CN101871791A - 基于光子晶体光纤的多参量传感器及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明具体公开了一种基于光子晶体光纤的多参量传感器，其输入端、输出端分别设有一输入、输出耦合器，两耦合器之间连接有一段空心光子晶体光纤构成光子晶体光纤环形腔，该段作为多参量传感器的传感头。本发明还公开了一种多参量测量系统，其包括信号采集、处理及显示模块和前述多参量传感器，传感器通过其输入、输出耦合器分别与光源、光电探测器连接，光电探测器连接至信号采集、处理及显示模块。本发明另提出的压力测量系统则包括前述多参量测量系统和安装于传感头部分的加压装置，加压装置包括充气室、光子晶体光纤夹具和连接器等。本发明的多参量传感器及测量系统具有操作简单方便、结构精简、测量精度高且易于小型化和标准化设计等优点。

Description

基于光子晶体光纤的多参量传感器及测量系统

技术领域

本发明涉及一种光学传感器及其测量系统，尤其涉及一种能进行多参数测量的光学传感器及其测量系统。

背景技术

光腔衰落(CRD，cavity ring down)光谱技术是20世纪80年代末兴起的一种超高灵敏探测吸收光谱技术，是测量光谱吸收的一种有效方法。CRD光谱技术的测量装置结构简图如图1所示，当光源1发出的一束初始光强为I₀的激光入射到由反射率均为R的反射镜M1和M2构成的长度为d的腔内时，由于M1、M2的反射作用，激光将在腔内反复运动，每一次反复都将有部分能量从M2中透射出来。若入射激光为窄脉冲激光且脉冲宽度小于光在腔内运动1周(即2d)所需的时间时，在M2的透射端将会观测到透射光强I随时间呈指数下降的现象，如图2所示，其中τ₀为光腔衰减的初始特征衰减时间，这种现象称为CRD。CRD光谱技术与其它测量方法的本质区别在于：前者测量的是光在光腔中的衰减时间，是强度的比值，不受光强度波动的影响。光在光腔内可以往返几公里甚至几十公里，这是其它吸收探测测量方法所不能比拟的。然而，传统的CRD光谱技术需要反射率较高的反射镜和高精度的调整装置，以保持两端反射镜的准直等光学特性，因而在使用时对技术的要求较高，应用效果不佳。

光纤环形腔衰落(FLRD，fiber loop ring down)技术是传统CRD光谱技术的发展。FLRD的技术思想是Stewart等人在2001年提出来的，用于气体浓度的测量。FLRD的结构原理如图3所示，利用两个光纤耦合器3取代传统CRD中的两个高反射率镜构成光纤环路4，光源1发出的光束在光纤环路4内每行进一圈都有很小一部分光通过输出光纤耦合器进入光电探测器2，其余大部分的光在腔内继续传播，由于光纤内部传输损失的存在，观察到的信号强度呈指数衰减，光纤传输损失越低，达到相同强度所需的特征衰减时间就越长。当外部有扰动作用于光纤使得光纤传输损失发生变化时，观测到的特征衰减时间就会产生相应的改变，通过检测特征衰减时间的变化即可实现外界物理量的测量。

具体的，FLRD中输出光强可用如下微分方程描述

$\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}=-\frac{\mathrm{IAc}}{\mathrm{nL}}---\left(1\right)$

式(1)中，I表示t时刻的光强，L为光纤长度，c是真空中的光速，n是光纤环路的平均折射率，A是单圈总光纤传输损耗(百分比)。

单圈总光纤传输损耗A一般包括光纤吸收损失、光纤耦合器接入损耗和光纤散射损耗(弯曲损耗)，可写成

A＝αL+E+γ(2)

