CN100343637C - 基于sagnac干涉仪的光纤温度传感方法及其传感器 - Google Patents

Abstract

基于SAGNAC干涉仪的光纤温度传感方法及其传感器，将一小段(小于50mm)保偏光纤传感头加入采用Y波导调制器和宽谱光源的全保偏SAGNAC干涉仪的闭合光路中，通过保偏光纤与保偏光纤延迟环和Y波导调制器连接，在连接点，相连的保偏光纤的偏振主轴互相交成一设定角，从而形成了产生偏振非互易的条件，光路工作时，产生的偏振非互易相移与作用在传感头上的温度成线性比例关系，利用与闭环光纤陀螺检测技术相同的检测电路进行位相检测，可精确的测量这种相移，从而实现温度的测量。本发明利用SAGNAC干涉仪的互易性，可有很好的抗干扰能力；采用成熟先进的信号检测技术，可实现高精度：优于0.01℃，和大范围：-200℃～+400℃的温度测量。

Description

基于SAGNAC干涉仪的光纤温度传感方法及其传感器

技术领域

本发明涉及一种基于SAGNAC干涉仪的光纤温度传感方法及其传感器。

背景技术

SAGNAC干涉仪是一种典型的干涉仪，是所有光学陀螺的基本结构，当用光纤形成其光路并配上专用检测电路后，便成为光纤陀螺，有关光纤陀螺的原理和技术可参见Herve C.Lefever(法)的专著《The Fiber-Optic Gyroscope》或其中译本：张桂才、王魏，《光纤陀螺仪》，下文的相关论述都将以此为基础。图1为一种典型的SAGNAC干涉仪，宽谱光源1发出的宽谱光经光纤2到耦合器3再经光纤4进入Y波导调制器5，光经Y波导调制器5后被分成两路在光纤环7中沿相反的方向传输，光在光纤环中的传输时间为T(T＝nL/C，n为光纤的等效折射率，L为光纤环长度，C为真空中的光速)，这两路光再次在Y波导调制器5相遇并发生干涉，干涉光经光纤4、耦合器3、光纤9进入探测器10。探测器10的输出电压为：

                V＝k(1+cos(φ_s+φ_e))                      (1)

其中：k为与光强有关的常系数；φ_s为SAGNAC相移，φ_e为误差位相。检测电路13用于检测总相位φ_s+φ_e。在光纤陀螺中，检测电路采用一种闭环的检测技术实现位相的检测，通过方波调制、解调取得误差指示信号，通过改变数字阶梯波参数实现反馈，这已成为SAGNAC干涉仪位相检测的标准方法，其测量精度很高，已达到10^-5～10^-7rad的位相检测精度。在光纤陀螺中，有用的信号是φ_s，误差信号是φ_e，必须加以抑制，为此，在陀螺光路中使用了保偏光纤以保证在光路中只有一个设定的单偏振模式传播。

保偏光纤是利用波导的形状双折射或应力双折射来实现偏振保持的。现在广泛采用施加应力来实现双折射，即利用了一种热膨胀系数比石英大的附加材料在光纤中产生应力。光纤预制棒是通过把两个高浓度掺杂的石英棒(通常采用硼、磷或铝)放置在芯区的两边而制成。在高温下拉成光纤后，这两个高掺杂棒在冷却时收缩，但它们的热收缩量受到周围石英的影响，使高掺杂棒处于拉压力下，通过反作用使光传播所在的纤芯区产生应力：沿两个高掺杂棒的轴存在着一个拉应力作用，这个轴一般叫做慢轴；而沿与之正交的轴存在着一个压应力作用，这个轴一般叫做快轴。图2为三种最常用的保偏光纤的断面图，20为应力区，22为光纤芯，21为普通包层。在“熊猫”型光纤中，高掺杂棒是圆的；在“领结”型光纤中，高掺杂区域形状象领结；在椭圆型光纤中，应力包层是椭圆的。由于不同方向的应力不一样，导致光纤断面X和Y方向的等效折射率n_eqx，n_eqy不一样，其差为：

