CN101377527A - 光纤电压测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤电压测量仪，包括有，光源、光环形器、光纤Bragg光栅通过导光用单模光纤依次相连；光环形器还通过导光用单模光纤连接第一光耦合器；第一光耦合器的一路输出通过导光用单模光纤连接第一光电探测器，另一路输出通过导光用单模光纤连接传感探头的输入端；传感探头的输出端通过导光用单模光纤连接第二光电探测器；第一光电探测器和第二光电探测器的另一端分别连接微处理器。本发明利用高双折射光子晶体光纤环镜作为传感元件，使该传感器的温度稳定性大为提高，解决了传统电压传感中由热效应和环境温度改变引起的温度交叉敏感问题，具有结构紧凑、测量精度高、抗干扰，耐腐蚀，适合在恶劣环境下工作等特点，可应用于各种电压信号的测量。

Description

光纤电压测量仪

技术领域

本发明涉及一种电压测量仪。特别是涉及一种用于测量电压信号的由高双折射光子晶体光纤环镜的强度解调为基本传感原理的光纤电压测量仪。

背景技术

光纤光栅是一种新型的光子器件，它是在光纤中建立起的一种空间周期性的折射率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。光纤Bragg光栅的折射率调制周期小于1μm，其纤心模式与传输方向相反的模式之间发生耦合，因而具有窄带反射光谱，可以用作反射型的带通滤波器。

光环形器是由多个光隔离器构成的光功能器件，其特点是只允许单一方向的光传输。一般光环形器具有3个端口，光只能沿着1口至2口，2口至3口的路径进行传输，这样可以达到控制传播光路的目的。光环形器与光纤Bragg光纤配合使用就可以构成带宽窄、损耗低的窄带光滤波器。

高双折射光子晶体光纤是通过在光子晶体光纤的纤芯引入缺陷，破坏其几何对称性，从而引入双折射。由高双折射光子晶体光纤构成的光纤环镜具有极高的温度稳定性，其传感原理基于光纤环镜内正反向传输光之间的干涉。进入到1：1光耦合器的光被分为顺时针和逆时针传输的两束光，这两束光沿双折射光纤传播时分解为沿双折射光纤快、慢轴两个偏振方向的光，并且具有不同的传播速度。这两束光最终将在1：1光耦合器的输出端发生干涉。借助于某种装置，将被测电压参量的变化转换为作用于高双折射光子晶体光纤的长度变化或光纤快慢轴间折射率差的变化，从而引起干涉谱条纹的相位及间距的变化。通过标定并建立干涉谱条纹的相位及间距与被测电压参量的变化关系，即可由干涉谱条纹的相位及间距的变化，测量并计算出被测电压的变化。

但是，现有的技术中，均是利用复杂的光谱分析设备对普通双折射光纤环镜干涉谱测量与分析来进行电压参量的传感，且其传感特性具有明显的温度依赖特性。尚未有采用对基于高双折射光子晶体光纤环镜强度解调的测量及分析来进行电压传感的方案，这种电压测量仪成本低、灵敏度高且具有极高的温度稳定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种利用高双折射光子晶体光纤环镜作为传感器件，采用宽带光源通过光纤Bragg光栅反射滤波与高双折射光子晶体光纤环镜组合构成解调机制，利用光电探测器对干涉谱进行测量，并采用微处理器对测量结果进行分析处理的光纤电压测量仪。

本发明所采用的技术方案是：一种光纤电压测量仪，包括有光源、光环形器、第一光耦合器、光纤Bragg光栅、传感探头、第一光电探测器和第二光电探测器以及微处理器；其中，光源、光环形器、光纤Bragg光栅通过导光用单模光纤依次相连；光环形器还通过导光用单模光纤连接第一光耦合器；第一光耦合器的一路输出通过导光用单模光纤连接第一光电探测器，另一路输出通过导光用单模光纤连接传感探头的输入端；传感探头的输出端通过导光用单模光纤连接第二光电探测器；所述的第一光电探测器和第二光电探测器的另一端分别连接微处理器。

