CN101750590B - 一种环境温度变化和磁感应强度的测量方法及装置 - Google Patents

一种环境温度变化和磁感应强度的测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种环境温度变化和磁感应强度的测量方法及装置,属于光电技术领域,涉及光纤传感技术,尤其涉及基于磁光光纤Bragg光栅(MFBG)的磁感应强度(或光纤Verdet常数)和温度变换的测量方法及装置。本发明采用磁光光纤光栅,根据其本征传感方式及其反射和透射特性,分别利用左旋和右旋圆偏振光入射MFBG,通过检测MFBG的反射(或透射)圆偏振光的光功率来实现同时对磁感应强度(或光纤Verdet常数)和温度变化进行测量,实现了多参数非相干检测,具有方便易行、无需温度补偿的优点。

Description

一种环境温度变化和磁感应强度的测量方法及装置
技术领域
[0001] 本发明属于光电技术领域,涉及光纤传感技术,尤其涉及基于磁光光纤Bragg光栅(MFBG)的磁感应強度(或光纤Verdet常数)和温度变化的測量方法及装置。
背景技术
[0002] 光纤传感技术是伴随着光导纤维以及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种新型传感技木。它是以光信号为待测信息的载体,以光纤为传输介质和传感媒质,将被测量的信息以光信号的形式提取出来。具体地说,光纤传感器是通过提取出光纤中光波的特征參量(如光强、波长、相位、振幅等)随外界因素(如温度、压力、磁场、电场、位移、加速度等)直接或者间接地发生变化的关系来探测各种物理量的ー种装置。
[0003] 与传统的电传感器相比,光纤传感器有很多优点,如:①抗电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀、方便安全;②灵敏度高重量轻、体积小、可微型化;④传输容量大、測量对象广泛成本低便于复用、便于组网、可实现远程遥控。
[0004] 光纤磁场传感器是测量磁场或电流的ー种光纤传感器,可基于不同原理实现。基于磁致伸縮原理的光纤磁场传感器是利用磁致伸縮材料对光纤的扰动来改变光波相位从而探测微弱磁场的,但由于磁致伸缩效应作为机械效应,其高频响应较差,而且对磁致伸縮材料的要求比较严格。人们也基于光的干渉原理研究开发了各种干涉型光纤传感器,如基于Fabry-Perot干涉仪的光纤磁场传感器,基于Micelson干涉仪的光纤磁场传感器,基于Mach-Zehnder干涉仪的光纤磁场传感器等,这些干涉型光纤传感器适合应用于动态交变磁场的检测。
[0005] 另ー方面,由于实际应用中外界的扰动对磁场测量精度的影响不可避免,其中温度变化的影响尤其突出,所以温度和磁场的交叉敏感性是研究光纤磁场传感器中的ー个重要瓶颈。为得到高精度的測量结果,人们提出了各种具有温度补偿功能的光纤磁场传感器。一种是对光纤磁场传感器中的温度敏感器件采用温度控制系统使其保持在恒温的工作状态,如利用单片机驱动半导体致冷器对半导体激光器进行温度控制;另ー种是补偿光纤磁场传感器中随温度变化的费尔德常数以确保磁场测量的精确度。它们属于非本征传感方式,而且执行起来复杂。
[0006] 磁光光纤Bragg光栅(MFBG)具有较高的磁光性能,其制作方法有几种,如在光纤Bragg光栅中掺入使其具有高磁光系数的稀土元素(如Tb、Pr等),或者在拉制的YIG光纤上写入Bragg光栅等。MFBG在基于磁光效应诱导的偏振模转换与光栅引起的正向/反向导波光耦合的共同作用下,具有与传统的光纤光栅不同的特点:(I)在无线性双折射的磁光 光纤光栅中,其本征模是圆偏振光;(2)磁场和温度的变化可使磁光光纤光栅中传播的左右旋本征模的Bragg波长分别发生相反和相同方向的移动;(3)磁光效应改变了传统非磁性光纤光栅中线偏振光的带隙结构,色散特性更加丰富。利用磁光光纤光栅这种特殊结构和固有的特性,可实现磁场测量、电流传感以及实现偏振模转换控制或光学偏置等。在磁光光纤Bragg光栅中,法拉第效应会导致偏振面的旋转(偏振模转换),磁光耦合強度可以通过外加磁场调节。