式(2)中，α为单位长度的光纤吸收系数，E是光纤耦合器接入损耗和光纤熔接损耗，γ为光纤散射损耗。

由式(1)积分可得

$I=I_0\exp (-\frac{c}{\mathrm{nL}}\mathrm{At})---\left(3\right)$

式(3)中I₀为初始强度。定义光强I降至初始强度I₀的1/e时所需的时间为光纤环形腔的初始特征衰减时间τ₀

${\mathrm{\τ}}_0=\frac{\mathrm{nL}}{\mathrm{cA}}---\left(4\right)$

由式(4)可见，影响初始特征衰减时间τ₀大小的所有物理量均是由FLRD中光纤传感器本身的性质所决定的。

当FLRD技术应用于传感时，外界待测物理量，如压力、温度、气体浓度、液体密度、折射率等，将引起额外的光纤传输损耗，从而使光纤环形腔的特征传感特征衰减时间发生变化，通过检测特征传感特征衰减时间即可实现待测物理量的测量。下面以压强传感为例进行简单介绍。

当FLRD用于压强传感时，光纤传输损耗的变化主要是由光纤的光弹效应引起。设外界压强P引起的光纤传输损耗变化量为B，则此时对应的特征衰减时间τ可写成：

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{nL}}{c(A+B)}---\left(5\right)$

式(5)中，光纤传输损耗变化量的计算式为：

B＝βlSP        (6)

式(6)中，β表示压力引起的损耗系数，l表示光纤直接接触压力部分的长度，S表示压强作用面积。

由式(4)～(6)可得

$\frac{1}{\mathrm{\τ}}-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_0}=\frac{c}{\mathrm{nL}}B=\frac{\mathrm{c\βlS}}{\mathrm{nL}}P=\mathrm{kP}---\left(7\right)$

$P=\frac{\frac{1}{\mathrm{\τ}}-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_0}}{k}---\left(8\right)$

式(8)中，

式(8)表明，压强与光纤环形腔的特征衰减时间的倒数成线性关系，即待测压强可由特征衰减时间τ确定。

但是利用普通光纤构成的FLRD传感器在实际应用存在一些明显的缺点，如用于压力传感时存在温度交叉敏感问题，用于气体吸收、液体浓度等测量时无法做到全光纤化等，使得它的应用受到了一定的限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作简单、使用方便、结构精简、测量精度高且易于小型化设计和标准化设计的基于光子晶体光纤的多参量传感器及测量系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种基于光子晶体光纤的多参量传感器，所述多参量传感器输入端设有一接收光源输出光束的输入耦合器，所述多参量传感器输出端设有与一光电探测器相连接的输出耦合器(所述输入耦合器和输出耦合器均可为普通单模光纤耦合器)，其特征在于：所述输入耦合器和输出耦合器之间连接有一段空心光子晶体光纤构成光子晶体光纤环形腔；所述空心光子晶体光纤段为所述多参量传感器的传感头。

如图4所示，空心光子晶体光纤的横截面由非常微小的孔阵列组成，这些小孔是直径为光波长量级的毛细管并平行延伸在光纤中。光子晶体光纤的工作原理是：通过引入空气孔形成光纤中折射率的周期性变化，从而产生光子带隙；如果其中一个孔遭到破坏和缺失，则会出现缺陷，光就局限在缺陷处；如果在具有光子晶体结构的光纤中引入沿光纤伸展的线状缺陷，则从缺陷向周围晶体流出的光就因光子带隙引起的反射而回到缺陷处，于是光就沿缺陷进行传输，最终效果是缺陷成为纤芯，包围在其周围的晶体就成为包层；当外界作用破坏光子晶体光纤截面的圆对称性时，会影响光子晶体光纤内光带隙结构的分布，从而改变光子晶体光纤的光纤吸收系数。

