一種基于光纖光柵斯托克斯參量的動態壓力檢測系統的制作方法
【專利摘要】一種基于光纖光柵斯托克斯參量的動態壓力檢測系統，它包括可調諧激光器、電動偏振控制器、傳感光纖光柵、偏振檢測模塊、信號處理模塊、反饋模塊和顯示單元，可調諧激光器發出一定波長的激光送入電動偏振控制器進入傳感光纖光柵，在線偏振檢測模塊采集從傳感光纖光柵中透射的光，輸出至信號處理模塊，得到透射光偏振態的三個斯托克斯參量，信號處理模塊反饋至電動偏振控制器調整入射光偏振態。本實用新型利用光纖光柵在外加壓力作用下產生線雙折射，導致透射光的三個參量發生變化，采用單波長源實現對動態壓力大小的實時傳感，克服了傳統系統不適合小壓力傳感的缺點，以及基于光柵偏振參量最大值傳感方法不適合于動態壓力傳感的缺點。
【專利說明】
一種基于光纖光柵斯托克斯參量的動態壓力檢測系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及為光纖傳感技術領域，尤其是一種利用光纖光柵透射光的斯托克斯參量對壓力進行實時監測的光纖傳感設備。
【背景技術】
[0002]當光纖受到外界環境(溫度、應力、磁場、壓力等)影響時，光纖中傳輸光的強度、相位、頻率、偏振態等參量會相應的發生變化。通過檢測傳輸光的這些參量便可獲知相應物理量的變化，這種技術稱為光纖傳感技術。
[0003]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，在光纖通信和光纖傳感領域中有著非常重要的應用，目前多數是利用波長偏移量進行溫度傳感和應力傳感。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致布拉格波長發生偏移，通過測量偏移量達到傳感的目的。
[0004]現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。而一般基于偏振參量的測量方法主要是通過檢測偏振參量譜在光柵阻帶波長范圍內的最大值，實時性較差。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型的目的是提供一種新穎的基于三個斯托克斯參量測量的、靈敏度和動態范圍可調節的動態壓力檢測系統。
[0006]本實用新型的技術方案是:
[0007]—種基于光纖光柵斯托克斯參量的動態壓力檢測系統，它包括可調諧激光器、電動偏振控制器、傳感光纖光柵、偏振檢測模塊、信號處理模塊、反饋模塊和顯示單元，所述的可調諧激光器發出一定波長的激光送入電動偏振控制器，電動偏振控制器輸出一定偏振態的光進入傳感光纖光柵，在線偏振檢測模塊采集從傳感光纖光柵中透射的光，在線偏振檢測模塊的信號輸出端與信號處理模塊的信號輸入端相連，得到透射光偏振態的三個斯托克斯參量sl，s2和s3，信號處理模塊的顯示信號端與顯示模塊的信號輸入端相連，同時信號處理模塊的反饋信號輸出端與反饋模塊的信號輸入端相連，反饋模塊的信號輸出端與電動偏振控制器的對應信號輸入端相連，用于調整入射光偏振態。
[0008]本實用新型的可調諧激光器和電動偏振控制器之間串接光隔離器，所述的光隔離器用于隔離并減少傳感光纖光柵和各光器件接頭上的反射信號的影響。
[0009]本實用新型的傳感光纖光柵的長度、折射率調制系數均可調，長度范圍是5毫米到5厘米，折射率調制系數由光纖光柵制作過程的曝光時間確定。
[0010]本實用新型的有益效果:
[0011]本實用新型利用光纖光柵在外加壓力作用下產生線雙折射，導致透射光的三個斯托克斯參量發生變化，采用單波長源實現對動態壓力大小的實時傳感，同時靈敏度和動態范圍均可進行調節，三個斯托克斯參量值之間性能可以互補。克服了傳統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，以及基于光柵偏振參量最大值傳感方法不適合于動態壓力傳感的缺點。
【附圖說明】
[0012]圖Ι-a是本實用新型提供的一種基于光纖光柵透射光斯托克斯參量的動態壓力傳感器結構圖。
[0013]圖Ι-b是波長點選擇方案示意圖。
[0014]圖2是實例I中的第一，二、三斯托科斯參量(S1，S#PS3)與外加壓力的關系曲線。壓力范圍[0-20N]。光柵參數:光柵周期Λ =535nm，光纖纖芯折射率neff=1.448，長度L =1mm，折射率調制系數δη = I X 10—4，波長點位于透射譜阻帶內，λ = 1549.3nm，入射光偏振態為45°的線偏振光。
[0015]圖3是實例2中的第一，二、三斯托科斯參量變化量(AS1，As2As3)與外加壓力的關系曲線。光柵參數:光柵周期Λ =535nm，光纖纖芯折射率neff = l.448，長度L = 20mm，折射率調制系數δη= I X 10—4，可調諧激光器波長λ= 1549.3nm，入射線偏振光的起偏角分別為30。，45。和60° ο
[0016]圖4是實例3中第一，二、三斯托科斯參量(S1，82和83)隨外在動態壓力的實驗變化曲線。光柵參數:長度L= 10mm，中心波長1550.06nm，最大插入損耗9dB。可調諧激光器波長λ= 1549.7nm。初始入射偏振態(0.541,0.244,0.822)。振動源振動周期4.5ms，頻率約222Hz。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。
