CN101251427B - 全光纤偏振式压力测量方法及传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及全光纤偏振式压力测量方法及传感装置，属于光纤传感领域。该方法包括：测量光源发出的光变成一束线偏振光后，通过一根用作传感的光纤，并将通过光纤的光分成偏振态相互垂直的两束光；给光纤施加压力，使光纤产生和压力有关的双折射；分别测量两束光的光强；根据两束光强的变化，确定光纤上的压力的大小。本发明的方法引入了常规单模光纤作为传感体，采用光偏振分束器作为偏振特性元件，从而简化测量装置，降低材料费用，减少插入损耗。本发明装置在探头以外采用全光纤光路系统，可以进行长距离信号传输，保证测量的安全性。

Description

全光纤偏振式压力测量方法及传感装置

技术领域

本发明属于光纤传感、工业自动化控制技术领域；特别涉及使用激光或发光二极管光源，利用普通光纤在压力应力双折射特性，通过光偏振分束和光探测器测量，以及其他光路装置和电路分析系统，完成压力测量和压力传感。

背景技术

光纤传感技术是一种以光为载体、光纤为媒质、感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。

光纤传感器原理实际上是研究光被外界参数调制的原理。外界信号可能引起光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态等调制方式的光纤传感器。这其中偏振调制光纤传感器的结构简单，调整方便，价格较低，有很高的实用价值。

目前光纤压力传感器一个典型的技术，是采用以光弹性材料(如光弹晶体)中心的光纤压力传感技术，其主要光路结构及方法如图1所示。该光路结构包括：整个光路个部分器件从左到右排列顺序为：光源101，准直透镜102，起偏器103，具有在压力变化情况下产生双折射变化的光弹材料104，检偏器105，准直透镜106，光接收机107；整个光路在准直透镜102之前和准直透镜106之后，通过光纤进行连接。

该系统的进行压力传感的过程如下：

1)光源101发出的测量光，经过透镜102准直后，通过起偏器103变成线偏振光，然后到达并穿过光弹材料104；测量光穿过光弹材料104后，被检偏器105重新检偏，再穿过准直透镜106，耦合到光纤中，由光接收机107将光信号采集处理。

2)对光弹材料104施压，光弹材料在压力的作用下，产生双折射，改变光的偏振态，从而使得通过检偏器后的光和光源发出的光之间产生差异。

3)光接收机测量并分析收到的光电信号变化，从而判断压力的变化。

现有的基于光弹材料的光偏振压力传感技术存在以下缺点：

1、该系统空间光学装置较多，组装复杂，插入损耗大，出错率高；

2、测量信息会受到光纤应力的影响，所以需要采用保偏光纤传输，成本高，传输距离短。

3、探头和有源部件分离比较困难；

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种全光纤偏振式压力测量方法及传感装置，该方法和该装置既可以方便、快捷地通过以普通单模光纤为传感媒介测量压力，同时还具有组装简单，移动方便、体积小、数据易处理、探头和有源器件容易分离等优点。

本发明首先提出了一种全光纤偏振式压力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)测量光源发出的光变成一束线偏振光后，通过一根用作传感的光纤，并将所述通过光纤的光分成偏振态相互垂直的两束光；

2)给光纤施加压力，使得光纤产生和压力有关的双折射；

3)分别测量两束光的光强；

4)根据所述两束光强的变化，确定光纤上的压力的大小。

上述方法步骤3)中分别测量两束光的光强的方法可为将两束光的光强转换成电信号，并通过电路进行运算处理。

上述方法步骤1)中所述光纤可为单模光纤。

上述方法步骤1)中所述光源可为一个偏振无关的激光光源或发光二极管光源，或者通过在普通光源出光处加装一个消偏器或者扰偏器，来产生一个偏振无关的测量光。

上述方法步骤1)还可包括利用一个偏振分束器让测量光源发出的光变成一束线偏振光。

上述方法步骤1)还可包括所述线偏振光通过光纤后，再经由反射镜反射回光纤，然后再分成偏振态相互垂直的两束光；

上述方法步骤1)还可包括使用一个光环行器将反射回来的光从原来的光路中分离出来。

上述方法步骤1)具体可采用将所述反射光通过一个偏振分束器分成偏振态相互垂直的两束光。

本发明提出的一种全光纤偏振式压力传感装置，其特征在于，该装置包括：

一个光源，用来发出一束测量光；

一个由偏振分束器、传感光纤和反射镜构成的传感机构，用来接收光源发出的测量光，并输出传感信息光束；其中偏振分束器用来将光源输入光变成一束线偏振光输出到传感光纤，并将从传感光纤反射回来的光分成两束偏振态相互正交的传感信号光；