所述的传感探头包括有：第二光耦合器、偏振控制器、压电陶瓷及高双折射光子晶体光纤，其中：第二光耦合器的输入端通过导光用单模光纤连接第一光耦合器的一路输出；第二光耦合器的一路输出通过导光用单模光纤连接偏振控制器，偏振控制器又通过导光用单模光纤连接高双折射光子晶体光纤；第二光耦合器的另一路输出通过导光用单模光纤直接连接高双折射光子晶体光纤；而所述的高双折射光子晶体光纤侧向粘贴在压电陶瓷的表面；与第二光耦合器输入端同侧的另一端透射信号通过导光用单模光纤连接第二光电探测器。

所述的电压测量是通过对压电陶瓷施加被测电压，导致其长度的变化从而引起高双折射光子晶体光纤环镜干涉谱的变化。

一种光纤电压测量仪的应用，其特征在于，当将压电陶瓷换成绕有通电螺线管的磁致伸缩棒，并将高双折射光子晶体光纤侧向粘贴于磁致伸缩棒的表面，通过观察螺线管内电流改变时高双折射光子晶体环镜透射谱的漂移，用于对电流参量进行测量。

光纤电压测量仪的应用，其特征在于，当除去压电陶瓷，将高双折射光子晶体光纤部分包层腐蚀使其快慢轴间折射率差对外界折射率变化敏感，将此部分高双折射光子晶体光纤浸没于被测液体内，并观测高双折射光子晶体光纤环镜透射光谱的变化，用于测量液体折射率和具有相应折射率液体所对应的物理量、化学量。

本发明的光纤电压测量仪，利用高双折射光子晶体光纤环镜作为传感元件，使该传感器的温度稳定性大为提高，解决了传统电压传感中由热效应和环境温度改变引起的温度交叉敏感问题；通过光环形器利用光纤Bragg光栅的反射光与光纤环镜透射谱组合构成传感解调机制，其损耗低，能够利用光纤Bragg反射光的全部能量，提高了传感信噪比；同时利用光电探测器和微处理器进行信号的采集、处理与分析，避免使用复杂的光谱分析设备观察分析光谱，且具有高度集成化与自动化的特点。此外，基于光纤本身的优点，这种电压测量仪还具有结构紧凑、测量精度高、抗干扰，耐腐蚀，适合在恶劣环境下工作等特点，可应用于各种电压信号的测量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：

1：光源                  2：光环形器

3：光纤Bragg光栅         4a：第一光耦合器

4b：第二光耦合器         5：偏振控制器

6：压电陶瓷              7：高双折射光子晶体光纤

8a：第一光电探测器       8b：第二光电探测器

9：微处理器              10：导光用单模光纤

11：传感探头

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的光纤电压测量仪做出详细说明。

本发明就是通过对压电陶瓷施加电压导致其长度的变化从而引起高双折射光子晶体光纤环镜干涉谱的变化。两只光电探测器分别用于测量光纤Bragg光栅的反射光在经过高双折射光子晶体光纤环镜前后的光强，利用微处理器进行信号处理与分析，计算得出电压参量的变化。

如图1所示，本发明的光纤电压测量仪，包括有光源1、光环形器2、第一光耦合器4a、光纤Bragg光栅3、传感探头11、第一光电探测器8a和第二光电探测器8b以及微处理器9；其中，光源1、光环形器2、光纤Bragg光栅3通过导光用单模光纤10依次相连；光环形器2还通过导光用单模光纤10连接第一光耦合器4a；第一光耦合器4a的一路输出通过导光用单模光纤10连接第一光电探测器8a，另一路输出通过导光用单模光纤10连接传感探头11的输入端；传感探头11输出端通过导光用单模光纤10连接第二光电探测器8b；所述的第一光电探测器8a和第二光电探测器8b的另一端分别连接微处理器9。

