CN107843273A - 一种光纤环传感系统及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤环传感系统及实现方法。光纤环传感系统包括脉冲光源、至少一个光纤环、至少一个传感头和数据处理装置；传感头设置在光纤环的预设位置，脉冲光源与光纤环输入端耦合连接，光纤环输出端与数据处理装置连接；数据处理装置用于接收和处理光纤环的输出信号，并输出测量结果。本发明实施例的技术方案，通过测量脉冲激光在光纤环循环的衰荡信号，解决了传统强度型光纤传感器容易受光源稳定性的影响的问题，达到了高精度、高灵敏度的压力、温度等的测量的效果。
Description
技术领域
本发明实施例涉及光纤传感技术，尤其涉及一种光纤环传感系统及实现方法。
背景技术
光纤传感技术是20世纪70年代随着光纤技术的发展而迅速发展起来的一项技术，与传统机械与电气类传感器相比，光纤传感器具有结构简单、灵敏度高、不受电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀、体积小、成本低等许多优点，现已在国防军事、航空航天、石油化工、电力工业等各个领域得到了广泛的应用。
光纤传感技术的基本原理是利用物理或化学效应调制光纤的传输特性，引起光纤中光波的强度、相位、频率、偏振态等物理量的变化，通过测量这些物理量的变化反映出所测物理量变化情况。其中强度型光纤传感器因其结构简单、成本低等突出优点，得到了广泛的研究，但传统强度型光纤传感器容易受光源稳定性的影响，限制了此类光纤传感器的推广和应用。
本发明实施例提供一种光纤环传感系统，相对于传统强度型光纤传感器，具有不受光源功率稳定性影响、实时性好、易于复用、灵敏度高等优点。
发明内容
本发明提供一种光纤环传感系统，具有不受光源功率稳定性影响、实时性好、易于复用、灵敏度高等优点，以实现高精度、高灵敏度的压力、温度等的测量。
第一方面，本发明实施例提一种光纤环传感系统，包括脉冲光源、至少一个光纤环、至少一个传感头和数据处理装置；
所述传感头设置在所述光纤环的预设位置，所述脉冲光源与所述光纤环输入端耦合连接，所述光纤环输出端与所述数据处理装置连接；
所述数据处理装置用于接收和处理所述光纤环的输出信号，并输出测量结果。
进一步的，所述脉冲光源为主动锁模或被动锁模激光器。
进一步的，所述脉冲光源为主动锁模或被动锁模光纤激光器。
进一步的，所述脉冲光源的工作波长为1520-1590nm。
进一步的，所述脉冲光源输出的脉冲宽度与光速的乘积小于所述光纤环长度的1/50。
进一步的，所述光纤环包括第一光纤分束器OC1、第二光纤分束器OC2；所述OC1的输入端与所述OC2的输入端连接，所述OC1的第一输出端与所述OC2的第一输出端连接，所述OC1的第二输出端与所述OC2的第二输出端分别作为所述光纤环的输入端与输出端。
进一步的，所述OC1与所述OC2相同，都为分光比大于90：10的单端输入双端输出光纤分束器。
进一步的，所述数据处理装置包括光电探测器、示波器和计算机；
所述光电探测器用于将所述光纤环输出的光信号转换成电信号；
所述示波器用于采集所述电信号，并生成数据；
所述计算机用于分析处理所述数据，并输出测量结果。
进一步的，所述传感头为光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅、法布里-珀罗光纤腔、光纤微弯器、单模光纤中的一种。
第二方面，本发明实施例还提供了一种光纤环传感系统实现方法，所述方法包括：
一束脉冲激光从脉冲光源产生，入射进光纤环；
所述脉冲激光在所述光纤环多次循环产生脉冲衰荡信号；
部分所述脉冲衰荡信号由所述光纤环输出端输出，并被数据处理装置采集并输出结果。
附图说明
图1是本发明实施例一中的光纤环传感系统结构示意图；
图2是本发明实施例一中的光纤环输出脉冲衰荡示意图；