一段传感光纤用来接受被测量压力，并在压力的作用下改变通过光的偏振态；

一个反射镜，用来将接收自传感光纤的光反射回原光路；

第一光探测器用，来接受来自偏振分束器从传感光纤反射回来的光分成两束偏振态相互正交的传感信号光中的透射光，并转换成电信号；

第二光探测器用来接受来自偏振分束器从传感光纤反射回来的光分成两束偏振态相互正交的传感信号光中的反射光，并转换成电信号；

一个分析电路接受第一光探测器和第二光探测器的电信号输出，并运算出传感光纤受到的压力值。

上述装置还可包括一个光环形器用来将光源发出的光从第一端口导入，从第二端口输出到偏振分束器，并将第二端口输入的来自偏振分束器的透射光导入到第三端口输出。

上述装置所述的传感光纤可采用单模光纤。

上述装置可采用光纤端口抛光并镀反射膜来代替所述反射镜。

本发明提出的第二种全光纤偏振式压力传感装置，其特征在于，该装置包括：

一个光源，用来发出一束测量光；

一个起偏器，用来接收光源发出的测量光，并将其起偏为线偏振光，并输出到传感光纤；

一段传感光纤用来接受被测量压力，并在压力的作用下改变通过光的偏振态；

一个偏振分束器，用来将来自传感光纤的光分成两束偏振方向相互垂直的光；

一个第一光探测器，用来接受来自偏振分束器从传感光纤接收到的光分成两束偏振态相互正交的传感信号光中的透射光，并转换成电信号；

一个第二光探测器用来接受来自偏振分束器从传感光纤接收到的光分成两束偏振态相互正交的传感信号光中的反射光，并转换成电信号；

一个分析电路接受第一光探测器和第二光探测器的电信号输出，并运算出传感光纤受到的压力值。

本发明的主要特点及有益的效果：

本发明的方法引入了常规单模光纤作为传感体，采用光偏振分束器作为偏振特性元件，从而简化测量装置，降低材料费用，减少插入损耗，并可以远距离进行数据传输。

本发明装置在探头以外采用全光纤光路系统，并且可以采用常规单模光纤进行长距离信号传输，从而可以做到探测点上的无源(不需要通电)，保证了测量的安全性。

本发明还设计了一种在上述装置基础上的变形装置如图4所示。该装置和上述装置(图2、图3所示)的一个重要区别在是去掉了环行器202和反射镜2033，在传感光纤前方放置一个起偏器2034，将偏振分束器2031放到了传感用光纤的后方。其工作过程为：光源201发射的光到达起偏器2034，经过起偏器2034起偏变成线偏振光后，通过受到压力挤压的传感用光纤2032到达偏振分束器2031。偏振分束器2031将接收到的光束分开为两束偏振方向相互垂直的光分别传输到光探测器204和205，经光探测器转换成的电信号输出到分析电路206，通过对两个光信号的比较确定传感光纤受到的压力。

附图说明

图1为目前已有的光偏振式光纤压力传感系统示意图；

图2为本发明的实施例1光学结构示意图；

图3为本发明的实施例2光学结构示意图；

图4为本发明的实施例3光学结构示意图。

具体实施方式

本发明提出的全光纤偏振式压力测量方法及传感装置结合附图及实施例详细说明如下：

本发明设计的全光纤偏振式光学压力测量传感装置实施例1，其组成结构如图2所示，本装置包括：一个光源201，一个光环形器202，一个由偏振分束器2031、传感光纤2032和反射镜2033构成的传感机构203，两个光探测器204、205，一个分析电路206；各元器件的连接关系为：

光源201的光输出端与光环形器的端口1相连；

光环型器的端口2与传感机构203中的偏振分束器2031的端口1相连，光环形器的端口3和一个光探测器204相连；

偏振分束器的端口2和传感光纤2032的一端相连，偏振分束器2031的端口3和一个光探测器205相连；

一个反射镜2033和传感光纤2032的另外一端相连；

光探测器204、205均和一个分析电路206相连；

本装置的各部分器件的功能及实施例分别说明如下：

光源201用来为整个系统提供测量光，实施例采用General Photonics公司SLD-101型号产品。

光环形器203用来分配探测光，使探测光穿过传感光纤2032，并接受将被反射镜2033反射回来后，由偏振分束器2031分束的透射光。光环形器实施例采用市场常规的光通信用光环形器。