[0018]如圖Ι-a所示，一種基于光纖光柵斯托克斯參量的動態壓力檢測系統，它包括可調諧激光器、電動偏振控制器、傳感光纖光柵、偏振檢測模塊、信號處理模塊、反饋模塊和顯不單元，所述的可調諧激光器發出一定波長的激光送入電動偏振控制器，電動偏振控制器輸出一定偏振態的光進入傳感光纖光柵，在線偏振檢測模塊采集從傳感光纖光柵中透射的光，在線偏振檢測模塊的信號輸出端與信號處理模塊的信號輸入端相連，得到透射光偏振態的三個斯托克斯參量si，s2和s3，信號處理模塊的顯示信號端與顯示模塊的信號輸入端相連，同時信號處理模塊的反饋信號輸出端與反饋模塊的信號輸入端相連，反饋模塊的信號輸出端與電動偏振控制器的對應信號輸入端相連，用于調整入射光偏振態。
[0019]具體檢測步驟如下:
[0020]制作光纖光柵，測量其反射譜，在通帶附近選擇測量波長λρ;
[0021]可調諧激光器I發出波長為λρ的激光經過隔離器2進入電動偏振控制器3;
[0022]電動偏振控制器3連接傳感光纖光柵4;
[0023]線偏振檢測模塊5和信號處理模塊6中測量出的偏振態數據通過反饋模塊7控制電動偏振控制器3，從而將入射光偏振態調整到目標態；
[0024]加載在傳感光纖光柵4上的外在壓力導致透射光的三個斯托科斯參量發生變化；
[0025]透射光輸出進入在線偏振檢測模塊5，輸出模擬電壓信號；
[0026]信號處理模塊6將模擬電壓轉換成三個斯托克斯參量，存儲并顯示在顯示模塊8上，實時監測壓力大小。
[0027]【實例I】設計光柵參數:周期Λ=535nm，光纖纖芯折射率neff=1.448，長度L =10_，折射率調制系數δη = 1 X 10—4。通過反饋模塊7調整電動偏振控制器3使入射光偏振態為45°的線偏振光。選擇可調諧激光器波長λ=1549.3ηπι。當傳感光纖光柵4受到外在壓力的影響，會使線雙折射發生變化，從而導致透射光的三個斯托科斯參量發生變化。透射光經在線檢偏模塊5檢測出偏振參量的變化，經過信號處理模塊6，在顯示模塊8中顯示三個斯托科斯參量數值，實時監測所受動態壓力。在此例中，三個斯托科斯參量與外在壓力的理論關系如圖2所示，其中S1動態范圍約為0-5Ν，靈敏度約為0.129/No 82在2-8~之間有較好的線性，靈敏度約為0.227/N，在11-18N之間單調遞增，靈敏度為約0.159/IS3在0-3N之間線性靈敏度為0.225/N，在6-12N之間線性變化靈敏度約為0.187/N。
[0028]【實例2】設計光柵參數:周期Λ=535nm，光纖纖芯折射率Iieff=1.448，長度20mm，折射率調制系數δη=1 X10—4。調整電動偏振控制器3選擇多個入射線偏振角度，分別為30°，45°和60°。在此例中，三個斯托科斯參量變化量在不同入射偏振態下與外在壓力的理論關系如圖3所示，三個斯托科斯參量的靈敏度、動態范圍、線性度均隨入射角的不同而變化。
[0029]【實例3】實際光柵參數:長度L=1mm,中心波長1550.06nm，最大插入損耗9dB。可調諧激光器波長λ= 1549.7nm。初始入射偏振態(0.541,0.244,0.822)。在此例中，壓在光柵上的振動源振動周期4.5ms，頻率約222Hz。在此例中，監測到得三個斯托科斯參量隨動態壓力變化如圖4所示，三個斯托克斯參量均對動態壓力有較好響應。
[0030]本實用新型未涉及部分均與現有技術相同或可采用現有技術加以實現。
【主權項】
1.一種基于光纖光柵斯托克斯參量的動態壓力檢測系統，其特征是它包括可調諧激光器(I)、電動偏振控制器(3)、傳感光纖光柵(4)、偏振檢測模塊(5)、信號處理模塊(6)、反饋模塊(7)和顯示單元(8)，所述的可調諧激光器(I)發出一定波長的激光送入電動偏振控制器(3)，電動偏振控制器(3)輸出一定偏振態的光進入傳感光纖光柵(4)，在線偏振檢測模塊(5)采集從傳感光纖光柵(4)中透射的光，在線偏振檢測模塊(5)的信號輸出端與信號處理模塊(6)的信號輸入端相連，得到透射光偏振態的三個斯托克斯參量si，s2和s3，信號處理模塊(6)的顯示信號端與顯示模塊(8)的信號輸入端相連，同時信號處理模塊(6)的反饋信號輸出端與反饋模塊(7)的信號輸入端相連，反饋模塊(7)的信號輸出端與電動偏振控制器(3)的對應信號輸入端相連，用于調整入射光偏振態。2.根據權利要求1所述的基于光纖光柵斯托克斯參量的動態壓力檢測系統，其特征是可調諧激光器(I)和電動偏振控制器(3)之間串接光隔離器(2)，所述的光隔離器(2)用于隔離并減少傳感光纖光柵(4)和各光器件接頭上的反射信號的影響。3.根據權利要求1所述的基于光纖光柵斯托克斯參量的動態壓力檢測系統，其特征是傳感光纖光柵(4)的長度、折射率調制系數均可調，長度范圍是5毫米到5厘米，折射率調制系數由光纖光柵制作過程的曝光時間確定。
【文檔編號】G01L1/24GK205538041SQ201620207898
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年3月17日
【發明人】蘇洋, 朱勇, 周華, 張寶富
【申請人】中國人民解放軍理工大學