所述的传感探头11包括有：第二光耦合器4b、偏振控制器5、压电陶瓷6及高双折射光子晶体光纤7，其中：第二光耦合器4b的输入端通过导光用单模光纤10连接第一光耦合器4a的一路输出；第二光耦合器4b的一路输出通过导光用单模光纤10连接偏振控制器5，偏振控制器5又通过导光用单模光纤10连接高双折射光子晶体光纤7；第二光耦合器4b的另一路输出通过导光用单模光纤10直接连接高双折射光子晶体光纤7；而所述的高双折射光子晶体光纤7侧向粘贴在压电陶瓷6的表面；与第二光耦合器4b的输入端同侧的另一端的透射信号通过导光用单模光纤10连接第二光电探测器8b。

所述的光源1采用宽带光源，其波段应覆盖光纤Bragg光栅的反射波长。光源1的具体工作波段可以选为1540～-1560nm。

本发明所选用的第一光耦合器4a和第二光耦合器4b均为1：1光耦合器。

当进行电压测量时，是通过对压电陶瓷6施加被测电压，导致其长度的变化从而引起高双折射光子晶体光纤环镜干涉谱的变化。

结合图1给出本发明的工作原理是：光源发出的宽带光，经导光用单模光纤、光环形器的a口和b口，入射到光纤Bragg光栅。光纤Bragg光栅的窄带反射光经光环形器的b口和c口和导光用单模光纤，由1：1光耦合器分成两路。一路作为高双折射光子晶体光纤环镜的输入光信号，另一路作为光纤Bragg光栅的反射参考光信号。分别用两只光电探测器将光纤Bragg光栅的反射参考光信号光强和高双折射光子晶体光纤环镜的透射光强转变为电信号，并送微处理器进行信号处理与分析，进而根据光强透过率的变化计算出电压参量的变化。

本发明的实施例中，光源1的工作波段为1540-1560nm。光环形器2采用工作在1550nm波段的光环形器。光纤Bragg光栅3的中心波长为1550nm，3dB带宽为0.2nm，中心波长处反射率为99％。采用总长度为10cm的压电陶瓷6。将8cm长双折射度为5×10^-4的高双折射光子晶体光纤7侧向粘贴于压电陶瓷6表面。用InGaAs光电探测器8将光强转换为电信号送微处理器9进行信号分析与处理。导光用单模光纤10采用1550nm波段的单模光纤。

本发明的测试原理是：

对于光纤Bragg光栅，设其纤芯有效折射率为n_eff，折射率调制周期为Λ，则光纤光栅的反射波长λ_B为：

λ_B＝2n_effΛ         (1)

对于高双折射光子晶体光纤环镜，设高双折射光子晶体光纤长度为L，双折射光纤快慢轴间的折射率差为Δn，由于光子晶体光纤本身的扭转而造成的输入与输出平面上快轴之间的角度差为θ，高双折射光子晶体光纤环镜对光纤Bragg光纤光栅反射光强的透过率T可以表达为：

$T={\left(\cos \frac{\mathrm{\π\ΔnL}}{{\mathrm{\λ}}_B}\sin \mathrm{\θ}\right)}^2---\left(2\right)$

可以看到，高双折射光子晶体光纤环镜具有梳状透射谱。利用其与光纤Bragg光纤光栅配合，通过边沿滤波强度解调便可进行对外界参量的传感。

设施加在压电陶瓷上的电压为U，压电陶瓷在电场的作用下将发生应变，且在线性区内和电压存在正比关系，设k_p为比例系数，则应变ε与电压的关系可以表示为：

ε＝k_pU               (3)

当压电陶瓷发生应变ε时，高双折射光子晶体光纤环镜的透过率T_ε为：

$T_{\mathrm{\ϵ}}={\left[\cos \frac{\mathrm{\π\ΔnL}(1+\mathrm{\ϵ})}{{\mathrm{\λ}}_B}\sin \mathrm{\θ}\right]}^2---\left(4\right)$

综合(2)、(3)、(4)式，可得高双折射光子晶体光纤环镜透过率T_U与施加在压电陶瓷上的电压U关系式：

$T_U={\left[\cos \frac{\mathrm{\π\ΔnL}(1+k_{p}U)}{{\mathrm{\λ}}_B}\sin \mathrm{\θ}\right]}^2---\left(5\right)$

