CN100380099C - 光纤传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光纤传感器，主要采用纳米光栅偏振分束器将入射光分成偏振方向垂直的两束线偏振光，这两束偏振光分别经过一、两次反射后通过一个95%的反射镜，在反射镜的另一端分别用两个检测器单元接收5%的光强作为参考光，反射回来的两束偏振光分别经过两块不同的敏感材料，用于响应一个或者多个环境参量。本发明与传统的光纤传感器相比，这一结构能同时独立测试多个环境参量，不仅具有偏振型光纤传感器对环境参量敏感度高的特点，而且对敏感材料的选用和环境变化的解析将更加清晰。本发明不需要使用保偏光纤，所以抗干扰能力强，并具有体积小，结构简单，成本低等优点。

Description

光纤传感器
技术领域
本发明涉及一种光纤传感器，具体地说，涉及一种利用纳米光栅偏振分束器进行分束实现多个环境参量测量的方法和设备。
背景技术
随着密集波分复用技术、掺铒光纤放大器技术和光时分复用技术的发展和成熟，光纤通信技术正向着超高速、大容量的方向发展，并且逐步向全光网络演进。在光通信产业的迅猛发展带动下，对光纤传感器的研究成为应用热点领域。作为传感器家族中年轻的一员，与传统机电传感系统相比，由于具有电磁绝缘、高灵敏度、易复用、轻巧等卓越优势，为工业生产过程的环境监测提供了一种优良的手段。在检测过程中，通常将敏感元件嵌入被测构件机体和材料中，从而在构件或材料常规工作的同时实现对其安全运转、故障等的实时监控。而实际的工业应用中往往有多个环境参量希望得到同时的监测。
中国专利CN1331795A提出了一种技术方案，利用掺杂不同的两个保偏光纤对环境参量的响应不同实现对温度和应力的测量，保偏光纤由若干段光轴方向依次旋转的光纤熔接在一起组成，从而可以独立测量若干个环境参量。这种结构的缺点是结构较复杂，因而成本高，可靠性和稳定性也不理想。
成本是目前限制光纤传感器普及的一个重要因素，降低成本的实用化研究已成为一个热点和关键。
因此，需要一种既能够同时测量多个环境参量，例如电磁场特性、温度以及应力等，而且结构简单、成本低的传感器。
发明内容
本发明的目的是克服传统光纤传感器不能对多个环境参量进行测量、成本高等问题，提出一种成本低，结构简单，可进行多个环境参量的光纤传感器。
本发明的目的是这样实现的：一种光纤传感器，主要包括光源、光纤1、准直器2、透明玻璃4、纳米光栅偏振分束/合束器5、敏感材料6、反射器、检测器组件，其特征在于：光源发出的光经普通单模光纤、准直器、透明玻璃入射到纳米光栅偏振分束/合束器，被分成偏振方向相互垂直的两束偏振光(S、P)，其中一束S或P偏振光被反射，经过全反镜3又被反射回来，与另一束P或S偏振光一起传播到另一透明玻璃、反射器、敏感材料，敏感材料放置在两透明玻璃之间，检测器组件放置在相应位置分别检测S、P经敏感材料之前之后的光强或偏振态相位，再将检测的相关信息送到信号分析单元处理得出环境参量的变化量。所述反射器为90％、93％或95％的反射镜组件。
利用新型材料纳米光栅将入射红外激光分成偏振方向相互垂直的两束偏振光，分别经过不同的敏感材料，利用敏感材料的旋光特性、克尔效应或者光弹性效应等物理过程，对温度、电磁场以及应力环境参量进行探测。敏感材料为热光、电光、弹光或者旋光性材料，对温度、电压或者应力等敏感，可以响应多个环境参量。可以是铁磁材料，压电晶体等。
当偏振光经过光纤传输时，环境参量对光信号的相位(即强度、偏振态等，以相位为例)产生不同的影响，这一关系可以用下式表征：
Δp＝αpΔM+βpΔN
Δs＝αsΔM+βsΔN
其中Δp为p偏振光的相位变化，αp为p偏振光环境参量M的变化系数，βp为p偏振光环境参量N的变化系数；Δs为s偏振光的相位变化，αs为s偏振光环境参量M的变化系数，βs为s偏振光环境参量N的变化系数。由于本发明采用了两种不同的敏感材料，αp≠αs，βp≠βs，因此可以保证这个二元一次方程组有解。
探测器组件分别探测到p偏振光和s偏振光的相位变化Δp和Δs，并输送到智能处理单元经过编程处理计算出环境参量变化ΔM和ΔN。
由于纳米光栅对波长不敏感的特性，降低了对激光器的要求，也可以降低光纤传感器的成本。另外纳米光栅偏振分束器具有成本低廉、低插损以及高消光比等特性，可以保证这种光纤传感器具有高精度和高灵敏度。
本发明光纤传感器由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术光纤传感器相比，具有以下的优点和积极效果：
①采用两束偏振方向相互垂直的偏振光进入到传感元件中对多个环境参量进行响应。
②新型材料纳米光栅对入射非偏振光进行偏振分束，不仅可以降低光纤传感器成本，而且还提高了精度和灵敏度；
③在本发明中，因为不需要保偏光纤，所以抗干扰能力强，而且结构简化，成本低。目前保偏光纤与普通单模光纤在价格上相差3个数量级。
附图说明
图1-现有的偏振型光纤温度传感器；
图2-本发明结构示意图；
图3-本发明应用结构示意图；
图4-本发明另一应用结构示意图；
图5-本发明另一应用结构示意图；
图6-本发明的封装结构示意图；
图7-纳米光栅偏振分束/合束器结构图a；
图8-纳米光栅偏振分束/合束器结构图b；
图9-纳米光栅偏振分束示意图a；纳米光学晶体基片让非偏振入射光的P偏振光全反射，S偏振光全穿过。
图10-纳米光栅偏振分束示意图b；纳米光学晶体基片让非偏振入射光的S偏振光全反射，P偏振光全穿过。
图11a-纳米光栅对非偏振入射光p的散射特性曲线图；
图11b-纳米光栅对非偏振入射光s的散射特性曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明。
如图2所示，从激光器中出来的红外激光经过准直透镜后在透明玻璃4中无损耗的传播入射到纳米光栅偏振分束器5，被分成偏振方向相互垂直的两束偏振光，其中一束偏振光被反射，经过全反镜3又被反射回来，与另一束偏振光一起传播到透明玻璃4、95％反射镜组件7，之后分别进入到不同的敏感材料6。由于不同环境参量的变化分别引起不同的相位变化，若两束偏振光分别进入两个敏感材料时，多个环境参量引起的相位(强度，偏振态等)变化将会形成一个二元一次方程组。这些信息经过检测单元检测送到信号处理单元(如计算机)分析计算后，就可以分别得出这些环境参量的变化量。
另一种实施方案如图3所示，在两束偏振光同时进入左边两个准直器之前放置两块光栅取向相互垂直的人工纳米材料，将偏振变化转化为强度量记录下来。
本发明的精神还可以应用于测量材料的特性参量，如图4所示。当两束偏振光同时进入待测量的凝聚态或生化材料时，材料特性参量引起的强度，相位或偏振变化可以组成一个二元一次方程组。这些信息经过计算机分析计算后，可以分别得出这些特性参量。右边的两个探测器数据用来做强度，相位数据的校准。当该传感器需要进行相位测量时，激光器发出的光应该是脉冲或者调制信号。较一般的光纤传感器，这个设计可以提供的信息量丰富一倍。精度高，但结构简单。为了强化待测量的凝聚态或生化材料的偏振敏感特性(电极化特性)时，可以在待测量材料的东西向或者南北向加一个静态的或者交变电场，如图5所示。
图6所示为一种封装方式，阴影框中所有的内部单元都是无源组件，并被固定在精密配合的一个耐高温的外封装盒内；因此该传感器探头可应用于强电场，高温等各种恶劣环境。传感器探头与信号处理单元及光源/探测器等之间用一条多芯光缆连接。
实现这些结构的一个关键器件是纳米光栅偏振分束器，该器件偏振分光性能优异，两束偏振光的分光距离(Walk off)、角度可调范围大，如表所示。这一特性保证可以让两束偏振光以较大的分光距离分别经过第一种敏感材料和第二种敏感材料。
Figure C20041006082100061
它可以有以下两种结构：
1.如图7所示，厚的金属栅条(如金或者铝等)直接沉积在衬底(通常为二氧化硅等介质材料)表面上，形成的一种周期在亚微米量级的周期结构。由于等离子体偏振激发效应的作用，不同于平常的布拉格反射规律(对入射光波长敏感)，这种周期结构对入射光的偏振方向非常敏感，能将偏振方向垂直于金属栅条方向的偏振光完全反射(如图9P偏振光和如图10S偏振光)，偏振方向平行于金属栅条方向的偏振光则被透射(如图9S偏振光和如图10P偏振光)。这种结构具有插损小，消光比高，成本低廉等多种优点。缺点是引入金属栅条后会造成这种人工材料的表面十分脆弱。以前虽然已有人尝试在光栅上做保护膜，但保护膜在金属栅上附着太差。
2.如图8所示，将厚的金属栅条沉积在与衬底同质的介质周期结构的沟槽底部。这种结构的优点在于克服了图7结构的表面脆弱的缺点，将保护膜盖在介质表面。目前光迅已就这种结构申请了有关专利，图11a给出了这种结构对P光的散射系数-入射角度曲线图，图11b给出了这种结构对S光的散射系数-入射角度曲线图。