发明内容
[0007] 为克服现有的基于普通光纤光栅和温度补偿的光纤磁场传感方法的不足,本发明提供了ー种基于磁光光纤Bragg光栅(MFBG)的环境温度变化和磁感应强度的测量方法及装置,它是基于磁光光纤光栅的本征传感方式,可同时对环境磁感应强度(或光纤Verdet常数)和温度变化进行測量,在检测中可自动消除温度的影响,測量方法简单、实现起来方便。
[0008] 本发明利用MFBG带隙边缘频谱所具有的线性对称性以及磁场作用下频谱对圆偏振态的选择性原理来实现磁场传感或光纤Verdet常数測量的。MFBG的特性可用光栅耦合系数K g = kQ Ang和磁光f禹合系数K m = kQ Anm( = Of = VbB)两个參数表征,其中Ang和Anm分别为相应的折射率改变,k0 = 2 / A为波尔兹曼常数,Of为法拉第旋转角,Vb和B分别为Verdet常数和磁感应強度大小。MFBG的反射或透射谱的形状就是由k g和k m决定的。图I给出了圆偏振光经过均匀MFBG的透射谱和反射谱,没有磁场时左旋和右旋圆偏振光的谱线重合。由图可见,均匀MFBG的光谱关于中心波长对称,而且在带隙边缘具有很好线性。·
[0009] 本发明技术方案如下:
[0010] 一种环境温度变化和磁感应強度的測量方法,如图2所示,包括以下步骤:
[0011] 步骤I :将磁光光纤Bragg光栅置于磁屏蔽和恒温条件下(相当于环境磁感应强度B = 0和环境温度变化AT = O),分别采用波长为入ェ和X 2的左旋偏振光和右旋偏振光入射到磁光光纤Bragg光栅,测量经磁光光纤Bragg光栅反射(或透射)的左旋偏振光和右旋偏振光的光功率Ptll和Ptl2。
[0012] 步骤2 :将磁光光纤Bragg光栅置于已知磁感应强度B的磁场和已知温度变化A T的条件下,分别米用波长为入ェ和\ 2的左旋偏振光和右旋偏振光入射到磁光光纤Bragg光栅,测量经磁光光纤Bragg光栅反射(或透射)的左旋偏振光和右旋偏振光的光功率P1和P2。
[0013] 步骤3:由
I = ^oi+ + \
[0014] +
[0015] 其中,APb为由环境中磁感应强度引起的磁光光纤Bragg光栅反射(或透射)的偏振光光功率的变化量,APt为由环境中温度变化引起的磁光光纤Bragg光栅反射(或透射)的偏振光光功率的变化量;
[0016] 可得
\P, = 2 AR +Pm +-^02 -
[0017] J 1 2 B 01 02 (2)
'[乃一P2 = 2APr + P01 - P02
[0018] 步骤4 :由步骤3中的⑵式确定PJP2与APb的线性关系以及P1-P2与APt的线性关系;同时磁光光纤Bragg光栅具有这样的固有特性:环境磁感应强度B和由环境中磁感应强度引起的磁光光纤Bragg光栅反射(或透射)的偏振光光功率的变化量APb呈线性关系,而环境温度变化AT和由环境中温度变化引起的磁光光纤Bragg光栅反射(或透射)的偏振光光功率的变化量APt也呈线性关系。根据磁光光纤Bragg光栅上述固有特性能够进一歩得到P^P2与B的线性关系(如图7所示)以及P1-P2与A T的线性关系(如图8所示)。
[0019] 步骤5 :当待测磁感应强度B的磁场和待测温度变化A T作用于磁光光纤Bragg光栅时,分别米用波长为X1和入2的左旋偏振光和右旋偏振光入射到磁光光纤Bragg光栅,测量经磁光光纤Bragg光栅反射(或透射)的左旋偏振光和右旋偏振光的光功率P1和P2,进而得到P^P2和P1-P2的值。
[0020] 步骤6 :根据步骤4确定的P^P2与B的线性关系以及P1-P2与A T的线性关系,找出步骤5所得的PJP2和P1-P2的值分别对应的磁感应強度B和温度变化A T的值,所得磁感应强度B的值就是步骤5中未知磁感应強度B的大小,所得温度变化△ T的值就是步骤5中未知温度变化AT的大小。