即可由测量得到的光强透过率计算得出待测的电压值。

在(5)式中的sinθ项会引入额外的透射损耗，可以通过调整偏振控制器使高双折射光子晶体光纤环镜的透射损耗达到最低。通过选择光纤Bragg光栅的反射波长位置，可以充分利用高双折射光子晶体光纤环镜透射谱的线性沿。两只光电探测器分别接收光纤Bragg光栅反射光通过高双折射光子晶体光纤环镜前后的光强信号，并将其转换为电信号，利用微处理器计算光强透过率，从而得到待测电压参量的信息。

本发明所述的光纤电压测量仪还可以应用于测量其它物理量或化学量。

当将压电陶瓷6换成绕有通电螺线管的磁致伸缩棒，并将高双折射光子晶体光纤7侧向粘贴于磁致伸缩棒的表面，通过观察螺线管内电流改变时高双折射光子晶体环镜透射谱的漂移，用于对电流参量进行测量。

当除去压电陶瓷6，将高双折射光子晶体光纤7部分包层腐蚀使其快慢轴间折射率差对外界折射率变化敏感，将此部分高双折射光子晶体光纤7浸没于具有不同折射率的被测液体内，并观测高双折射光子晶体光纤环镜透射光谱的变化，用于测量液体折射率和具有相应折射率液体所对应的物理量、化学量。

Claims (5)

1.一种光纤电压测量仪，包括有光源(1)、光环形器(2)、第一光耦合器(4a)，其特征在于：还设置有光纤Bragg光栅(3)、传感探头(11)、第一光电探测器(8a)和第二光电探测器(8b)以及微处理器(9)；其中，光源(1)、光环形器(2)、光纤Bragg光栅(3)通过导光用单模光纤(10)依次相连；光环形器(2)还通过导光用单模光纤(10)连接第一光耦合器(4a)；第一光耦合器(4a)的一路输出通过导光用单模光纤(10)连接第一光电探测器(8a)，另一路输出通过导光用单模光纤(10)连接传感探头(11)的输入端；传感探头(11)的输出端通过导光用单模光纤(10)连接第二光电探测器(8b)；所述的第一光电探测器(8a)和第二光电探测器(8b)的另一端分别连接微处理器(9)。

2.根据权利要求1所述的光纤电压测量仪，其特征在于，所述的传感探头(11)包括有：第二光耦合器(4b)、偏振控制器(5)、压电陶瓷(6)及高双折射光子晶体光纤(7)，其中：第二光耦合器(4b)的输入端通过导光用单模光纤(10)连接第一光耦合器(4a)的一路输出；第二光耦合器(4b)的一路输出通过导光用单模光纤(10)连接偏振控制器(5)，偏振控制器(5)又通过导光用单模光纤(10)连接高双折射光子晶体光纤(7)；第二光耦合器(4b)的另一路输出通过导光用单模光纤(10)直接连接高双折射光子晶体光纤(7)；而所述的高双折射光子晶体光纤(7)侧向粘贴在压电陶瓷(6)的表面；与第二光耦合器(4b)输入端同侧的另一端透射信号通过导光用单模光纤(10)连接第二光电探测器(8b)。

3.根据权利要求1所述的光纤电压测量仪，其特征在于，所述的电压测量是通过对压电陶瓷(6)施加被测电压，导致其长度的变化从而引起高双折射光子晶体光纤(7)环镜干涉谱的变化。

4.一种权利要求1或2所述的光纤电压测量仪的应用，其特征在于，当将压电陶瓷(6)换成绕有通电螺线管的磁致伸缩棒，并将高双折射光子晶体光纤(7)侧向粘贴于磁致伸缩棒的表面，通过观察螺线管内电流改变时高双折射光子晶体环镜透射谱的漂移，用于对电流参量进行测量。

5.一种权利要求1或2所述的光纤电压测量仪的应用，其特征在于，当除去压电陶瓷(6)，将高双折射光子晶体光纤(7)部分包层腐蚀使其快慢轴间折射率差对外界折射率变化敏感，将此部分高双折射光子晶体光纤(7)浸没于被测液体内，并观测高双折射光子晶体光纤环镜透射光谱的变化，用于测量液体折射率和具有相应折射率液体所对应的物理量、化学量。

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