上述技术方案是将现有的FLRD与光子晶体光纤两项技术结合起来，采用空心光子晶体光纤与普通单模光纤耦合器组成所述的多参量传感器，并以空心光子晶体光纤段作为上述多参量传感器的传感头，进而可用一个传感头实现多个参量(例如压力、温度、气体吸收率、液体浓度、折射率等)的测量。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种基于光子晶体光纤的多参量测量系统，所述多参量测量系统包括信号采集、处理及显示模块和权利要求1所述的多参量传感器，所述多参量传感器通过其输入耦合器与所述光源连接，所述多参量传感器通过其输出耦合器与所述的光电探测器连接，所述光电探测器连接至所述信号采集、处理及显示模块。

优选的，所述输入耦合器与所述光源之间还连接有一光线隔离器，以用于保护光源。

针对压力参数的测量，本发明还提供一种基于光子晶体光纤的压力测量系统，所述压力测量系统包括上述的多参量测量系统和安装于上述传感头部分的加压装置，所述加压装置包括充气室、光子晶体光纤夹具和连接器，所述光子晶体光纤夹具通过连接器安装在所述充气室的两侧，所述充气室的外侧另设有控制充气室与外界之间通断的第一充气室开关，所述充气室的外侧还设有控制充气室与待测气压构件之间通断的第二充气室开关。

作为对上述压力测量系统的进一步改进，所述光子晶体光纤夹具包括第一铜棒、第二铜棒和铜柱，所述第一铜棒和第二铜棒均为一端开口的凹槽形结构，所述铜柱置于第一铜棒的凹槽中，所述铜柱的前后两端各设有一密封性软垫，所述第一铜棒的开口端嵌套在所述第二铜棒的凹槽中，所述第一铜棒、第二铜棒、铜柱和密封性软垫的中心处均开设有供所述空心光子晶体光纤穿过的通孔。

优选的，上述光子晶体光纤夹具中，所述第一铜棒靠近开口端的外侧设有外螺纹，所述第二铜棒的凹槽内壁设有内螺纹，所述第一铜棒的开口端通过旋转嵌套在所述第二铜棒的凹槽中并与第二铜棒固接。

作为对上述压力测量系统的进一步改进，所述连接器为一端开口的凹槽形结构，所述连接器底面中心开设有一刚好供所述第一铜棒穿过的通孔，所述第二铜棒的开口端嵌套在所述连接器的凹槽中，所述连接器再固接于所述充气室的侧壁上(同样可以通过螺纹连接进行固定)。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的测量精度更高

相比于传统的FLRD传感技术，本发明的测量精度更高，这主要是因为总光纤传输损耗越小，FLRD的传感特征衰减时间就越长；换句话说，在同样的测量条件下，用光子晶体光纤替代传统光纤的本发明技术方案的测量百分误差就越小；由于光子晶体光纤结构设计的灵活性容易获得极大的压力灵敏度，即压力引起的损耗系数增大，这相当于放大了压力对传感特征衰减时间的影响；由式(7)可知，特征衰减时间的测量百分误差的减小和损耗系数的增大会提高整体参数测量的精度，降低测量误差。此外，光子晶体光纤由同一种材料构成，因此对温度不敏感，大大降低了压力传感时温度噪声的影响，进一步提高了测量精度。

(2)易于小型化设计

传统的FLRD传感技术受制于光纤的弯曲损耗，弯曲半径不能太小，使得光纤环谐振腔体积较大。而本发明中采用的空心光子晶体光纤弯曲损耗可以忽略，理论上不受最小弯曲半径的限制，因此用空心光子晶体光纤替代传统光纤可以使得本发明多参量传感器的设计尺寸大大减小，有利于传感器的小型化设计，便于携带、操作和使用。