[0021] 本发明是利用MFBG的固有特性,根据外界參数对MFBG反射(或透射)谱的影响原理实现磁感应强度(或光纤Verdet常数)和温度变化进行测量的。工作原理描述如下:
[0022] 如图3(a)所示,当磁感应强度B = O以及恒温时时不同波长的左旋和右旋圆偏振光的反射光与入射光重合,在此初始状态下左旋圆偏振反射光的光功率为Ptll,右旋圆偏振反射光光功率为Pee。由磁光光纤光栅的特性可知,环境磁场的作用使的偏振反射(或透射)光的Bragg波长移动,左旋和右旋圆偏振光经过磁光光纤光栅的反射(或透射)谱分别左移和右移,经过磁光光栅的左旋和右旋圆偏振光(波长分别为X1和X2)光功率相对于B = 0时有相同的增加量APb。同样,温度也对MFBG的反射(或透射)特性产生影响。由温度与中心Bragg波长的关系可知,温度的变化使MFBG的反射(或透射)谱(左旋和右旋圆偏振光)向同一个方向漂移相同大小。如图3(b)所不可见,左旋和右旋圆偏振光光功率分别增加和减小相同大小apt。
[0023] 设MFBG在环境磁感应强度B和温度变化A T的作用下,左旋和右旋圆偏振光的反射(或投射)输出光功率分别为P1和P2,则它们可分别表示为ト—%+ん5 _ゆ,:于是:
\p2=p02+apb~apt I
[0024] Pi+P2 = 2 APb+P01+P02
[0025] P1-P2 = 2 A PT+P01-P02
[0026] 可见,APb oc pi+p2, APt oc P1-P30由上分析可知,同时考虑磁感应强度和温度的影响时,根据左旋和右旋圆偏振反射(或投射)光光功率之和与差的大小变化可分别实现磁场测量和温度測量。从而得出磁感应强度B和APbW及温度的变化AT和APt的线性关系,这就是基于MFBG的磁感应強度和温度变化的測量方法的原理。
[0027] 需要说明的是:
[0028] I、上述方案中,步骤I所采用的入射左旋和右旋圆偏振光的波长入i和入2可以相同,也可以不相同。 [0029] 2、利用本发明技术方案的基本原理,也可以实现MFBG的光纤Verdet常数的测量。
[0030] 本发明提供的一种基于磁光光纤Bragg光栅(MFBG)的环境温度变化和磁感应强度的测量方法及装置,基于磁光光纤光栅的本征传感方式,可同时对环境磁感应强度(或光纤Verdet常数)和温度变化进行測量,在检测中可自动消除温度的影响,具有測量方法简单、实现装置结构简单的特点。
附图说明
[0031] 图I是圆偏振光经过均匀MFBG的透射谱和反射谱。
[0032] 图2是本发明流程示意图。
[0033] 图3是磁感应强度和温度变化对磁光光纤光栅的反射(或透射)谱的影响。其中(a)为磁感应强度对磁光光纤光栅的反射(或透射)谱的影响;(b)为温度变化对磁光光纤光栅的反射(或透射)谱的影响。
[0034] 图4是本发明提供的环境温度变化和磁感应強度的測量装置示意图。
[0035] 图5是本发明提供的反射式环境温度变化和磁感应強度的測量装置示意图。
[0036] 图6是本发明提供的透射式环境温度变化和磁感应強度的測量装置示意图。
[0037] 图7是P^P2与B的线性关系。
[0038] 图8是P1-P2与A T的线性关系。
具体实施方式
[0039] 本发明提供的基于MFBG的环境温度变化和磁感应強度的測量方法的实现装置,如图4所不,包括四个单兀:偏振光发射单兀、磁光光纤Bragg光栅(MFBG)、偏振光检测单元和数据处理単元。
[0040] 根据磁光光纤光栅的反射和透射特性,本发明确定的装置有两种:反射式測量装置(如图5所示)和透射式測量装置(如图6所示)。
[0041] 具体实施方式一:
[0042] 一种环境温度变化和磁感应強度的測量装置,如图4、5所示,包括偏振光发射单兀、磁光光纤Bragg光栅(MFBG)、偏振光检测单兀和数据处理单兀。