图3是本发明实施例一中的光纤环结构示意图；
图4是本发明实施例二中的光纤环传感系统实现方法流程示意图；
图5是本发明实施例三中的光纤环传感系统测量压力的结构示意图；
图6是本发明实施例三中的压力测量结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的光纤环传感系统结构示意图，该传感系统包括脉冲光源110、至少一个光纤环120、至少一个传感头130和数据处理装置140；
传感头130设置在光纤环120的预设位置，脉冲光源110与光纤环120输入端耦合连接，光纤环120输出端与数据处理装置140连接；
数据处理装置140用于接收和处理光纤环120的输出信号，并输出测量结果。
其中，脉冲光源110可以为脉冲激光器，用于输出脉冲激光。光纤环120可以由两个光纤分束器形成，且包括输入端和输出端，脉冲激光从光纤环120的输入端输入到光纤环120，由于脉冲激光每在光纤环120中循环一次传输都会产生一个固定衰减，多次循环会形成指数衰减，即脉冲激光在光纤环120中产生衰荡信号，如图2所示为光纤环120输出脉冲衰荡的示意图。传感头130设置在光纤环120的预设位置处，传感头130和光纤环120形成光纤环传感系统的传感器结构，当传感头130受到例如压力等待测物理量作用时，会给光纤环120带来附加损耗，进而使光纤环120输出端输出的衰荡信号发生变化，数据处理装置140连接光纤环120的输出端，可以接收输出的光信号，采集数据并输出待测量物理量的结果。
本实施例的技术方案，通过测量脉冲激光在光纤环循环的衰荡信号，解决了传统强度型光纤传感器容易受光源稳定性的影响的问题，达到了高精度、高灵敏度的压力、温度等的测量的效果。
进一步的，脉冲光源110可以是主动锁模或被动锁模激光器。优选的，脉冲光源可以在主动锁模或被动锁模光纤激光器，用主动锁模或被动锁模光纤激光器的好处在于可以更方便地将脉冲激光耦合进入光纤环120。
可以理解的是，主动锁模可以用电光调制或声光调制等方式实现，被动锁模可以利用非线性偏振旋转、半导体可饱和吸收镜、石墨烯、碳纳米管等常用的锁模原理实现，本领域技术人员可以根据条件灵活选择。
进一步的，脉冲光源110的工作波长可以为1520-1590nm。
可以理解的是，形成光纤环120所用的光纤可以使用通信用普通单模光纤，激光器可以选用掺铒光纤激光器，其在1520-1590nm范围内有较大增益，且此波长范围的激光在光纤中固有损耗较小。
进一步的，脉冲光源110输出的脉冲宽度与光速的乘积小于光纤环120长度的1/50。
可以理解的是，脉冲宽度指的是脉冲激光在时域上的持续时间，光速指的是光在光纤中传播的速度。脉冲宽度必须小于激光在光纤环120循环一周的时间，才能避免脉冲之间的干扰，优选的，脉冲宽度的乘积小于光纤环长度的1/50。举例来说，假如脉冲宽度为1ns，由于光纤中的光速约为2×108m/s，则光纤环的长度应该大于10m。
进一步的，光纤环120包括第一光纤分束器OC1、第二光纤分束器OC2；OC1的输入端与OC2的输入端连接，OC1的第一输出端与OC2的第一输出端连接，OC1的第二输出端与OC2的第二输出端分别作为光纤环的输入端与输出端。
优选的，OC1与OC2相同，都为分光比大于90：10的单端输入双端输出光纤分束器。
图3所示为光纤环120结构示意图，光纤环120的预设位置处设置有传感头130。可以理解的是，为了使光纤环120长度满足要求，可以在OC1和OC2之间增加单模光纤，即能做出任意长度满足实验条件的光纤环120。OC1和OC2也可以为双端输入双端输出光纤分路器，使用时两个光纤分束器各有一端闲置。为了减小光纤环120的固有损耗，OC1和OC2优选分光比大于90：10。
进一步的，数据处理装置140包括光电探测器、示波器和计算机；光电探测器用于将光纤环120输出的光信号转换成电信号；示波器用于采集电信号，并生成数据；计算机用于分析处理所述数据，并输出测量结果。