                        Δn_b＝n_eqx-n_eqy

其传输常数分别为：

${\mathrm{\β}}_x=\frac{2\mathrm{\π}{n}_{\mathrm{eqx}}}{\mathrm{\λ}}$

${\mathrm{\β}}_y=\frac{{2\mathrm{\πn}}_{\mathrm{eqy}}}{\mathrm{\λ}}$

λ为传输光波长，当这束光在保偏光纤中传播时，将激起两传输常数分别为β_x和β_y的传播模式，它们在光纤中的传输时，由于传输常数不一样，随着传输距离的增加，其位相差将增大，当这个位相差对应的光程差大于所用光源的相干长度时，这两个模式相干时将失去对比度，此时对应的传输光纤长度被定义为干涉仪相干长度。在光纤陀螺中要求只有一个偏振模式传播，尽管采用了保偏光纤以保证单偏振模式传输，但由于保偏光纤中存在缺陷，往往存在较多的模式偏振耦合，从而产生非互易相移，这种由保偏光纤偏振保持能力不理想产生的非互易被定义为偏振非互易(PNR)。这是影响光纤陀螺性能的重要误差源，由于PNR对光纤长度，应力区应力变化和偏振耦合系数都存在强的相关性，而这些参数对温度都很敏感，本发明中就是利用这种非互易的温度敏感性，通过设计特殊的参数和结构实现温度的传感。

发明内容

本发明的技术解决问题：提供一种能精确传感温度的基于SAGNAC干涉仪的光纤温度传感方法及其传感器。

本发明的技术解决方案是：基于SAGNAC干涉仪的光纤温度传感方法，其特征在于：将保偏光纤传感头加入采用Y波导调制器和宽谱光源的全保偏SAGNAC干涉仪的闭合光路中，通过保偏光纤与保偏光纤延迟环和Y波导调制器连接，在连接点，相连的保偏光纤的偏振主轴互相交成一设定角，当温度场作用在保偏光纤传感头时，在其中会产生的偏振非互易相移，这个相移与作用在保偏光纤传感头上的温度成线性比例关系，采用与光纤陀螺相同的位相检测电路测量这种由温度引起的相移，从而实现温度的测量。

采用上述方法实现的基于SAGNAC干涉仪的光纤温度传感器，其特征在于：它由宽谱光源、探测器，保偏光纤耦合器、Y波导调制器、保偏光纤延迟环、信号检测电路组成传感器的主体，和保偏光纤传感头通过保偏光纤相连形成全保偏的SAGNAC干涉仪的温度传感器组成，在与传光保偏光纤的连接点，相连的保偏光纤的偏振主轴互相交成一设定角。

本发明与现有技术相比具有的优点是：利用全保偏SAGNAC干涉仪的偏振非互易相移的温度敏感性实现温度的传感，同时采用成熟、通用的闭环光纤陀螺的位相检测技术进行信号检测，实现了温度的测量。由于SAGNAC干涉仪具有很好的互易性，因此这种方法具有很好的抗干扰能力；由于采用相位检测技术检测精度高且测量动态范围大、线性度好，因此本方法可实现高精度，优于0.01℃，和大范围：-200℃～+400℃的温度测量。

附图说明

图1为现有的光纤陀螺用SAGNAC干涉仪结构图；

图2为本发明采用的保偏光纤结构示意图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为本发明中相干偏振光传输路径示意图。

具体实施方式

如图3所示，本发明由宽谱光源25、耦合器27、Y波导调制器29、保偏光纤延迟环31、保偏光纤传感头33、探测器38和信号检测电路40组成基于SAGNAC干涉仪的光纤温度传感器。宽谱光源由超辐射二极管SLD，或发光二极管ELED，或宽带掺铒光源SFS及其驱动电路组成，光路中所有器件由保偏光纤连接，保偏光纤传感头33长度小于干涉仪的相干长度，本发明实施例中取保偏光纤传感头光纤长度＜50mm，它通过保偏光纤32和光纤35与保偏光纤延迟环31和Y波导调制器29相连，在两个连接点34a和34b，相连的两根光纤的偏振轴(即X轴或Y轴)互相交叉成一个角度θ且0°＜θ＜90°，优选可以为45°，这时效果最好。当通过接触或辐射，有温度场作用在保偏光纤传感头33上时，在SAGNAC干涉仪中将通过偏振非互易效应产生正比于温度的非互易位相变化，通过信号检测电路40测出这个位相变化，再乘一个系数便可得到测量的温度值。