[0043] 所述偏振光发射单兀包括第一、ニ窄带光源,第一、ニ光纤起偏器,第一、ニ光偏振控制器和光波分复用器WDM ;第一窄带光源发出的波长为\ I的光经第一光纤起偏器起偏后通过第一光偏振控制器产生左旋圆偏振光;第二窄带光源发出的波长为X2的光经第二光纤起偏器起偏后通过第二光偏振控制器产生右旋圆偏振光;左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过光波分复用器WDM合成一路输出。
[0044] 所述偏振光检测单元包括光波分解复用器DWDM和第一、ニ光电检测器。光波分解复用器DWDM将输入的两个不同波长的光信号分开,分别由第一、ニ光电检测器进行非相干检测和光电转换。所述第一、ニ光电检测器由包括光电ニ极管组成的光电检测电路构成。
[0045] 所述数据处理单元包括模数转换、数据采集、计算机处理及结果显示部分。偏振光检测单元检测输出的电信号经数据处理单元进行模数转换、数据采集后输入计算机进行数据处理及结果显示。
[0046] 所述偏振光发射单兀、磁光光纤Bragg光栅和偏振光检测单兀之间通过一个光环形器连接:即所述偏振光发射单元的信号输出端接光环形器的端ロ 1,所述磁光光纤Bragg光栅的反射端ロ接光环形器的端ロ 2,所述偏振光检测单元的信号输入端接光环形器的端n 3。
[0047] 具体实施方式ニ :
[0048] 一种环境温度变化和磁感应強度的測量装置,如图4、6所示,包括偏振光发射单兀、磁光光纤Bragg光栅(MFBG)、偏振光检测单兀和数据处理单兀。 [0049] 所述偏振光发射单兀包括第一、ニ窄带光源,第一、ニ光纤起偏器,第一、ニ光偏振控制器和光波分复用器WDM ;第一窄带光源发出的波长为\ I的光经第一光纤起偏器起偏后通过第一光偏振控制器产生左旋圆偏振光;第二窄带光源发出的波长为X2的光经第二光纤起偏器起偏后通过第二光偏振控制器产生右旋圆偏振光;左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过光波分复用器WDM合成一路输出。
[0050] 所述偏振光检测单元包括光波分解复用器DWDM和第一、ニ光电检测器。光波分解复用器DWDM将输入的两个不同波长的光信号分开,分别由第一、ニ光电检测器进行非相干检测和光电转换。所述第一、ニ光电检测器由包括光电ニ极管组成的光电检测电路构成。
[0051] 所述数据处理单元包括模数转换、数据采集、计算机处理及结果显示部分。偏振光检测单元检测输出的电信号经数据处理单元进行模数转换、数据采集后输入计算机进行数据处理及结果显示。
[0052] 所述偏振光发射单兀的信号输出端接磁光光纤Bragg光栅的反射端ロ,所述偏振光检测单兀的信号输入端接磁光光纤Bragg光栅的透射端ロ。

Claims (5)

1. 一种环境温度变化和磁感应強度的測量方法,包括以下步骤: 步骤I :将磁光光纤Bragg光栅置于磁屏蔽和恒温条件下,分别采用波长为入i和入2的左旋偏振光和右旋偏振光入射到磁光光纤Bragg光栅,测量经磁光光纤Bragg光栅反射或透射的左旋偏振光和右旋偏振光的光功率Ptll和Ptl2 ; 步骤2 :将磁光光纤Bragg光栅置于已知磁感应强度B的磁场和已知温度变化A T的条件下,分别米用波长为X1和入2的左旋偏振光和右旋偏振光入射到磁光光纤Bragg光栅,测量经磁光光纤Bragg光栅反射或透射的左旋偏振光和右旋偏振光的光功率P1和P2 ;步骤3 :由 [■^1 = ^Ol + + ( I、 ~ ^02 + 其中,aPb为由环境中磁感应强度引起的磁光光纤Bragg光栅反射或透射的偏振光光功率的变化量,△ Pt为由环境中温度变换引起的磁光光纤Bragg光栅反射或透射的偏振光光功率的变化量; 可得 f+ -^2 ~ 2APs + P01 +^02 D — P2 = 2 APr + P01 - P02 步骤4 :由步骤3中的⑵式确定P1+^与A Pb的线性关系以及P「P2与A Pt的线性关系;同时磁光光纤Bragg光栅具有这样的固有特性:环境磁感应强度B和由环境中磁感应強度引起的磁光光纤Bragg光栅反射或透射的偏振光光功率的变化量△ Pb呈线性关系,而环境温度变化A T和由环境中温度变换引起的磁光光纤Bragg光栅反射或透射的偏振光光功率的变化量APt也呈线性关系;根据磁光光纤Bragg光栅上述固有特性能够进一歩得到P^P2与B的线性关系以及P1-P2与A T的线性关系; 步骤5 :当待测磁感应强度B的磁场和待测温度变化AT作用于磁光光纤Bragg光栅时,分别米用波长为入ェ和X2的左旋偏振光和右旋偏振光入射到磁光光纤Bragg光栅,测量经磁光光纤Bragg光栅反射或透射的左旋偏振光和右旋偏振光的光功率P1和P2,进而得到P^P2和P1-P2的值; 步骤6 :根据步骤4确定的P^P2与B的线性关系以及P1-P2与A T的线性关系,找出步骤5所得的PfP2和P1-P2的值分别对应的磁感应強度B和温度变化△ T的值,所得磁感应強度B的值就是步骤5中未知磁感应強度B的大小,所得温度变化△ T的值就是步骤5中未知温度变化AT的大小。
2. 一种环境温度变化和磁感应強度的測量装置,包括偏振光发射单元、磁光光纤Bragg光栅、偏振光检测单元和数据处理単元; 所述偏振光发射单兀包括第一、ニ窄带光源,第一、ニ光纤起偏器,第一、ニ光偏振控制器和光波分复用器WDM ;第一窄带光源发出的波长为入I的光经第一光纤起偏器起偏后通过第一光偏振控制器产生左旋圆偏振光;第二窄带光源发出的波长为、2的光经第二光纤起偏器起偏后通过第二光偏振控制器产生右旋圆偏振光;左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过光波分复用器WDM合成一路输出; 所述偏振光检测单兀包括光波分解复用器DWDM和第一、ニ光电检测器;光波分解复用器DWDM将输入的两个不同波长的光信号分开,分别由第一、ニ光电检测器进行非相干检测和光电转换; 所述数据处理单元包括模数转换、数据采集、计算机处理及结果显示部分;偏振光检测単元检测输出的电信号经数据处理单元进行模数转换、数据采集后输入计算机进行数据处理及结果显示; 所述偏振光发射单兀、磁光光纤Bragg光栅和偏振光检测单兀之间通过ー个光环形器连接:即所述偏振光发射单兀的信号输出端接光环形器的端ロ I,所述磁光光纤Bragg光栅的反射端ロ接光环形器的端ロ 2,所述偏振光检测单元的信号输入端接光环形器的端ロ 3。
3.根据权利要求2所述的环境温度变化和磁感应強度的測量装置,其特征在于,所述第一、ニ光电检测器由包括光电ニ极管组成的光电检测电路构成。
4. 一种环境温度变化和磁感应強度的測量装置,包括偏振光发射单元、磁光光纤Bragg光栅、偏振光检测单元和数据处理単元; 所述偏振光发射单兀包括第一、ニ窄带光源,第一、ニ光纤起偏器,第一、ニ光偏振控制器和光波分复用器WDM ;第一窄带光源发出的波长为入I的光经第一光纤起偏器起偏后通过第一光偏振控制器产生左旋圆偏振光;第二窄带光源发出的波长为、2的光经第二光纤起偏器起偏后通过第二光偏振控制器产生右旋圆偏振光;左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过光波分复用器WDM合成一路输出; 所述偏振光检测单兀包括光波分解复用器DWDM和第一、ニ光电检测器;光波分解复用器DWDM将输入的两个不同波长的光信号分开,分别由第一、ニ光电检测器进行非相干检测和光电转换; 所述数据处理单元包括模数转换、数据采集、计算机处理及结果显示部分;偏振光检测単元检测输出的电信号经数据处理单元进行模数转换、数据采集后输入计算机进行数据处理及结果显示; 所述偏振光发射单兀的信号输出端接磁光光纤Bragg光栅的反射端ロ,所述偏振光检测单兀的信号输入端接磁光光纤Bragg光栅的透射端ロ。
5.根据权利要求4所述的环境温度变化和磁感应強度的測量装置,其特征在于,所述第一、ニ光电检测器由包括光电ニ极管组成的光电检测电路构成。
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