偏振分束器2031用来将来自光源的光滤出一个方向的线偏振光，输出到传感光纤；并接受从传感光纤输出回来的来自反射镜的光，将其分成相互垂直的两束线偏振光，一束穿过偏振分束器2031进入光环形器端口2，并从端口3输出到光探测器204的光输入端；另外一束光反射到光探测器205的光输入端；偏振分束器实施例采用市场常规光学零件；目前市场上常规的偏振分束器，均已经将光纤耦合在器件当中，也就是说，对于该器件来说保证了光从光纤进入再从光纤输出。因此本说明书不涉及光纤耦合部分。

传感光纤2032用来接受外界压力，并在压力的作用下，由于双折射的效应而改变通过光的光偏振态；传感光纤实施例采用市场上用于光通信的常规单模光纤；

反射镜2033用来将传感光纤的输出光反射回传感光纤；反射镜实施例采用市场常规光学零件；

光电探测器204用来将光环形器202端口3的输出光转换成电信号，并传输到分析电路206；光电探测器205用来将偏振分束器2031端口3的输出光转换成电信号，并传输到分析电路206；光电探测器本实施例采用用于光通信的光电探测器。

分析电路206接受两个光电探测器204、205的电信号进行数据处理。

本发明的实施例装置的压力测量方法说明如下：

由光源201发出的测量光通过光纤传输到光环形器202，并从端口1输入。

光环形器的工作性能为：当光从端口1入射，将会从端口2输出；如果从端口2入射，就会从端口3输出(同样，从端口3入射的光会从端口1输出)；

因此，从光环形器202端口1输入的光，会从其端口2输出，并通过光纤传输到达传感探头203中的偏振分束器2031，并从其端口1输入；

偏振分束器的工作性能为：当一束光进入偏振分束器，分光膜会将光的某一偏振方向的光透射过去，而将和透射光偏振方向垂直的光反射到和透射光投射方向垂直的方向；

因此，进入偏振分束器2031的光的一部分会变成一束线偏振光从其端口2输出，而和这束透射光偏振方向垂直的光会被反射出光路；

这里要说明的是，本实施例采用了非线偏振光源，如果输入光本身是线偏振光，则其偏振方向应当是能够穿过偏振分束器2031的方向；

从偏振分束器2031端口2输出的线偏振光穿过传感光纤2032，并由反射镜2033反射回传感光纤2032，并再次从偏振分束器2031的端口2输入。

在传感光纤2032施加压力前，所述从偏振分束器端口2入射的光，其偏振态和其输出时的一样，因此会全部穿过偏振分束器2031，并进入光环形器的端口2，再从光环形器202的端口3输出到达光探测器204的光输入端；

给传感光纤2031施加压力，由于光纤的双折射作用，通过光纤的光的偏振态会发生变化，因此，在其从偏振分束器端口2输入后，会有一部分光和原来从偏振分束器2031端口2输出的光的偏振方向不一致的光被偏振分束器2031反射到光探测器205。

光探测器204、205将输入光转变成电信号输出到分析电路206，分析电路206通过比较两路光探测器的输出电信号的大小，判断出传感光纤所受到的压力。

这里要说明的是，在传感光纤2032上施加压力的方向不同，产生的双折射也有区别，因此，作为压力测量传感应用，为了提高测量敏感度，可以选择一个角度施加压力，这个角度应该是在同样压力情况下能够产生最大双折射变化角度方向。在本实施例中，采用了沿着和偏振方向成45度的夹角对传感光纤进行施压，从而获得较高的压力敏感度。

本发明的一个重要优点，就是可以采用非偏振光源作为测量光源，非偏振光源因为所发出的光不带有偏振特性，因此光在长距离传输过程中，不会产生偏振相关效应(如偏振相关损耗PDL、偏振模色散PMD等)，从而消除了光在传输过程中的偏振相关效应对测量产生的干扰。所以，为了适应更多型号的光源，并进一步保证测量光的稳定性和偏振无关性，可以在光源201的光输出端放置一个消偏器，也可以放置一个扰偏器成另一个实施例2的结构，如图3所示。

本发明的另一个重要优点，就是可以采用常规单模光纤，取代成本高的保偏光纤。

本发明在图2的基础上，采用同样测量方法，还有一种变化装置实施例3，如图4所示，在图2的基础上，将偏振分束器2031放置到传感光纤2032的后面，去掉了反射镜2033和光环形器202，具体连接方式为：光源201的输出端连接在由起偏器2034、传感光纤2032、偏振分束器2031组成的传感探头203的光输入端，并和起偏器2034的光输入端相连；起偏器2034的光输出端和传感光纤2032光输入端相连。传感光纤2032的光输出端和偏振分束器2031的端口1相连；光探测器204和偏振分束器2031的端口3相连；光探测器205和偏振分束器的端口2相连。一个分析电路206和光探测器204、205相连。