本发明的温度传感器由两部分组成，第一部分为图3中方框内部分，它宽谱光源25、耦合器27、Y波导调制器29、保偏光纤延迟环31、探测器38和信号检测电路40组成，光学器件由保偏光纤26、28、30、36连接，电路部分由屏蔽电缆连接；第二部分为温度传感部分，由保偏光纤32、保偏光纤35及保偏光纤传感头33组成，保偏光纤传感头33通过保偏光纤32和35分别与保偏光纤延迟环31和Y波导调制器29连接，在两个连接点34a和34b，相连的两根光纤的偏振轴(即X轴或Y轴)互相交叉成一个角度θ且0°＜θ＜90°，优选可以为45°，保偏光纤32和保偏光纤35只起传光的作用，有温度作用时，只有保偏光纤传感头33会产生PNR相移，保偏光纤传感头33为通过采用施加应力来实现双折射的保偏光纤，其长度小于干涉仪的相干长度，本发明实施例中取保偏光纤传感头光纤长度＜50mm。

宽谱光源25由超辐射二极管SLD，或边发光二极管ELED，或宽带掺铒光源SFS及其驱动电路组成；耦合器27为普通的全保偏3dB耦合器；Y波导调制器29为光纤陀螺专用的Y波导调制器，在光路中起分、合光，起偏和位相调制的作用，点J为分支点，又为合光点；保偏光纤延迟环31由保偏光纤绕制而成，光纤长度根据成本和信号检测系统的要求而定，一般为100～500米，其绕制方式与线绕电阻的绕制方法一样，其绕制原则是保证光纤环围成的等效的闭合面积为零，从而保证由SAGNAC效应引入的位相为零；探测器38为普通的探测器组件；信号检测电路40采用闭环光纤陀螺信号检测电路，其输入为探测器38的输出，通过电缆39相连，调制信号通过电缆41加到Y波导调制器29上，通过数据线42输出为数字量，可以直接通过显示接口电路和显示器直接显示。也可通过任意的标准接口输出，一般采用标准232接口。

宽谱光源25发出的宽谱光经光纤26到耦合器27被一分为二，一部分再经光纤28进入Y波导调制器29，另一部分经光纤37从空头输出，光经Y波导调制器29后，在其分支点J再分两路并被起偏，其偏振方向与X轴平行，设为X轴偏振光，一路X偏振光沿顺时针方向传播，经光纤30、延迟光纤环31、光纤32通过节点34a进入传感头33，由于存在交叉角θ，X轴偏振光有一部分耦合进Y轴成为Y轴偏振光，X和Y轴偏振光在节点34b将再次发生模式耦合，即有一部分X轴偏振光耦合成为Y轴偏振光，一部分Y轴偏振光耦合成为X轴偏振光，这些光沿光纤35回到Y波导调制器29的合光点J；另一路X偏振光沿逆时针方向传播，将经历相同的光路和发生相同的偏振耦合并回到Y波导调制器29的合光点J并与顺时针传播的光发生干涉，此时Y波导调制器19为检偏器，它只允许X方向的偏振光通过并发生干涉。图4为相干偏振光在光路中的传输和演变情况，图中只画出了最终能发生干涉的光分量，即从J点出发，偏振方向为X，回到J点，偏振方向仍为X的光，共有4束，分别为顺时针传输的光束45、光束46和逆时针传输的光束47、光束48。设J点沿顺时针方向到34a点的距离为L₁，J点沿逆时针方向到34b点的距离为L₂。保偏光纤传感头的长度为L，则光束45、光束46、光束47、光束48经历的光程分别为：

$45:{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{xxx}}^{\mathrm{cw}}={\mathrm{\β}}_x{L}_1+{\mathrm{\β}}_{x}L+{\mathrm{\β}}_x{L}_2$

$46:{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{xyx}}^{\mathrm{cw}}={\mathrm{\β}}_x{L}_1+{\mathrm{\β}}_{y}L+{\mathrm{\β}}_x{L}_2$