(3)光纤环形腔固定简单且易于标准化设计生产

由于普通光纤弯曲损耗的存在，传统FLRD中非传感头部分光纤的形变会对测量结果造成影响，引入额外误差，因此在传感器的设计和制作中需要采用特殊的固定措施。而本发明中，除输入耦合器和输出耦合器使用普通光纤外，其余部分都使用空心光子晶体光纤。由于空心光子晶体光纤理论上弯曲损耗可以忽略，因此消除了光纤环形腔内非传感光纤的形变对测量结果的影响，使得光纤环形腔的固定大为简化，不需作任何防震抗形变等特殊固定措施。本发明的多参量传感器还可用于构成传感器阵列，当所采用的光子晶体光纤和耦合器的规格、光子晶体光纤环形腔腔长及传感头部分接受外界作用的长度与面积均相同时，其传感特性亦相同，而上述几项指标在工业上很容易实现标准化。

(4)应用简单、方便、灵活

本发明作为一种更加先进的FLRD传感技术，与其他测量方法及系统的本质区别在于，本发明的多参量传感器及测量系统所需的物理量为时间，不需要任何光放大设备，所以不会引入ASE噪声而响应迅速；同时，本发明对光源要求较低，不受光强波动的影响。应用本发明测量系统进行测量的方法比较直观，数据处理算法只是简单的最小二乘拟合与简单的代数计算，不需要复杂的信号解调算法。另外，用于不同物理参量测量时，由于传感原理相同，不会在本质上改变传感特性，只需重新定标即可，实现了同一系统多个参量的测量。此外，用于气体吸收、液体浓度、折射率等参量测量时，避免了传统FLRD系统必须使用开放式传感头的缺点，实现了系统的全光纤化，使得系统更加稳定，使用起来也更为方便。

综上，本发明基于光子晶体光纤的多参量传感器及测量系统能够有效测量压力、温度、气体吸收、液体浓度、折射率等多种参数，不仅具有传统FLRD传感技术信号解调简单、响应迅速、设计灵活性及不受光强度波动影响等优点，同时还解决了传统FLRD体积大、难以微型化设计、光纤环形腔固定难、用于压力传感时的温度交叉敏感、用于气体吸收等测量时无法全光纤化等技术问题。

附图说明

图1为CRD光谱技术测量装置的结构示意图。

图2为CRD光谱技术中探测接收到的典型光波衰减波形图样。

图3为FLRD技术的测量装置结构示意图。

图4为光子晶体光纤的横截面照片。

图5为本发明实施例中基于光子晶体光纤的多参量测量系统的结构示意图。

图6为本发明实施例中的加压装置安装到传感头上的结构示意图(俯视)。

图7为图6中的A向视图。

图8为本发明实施例中光子晶体光纤夹具的结构示意图(过通孔中心的剖视图)。

图9为本发明实施例中连接器与光子晶体光纤夹具的安装原理图(过通孔中心的剖视图)。

图10为本发明实施例中基于光子晶体光纤的压力测量系统结构示意图。

图例说明

1、光源；2、光电探测器；3、光纤耦合器；4、光纤环路；5、光纤隔离器；6、多参量传感器；61、输入耦合器；62、输出耦合器；63、空心光子晶体光纤；64、加压装置；641、充气室；642、第一充气室开关；643、第二充气室开关；644、气压控制阀门；645、光子晶体光纤夹具；6451、第一铜棒；6452、第二铜棒；6453、铜柱；6454、第一软皮垫；6455、第二软皮垫；646、连接器；7、信号采集、处理及显示模块；8、待测气压构件；9、引压管。

具体实施方式

实施例

一种如图5所示本发明的基于光子晶体光纤的多参量测量系统，该测量系统包括依次连接的光源1、光纤隔离器5、多参量传感器6、光电探测器2和信号采集、处理及显示模块7；其中的多参量传感器6为本发明的一种基于光子晶体光纤的多参量传感器。

上述的多参量传感器6输入端设有一接收光源1输出光束的输入耦合器61，多参量传感器6输出端设有与光电探测器2相连接的输出耦合器62，输入耦合器61和输出耦合器62之间连接有一段空心光子晶体光纤63构成光子晶体光纤环形腔；该空心光子晶体光纤63段即设为多参量传感器6的传感头。