Claims (7)

1.一种光纤传感器，包括光源、光纤、准直器、透明玻璃、纳米光栅偏振分束/合束器、敏感材料、反射器、检测器组件，其特征在于：光源发出的光经光纤、准直器、透明玻璃入射到纳米光栅偏振分束/合束器，被分成偏振方向相互垂直的两束偏振光S和P，其中一束S或P偏振光被反射，经过全反镜又被反射回来，与另一束P或S偏振光一起传播到另一透明玻璃、反射器、敏感材料，这两种不同敏感材料放置在两透明玻璃之间，检测器组件放置在相应位置分别检测偏振光S、检测偏振光P经敏感材料之前之后的光强或偏振态相位，再将检测的相关信息送到信号分析单元处理得出两个环境参量的变化量。
2.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于：所述反射器为90％、93％或95％的反射镜组件。
3.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于：S、P偏振光所经过的敏感材料为两种不同的敏感材料，也就是说偏振光的环境参量变化系数不同。
4.根据权利要求1或2或3任意一项所述的光纤传感器，其特征在于：所述的纳米光栅偏振分束/合束器的结构为厚的金属栅条直接沉积在以二氧化硅介质为衬底的表面上，形成一种周期在亚微米量级的周期结构。
5.根据权利要求1或2或3任意一项所述的光纤传感器，其特征在于：所述的纳米光栅偏振分束/合束器的结构为厚的金属栅条沉积在与衬底同质的介质周期结构的沟槽底部，其上覆盖了一层与衬底同质的保护层。
6.根据权利要求4所述的光纤传感器，其特征在于：所述的纳米光栅偏振分束/合束器的分光距离在7-20mm之间，角度可调范围在5-25度。
7.根据权利要求5所述的光纤传感器，其特征在于：所述的纳米光栅偏振分束/合束器的分光距离在7-20mm之间，角度可调范围在5-25度。
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