制元件；
[0017]2)施加待傳感的信號量前，調控元件在信號處理和控制元件的監控下，在設定值域范圍內漸進的改變調控元件的光學效應調控參數，光探測器測量光學傳感元件受調控元件調控后的出射光信號信息，信號處理和控制元件記錄下調控元件的光學效應調控參數和光探測器測量得到的相對應的出射光信號信息；
[0018]3)施加待傳感的信號量后，待傳感的信號量引發的物理生化效應改變以光學傳感元件為載體的光傳感介質材料的光學性質，進而改變光學傳感元件的包括頻譜濾波特性在內的光學性質；
[0019]4)待傳感的信號量與光傳感介質材料發生引發光學傳感元件的頻譜濾波特性改變的物理生化效應后，調控元件在信號處理和控制元件的監控下，再次在設定值域范圍內漸進的改變調控元件的光學效應調控參數，光探測器測量到光學傳感元件受調控元件調控后的出射光信號信息，信號處理和控制元件記錄下調控元件的光學效應調控參數和光探測器測量得到的相對應的出射光信號信息；
[0020]5)信號處理和控制元件比對并分析施加待傳感的信號量前后的兩次測量得到的光信號信息和調控參數的數據，提取出待傳感的信號量參數，完成傳感過程。
[0021]本發明的一種基于窄帶光源和濾波特性可調元件的光學傳感器及其方法，通過避免使用昂貴的光譜儀、波長可調光源以及光探測器陣列，有效降低傳感器的成本和傳感系統復雜程度。此外，本發明因為光學傳感元件的頻譜濾波特性可以被調節，所以無需對光源和光學傳感元件進行精確的校準，降低了制造工藝和操作環境對傳感元件精度和穩定度的影響，進一步提高了傳感器的可靠