可以理解的是，光纤环120的输出端连接到光电探测器，光电探测器可以是铟镓砷光电探测器，将接收到的光信号转换为电信号并经数据线传到示波器，示波器可以是数字示波器，计算机可以通过USB与示波器连接，用于处理示波器采集的数据，例如可以通过LabVIEW实时采集并输出测量结果。
进一步的，传感头130为光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅、法布里-珀罗光纤腔、光纤微弯器、单模光纤中的一种。
可以理解的是，光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅、法布里-珀罗光纤腔都是光纤器件，可以直接接入光纤环120中，光纤微弯器包含两个齿形结构，夹持光纤环120预设位置，单模光纤本身对外界待测物理量较敏感，也可以作为传感头。
本发明实施例通过测量脉冲激光在光纤环循环的衰荡信号，解决了统强度型光纤传感器容易受光源稳定性的影响的问题，达到了高精度、高灵敏度的压力、温度等的测量的效果。
实施例二
图4为本发明实施例二提供的光纤环传感系统实现方法中的流程示意图，该方法包括：
步骤210、一束脉冲激光从脉冲光源产生，入射进光纤环。
其中，脉冲激光由脉冲光源产生，脉冲光源可以为主动锁模或被动锁模光纤激光器，输出的脉冲激光由光纤环的输入端耦合进入光纤环。
步骤220、脉冲激光在光纤环多次循环产生脉冲衰荡信号。
其中，由于脉冲激光在光纤环内传输时会发生衰减，多次循环之后会形成呈指数分布的衰荡信号。
步骤230、部分脉冲衰荡信号由光纤环输出端输出，并被数据处理装置采集并输出结果。
数据处理装置可以包括光电探测器、示波器和计算机；光电探测器用于将光纤环输出的光信号转换成电信号；示波器用于采集电信号，并生成数据；计算机用于分析处理所述数据，并输出测量结果。
可以理解的是，光纤环的输出端连接到光电探测器，光电探测器可以是铟镓砷光电探测器，将接收到的光信号转换为电信号并经数据线传到示波器，示波器可以是数字示波器，计算机可以通过USB与示波器连接，用于处理示波器采集的数据，例如可以通过LabVIEW实时采集并输出测量结果。
光纤环衰荡的过程可以用如下原理描述：
根据朗珀-比尔公式，脉冲激光在光纤环内强度变化规律满足如下公式：
其中，I表示脉冲激光在t时刻的强度；L表示光纤环的长度；c表示光在真空中的速度；n表示纤芯的有效折射率；A表示光纤环的总损耗，包含光纤的吸收损耗、耦合器插入损耗和连接损耗及散射损耗，可以由下式表示：
A＝α2L+E+β (2)
其中，α2表示单位长度光纤吸收系数；E表示光纤环中的插入损耗与连接损耗；β表示光纤的散射损耗；
由(1)积分可得：
当I衰减为I0的1/e时，定义为初始状态的衰荡时间τ0，可以用下式表示：
当待测物理量施加在传感头上时，引起光纤环附加损耗为B，衰荡时间满足下式：
由公式(4)和(5)可得：
由公式(6)可知，衰荡时间的倒数与光纤环附加损耗具有线性关系，测量出衰荡时间即可得出光纤环附加损耗，进而得出待测物理量。
本实施例的技术方案，通过测量脉冲激光在光纤环循环的衰荡信号，解决了统强度型光纤传感器容易受光源稳定性的影响的问题，达到了高精度、高灵敏度的压力、温度等的测量的效果。
实施例三
图5所示为本发明实施例三提供的光纤环传感系统测量压力的结构示意图，本实施例可以以上述实施例为基础，提供了一种优选实例。
参考图5，本发明实施例提供的光纤环传感系统包含脉冲光源110、光纤环120、传感头130和数据处理装置140。