$47:{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{xxx}}^{\mathrm{ccw}}={\mathrm{\β}}_x{L}_2+{\mathrm{\β}}_{x}L+{\mathrm{\β}}_x{L}_1$

$48:{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{xyx}}^{\mathrm{ccw}}={\mathrm{\β}}_x{L}_2+{\mathrm{\β}}_{y}L+{\mathrm{\β}}_x{L}_1$

可以看出，光束45和光束47、光束46和光束48所经历的光程相同，是互易的，对温度不敏感；而光束45和光束48、光束46和光束47所经历的光程不同，但其位相差相等，可被认为是一种情况，产生位相差的原因是光束46和光束48经历了长度为L的Y轴传播后又回到X轴，这就是PNR效应，产生的非互易相移为：

                 φ_e＝φ_xxx+φ_xyx＝L(β_x-β_y)

定义Δβ＝β_x-β_y上式应改写为：

                         φ_e＝L·Δβ

在保偏光纤中，Δβ在-200℃～+400℃的范围内与温度成反比，其系数约为10^-3，光纤长度与温度成正比，系数约为10^-6，设被测温度为T，Δβ和光纤长度的温度系数分别为C₁和C₂，传感头33保偏光纤在温度T₀时的长度为L₀，Δβ的初始值为Δβ₀，由上式有：

                 φ_e＝Δβ₀L₀[1+C₁(T-T₀)][1+C₂(T-T₀)]

忽略二阶小量和小系数，可得到温度T值：T＝A·φ_e+B

其中：A＝1/Δβ₀L₀C₁，B＝(C₁T₀-1)/C₁。

从上式可看出，PNR相移φ_e与温度成线性比例关系，当有温度场通过接触或辐射作用在传感头上时，在SAGNAC干涉仪中将产生比例于温度的非互易位相变化，通过信号检测电路40测出位相变化，通过线性变换便可得到测量的温度值。

Claims (8)

1、一种基于SAGNAC干涉仪的光纤温度传感方法，其特征在于：将保偏光纤传感头加入采用Y波导调制器和宽谱光源的全保偏SAGNAC干涉仪的闭合光路中，通过保偏光纤与保偏光纤延迟环和Y波导调制器连接，在连接点，相连的保偏光纤的偏振主轴互相交成一设定角，当温度场作用在保偏光纤传感头时，在其中会产生的偏振非互易相移，这个相移与作用在保偏光纤传感头上的温度成线性比例关系，采用与光纤陀螺相同的位相检测电路测量这种由温度引起的相移，从而实现温度的测量。

2、根据权利要求1所述的基于SAGNAC干涉仪的光纤温度传感方法，其特征在于：保偏光纤传感头为通过采用施加应力来实现双折射的保偏光纤，所述的保偏光纤传感头长度小于干涉仪的相干长度。

3、根据权利要求1所述的基于SAGNAC干涉仪的光纤温度传感方法，其特征在于：所述的设定角大于0°，小于90°。

4、根据权利要求1或3所述的基于SAGNAC干涉仪的光纤温度传感方法，其特征在于：所述的设定角为45°。

5、一种采用权利要求1所述方法实现的基于SAGNAC干涉仪的光纤温度传感器，其特征在于：它由宽谱光源、探测器，保偏光纤耦合器、Y波导调制器、保偏光纤延迟环、信号检测电路组成传感器的主体，和保偏光纤传感头通过保偏光纤相连形成全保偏的SAGNAC干涉仪的温度传感器组成，在与传光保偏光纤的连接点，相连的保偏光纤的偏振主轴互相交成一设定角。

6、根据权利要求5所述的基于SAGNAC干涉仪的光纤温度传感器，其特征在于：保偏光纤传感头为通过采用施加应力来实现双折射的保偏光纤，其长度小于干涉仪的相干长度。

7、根据权利要求5所述的基于SAGNAC干涉仪的光纤温度传感器，其特征在于：所述的设定角大于0°，小于90°。

8、根据权利要求5或7所述的基于SAGNAC干涉仪的光纤温度传感器，其特征在于：所述的设定角为45°。

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