图4所示装置的的测量方法如下：

光源201发出的测量光通过光纤传输到一个起偏器2034。

光通过起偏器2034变成线偏振光后，穿过传感光纤2032；

传感光纤2032在压力的作用下，产生应力，使得穿过光纤的测量光产生偏振变化；

带有因为压力产生了偏振变化的信号光，到达偏振分束器2031，经过偏振分束器2031的作用，光的一部分会变成一束线偏振光从其端口2输出，而和这束透射光偏振方向垂直的光会被反射到端口3输出；

光探测器204、205将来自偏振分束器2031端口3和端口2并通过光纤传输而来的光接收，将其转变成电信号输出到分析电路206，分析电路206通过比较两路光探测器的输出电信号的大小，判断出传感光纤所受到的压力。

图4中本实施例采用的起偏器2034，选用市场常规销售的与光纤耦合好的起偏器。

Claims (11)

1.一种全光纤偏振式压力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)测量光源发出的光变成一束线偏振光后，通过一根用作传感的光纤，并将所述通过光纤的光分成偏振态相互垂直的两束光；所述光纤为单模光纤；

2)给光纤施加压力，使得光纤产生和压力有关的双折射；

3)分别测量两束光的光强；

4)根据所述两束光强的变化，确定光纤上的压力的大小。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中分别测量两束光的光强的方法为将两束光的光强转换成电信号，并通过电路进行运算处理。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中的光源是一个偏振无关的

激光光源或发光二极管光源，或者通过在光源出光处加装一个消偏器或者扰偏器，来产生一个偏振无关的测量光。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)还包括利用一个偏振分束器让测量光源发出的光变成一束线偏振光。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)还包括线偏振光通过光纤后，再经由反射镜反射回光纤，然后再分成偏振态相互垂直的两束光。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)还包括使用一个光环行器将反射回来的光从原来的光路中分离出来。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)将通过光纤的光分成偏振态相互垂直的两束光的具体方法为，采用通过一个偏振分束器分成偏振态相互垂直的两束光。

8.采用如权利要求1所述的方法的一种全光纤偏振式压力传感装置，其特征在于，该装置包括：

一个光源，用来发出一束测量光；

一个由偏振分束器、传感光纤和反射镜构成的传感机构，用来接收光源发出的测量光，并输出传感信息光束；其中偏振分束器用来将光源输入光变成一束线偏振光输出到传感光纤，并将从传感光纤反射回来的光分成两束偏振态相互正交的传感信号光；

一段传感光纤用来接受被测量压力，并在压力的作用下改变通过光的偏振态，所述光纤为单模光纤；

一个反射镜，用来将接收自传感光纤的光反射回原光路；

第一光探测器，用来接受来自偏振分束器从传感光纤反射回来的光分成两束偏振态相互正交的传感信号光中的透射光，并转换成电信号；

第二光探测器用来接受来自偏振分束器从传感光纤反射回来的光分成两束偏振态相互正交的传感信号光中的反射光，并转换成电信号；

一个分析电路接受第一光探测器和第二光探测器的电信号输出，并运算出传感光纤受到的压力值。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，该装置还可包括：

一个光环形器用来将光源发出的光从第一端口导入，从第二端口输出到偏振分束器，并将第二端口输入的来自偏振分束器的透射光导入到第三端口输出。

10.如权利要求8所述装置，其特征在于，所述反光镜采用光纤端口抛光并镀反射膜实现。

11.一种全光纤偏振式压力传感装置，其特征在于，该装置包括：

一个光源，用来发出一束测量光；

一个起偏器，用来接收光源发出的测量光，并将其起偏为线偏振光，并输出到传感光纤；

一段传感光纤用来接受被测量压力，并在压力的作用下改变通过光的偏振态，所述光纤为单模光纤；

一个偏振分束器，用来将来自传感光纤的光分成两束偏振方向相互垂直的光；

一个第一光探测器，用来接受来自偏振分束器从传感光纤接收到的光分成两束偏振态相互正交的传感信号光中的透射光，并转换成电信号；

一个第二光探测器用来接受来自偏振分束器从传感光纤接收到的光分成两束偏振态相互正交的传感信号光中的反射光，并转换成电信号；

一个分析电路接受第一光探测器和第二光探测器的电信号输出，并运算出传感光纤受到的压力值。

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