其中，脉冲光源110为基于非线性偏振旋转锁模原理的掺铒光纤脉冲激光器，其基本原理为：半导体激光器(LD)产生的980nm的泵浦光通过波分复用器(WDM)泵浦6.5m长的掺铒光纤(EDF)，然后进入1km长的单模光纤中，光经过输出耦合器(OC3)时，10％的光输出，90％的光在腔内循环，偏振控制器(PC)调节光的偏振态，偏振相关隔离器(PS-ISO)保证光纤中光的单向传输，且PC和PS-ISO起到等效可饱和吸收体的作用产生飞秒级锁模脉冲输入到光纤环120中。
光纤环120包括两个分光比为95：5的光纤分束器OC1和OC2，其形成方式与上述实施例相同，本实施例中光纤环长度为25m。
传感头130利用光纤微弯器。
数据处理装置140包括光电探测器PD、示波器OSC和计算机Computer；PD用于将光纤环120输出的光信号转换成电信号；OSC用于采集电信号，并生成数据；Computer用于分析处理所述数据，并输出测量结果。
给传感头130施加不同的压力P，会引起衰荡信号的变化，衰荡时间与施加压力的关系为：
其中τ和τ0分别表示施加压力前后的衰荡时间；k表示比例系数。
图6所示为本实施例测量的压力结果，(a)为不同压力下的衰荡曲线，拟合(1/τ-1/τ0)和压力的线性关系如图6(b)所示，根据式(7)可得(1/τ-1/τ0)与压力的关系为：
由图6(b)可知(1/τ-1/τ0)与P具有良好的线性关系(R2＝0.99736)，且由式(8)可知传感器灵敏度为0.00998/(μs·kPa)。
本实施例的技术方案，测量脉冲激光在光纤环循环的衰荡信号，解决了统强度型光纤传感器容易受光源稳定性的影响的问题，达到了高精度、高灵敏度的压力测量的效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种光纤环传感系统，其特征在于，包括脉冲光源、至少一个光纤环、至少一个传感头和数据处理装置；
所述传感头设置在所述光纤环的预设位置，所述脉冲光源与所述光纤环输入端耦合连接，所述光纤环输出端与所述数据处理装置连接；
所述数据处理装置用于接收和处理所述光纤环的输出信号，并输出测量结果。
2.根据权利要求1所述的光纤环传感系统，其特征在于，所述脉冲光源为主动锁模或被动锁模激光器。
3.根据权利要求1所述的光纤环传感系统，其特征在于，所述脉冲光源为主动锁模或被动锁模光纤激光器。
4.根据权利要求3所述的光纤环传感系统，其特征在于，所述脉冲光源的工作波长为1520-1590nm。
5.根据权利要求1所述的光纤环传感系统，其特征在于，所述脉冲光源输出的脉冲宽度与光速的乘积小于所述光纤环长度的1/50。
6.根据权利要求1所述的光纤环传感系统，其特征在于，所述光纤环包括第一光纤分束器OC1、第二光纤分束器OC2；所述OC1的输入端与所述OC2的输入端连接，所述OC1的第一输出端与所述OC2的第一输出端连接，所述OC1的第二输出端与所述OC2的第二输出端分别作为所述光纤环的输入端与输出端。
7.根据权利要求6所述的光纤环传感系统，其特征在于，所述OC1与所述OC2相同，都为分光比大于90：10的单端输入双端输出光纤分束器。
8.根据权利要求1所述的光纤环传感系统，其特征在于，所述数据处理装置包括光电探测器、示波器和计算机；
所述光电探测器用于将所述光纤环输出的光信号转换成电信号；
所述示波器用于采集所述电信号，并生成数据；
所述计算机用于分析处理所述数据，并输出测量结果。
9.根据权利要求1所述的光纤环传感系统，其特征在于，所述传感头为光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅、法布里-珀罗光纤腔、光纤微弯器、单模光纤中的一种。
10.一种光纤环传感系统实现方法，其特征在于，所述方法包括：
一束脉冲激光从脉冲光源产生，入射进光纤环；
所述脉冲激光在所述光纤环多次循环产生脉冲衰荡信号；
部分所述脉冲衰荡信号由所述光纤环输出端输出，并被数据处理装置采集并输出结果。
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