上述的多参量传感器6通过其输入耦合器61与光纤隔离器5连接，多参量传感器6通过其输出耦合器62与光电探测器2连接，光电探测器2连接至信号采集、处理及显示模块7。

用本实施例的多参量测量系统进行压力参数的测量时，其测量原理和步骤如下：

1、组装压力测量系统

按照如图5～图10所示的安装原理及结构示意组装压力测量系统，具体步骤为：先组装上述的多参量测量系统，然后在多参量测量系统的多参量传感器6的传感头中部安装一加压装置64(让空心光子晶体光纤63穿过加压装置64即可)，然后将待测气压构件8内的气压通过引压管9引入到加压装置64。

上述加压装置64的结构如图6、图7所示，本实施例中的加压装置64主要由充气室641、光子晶体光纤夹具645和连接器646构成。本实施例中的充气室641为一四面开口的类似长方体容器，其中相对分布的第一开口、第四开口均与连接器646相连，第二开口和第三开口相对分布于第一、四开口两侧，第二开口处设有第一充气室开关642，第三开口处设有第二充气室开关643。第一充气室开关642的一侧与充气室641相连通，另一侧与外界相通；第二充气室开关643的一侧与充气室641相连通，另一侧与引压管9上安装的气压控制阀门644相连通。气压控制阀门644的另一侧通过引压管9与待测气压构件8(如果尚未确立定标方程，则应当先连接到标准气压罐进行定标)相连通，气压控制阀门644可以调节和显示充气室641内的压强值。

本实施例中的光子晶体光纤夹具645的结构如图8所示，光子晶体光纤夹具645主要由第一铜棒6451、第二铜棒6452和铜柱6453组成。第一铜棒6451和第二铜棒6452都是一端开口的凹槽型铜棒，第一铜棒6451的外径基本等于第二铜棒6452的内径，第一铜棒6451和第二铜棒6452底面的中心均开设有一供空心光子晶体光纤63通过的光纤孔。第一铜棒6451靠近顶端开口处的外周面上设有外螺纹(本实施例中外螺纹长度即为第二铜棒6452的高度减去其底厚度的数值)，第二铜棒6452靠近其顶端开口处的内壁设有与前述外螺纹相配合的内螺纹，第一铜棒6451的上部同轴旋入第二铜棒6452的内凹槽中，即第一铜棒6451与第二铜棒6452的开口端通过螺纹对接。铜柱6453置于第一铜棒6451的圆柱形凹槽中，并与第一铜棒6451同轴，铜柱6453中心开设有一供空心光子晶体光纤63通过的通孔，通孔的内径满足正好夹持一根空心光子晶体光纤63，且通孔与前述的光纤孔正对。铜柱6453的一端与第一铜棒6451的底面之间设有第一软皮垫6454，另一端与第二铜棒6452的底面之间设有第二软皮垫6455。空心光子晶体光纤63依次穿过第一铜棒6451底端的光纤孔进入第一铜棒6451的凹槽，然后依次穿过第一软皮垫6454、铜柱6453中心的通孔、第二软皮垫6455和第二铜棒6452底端的光纤孔，最后穿出；旋紧第一铜棒6451和第二铜棒6452的螺纹后使第一软皮垫6454和第二软皮垫6455紧紧扣住空心光子晶体光纤63实现对其的密封夹持。

本实施例中的连接器646结构如图9所示，其同样为一带圆柱形凹槽的金属圆筒，其内径与第二铜棒6452的外径基本相等，其底面中心开设有一通孔，通孔的直径和第一铜棒6451的外径相等；其外侧面设有外螺纹，并与充气室641的第一开口螺纹连接。第一铜棒6451穿过连接器646的通孔，并使第二铜棒6452的开口嵌套在连接器646的圆柱形凹槽内，与连接器646内壁卡紧，不留缝隙。

按照上述结构原理及连接方式组装得到本实施例的压力测量系统，同时确保普通光纤与空心光子晶体光纤63之间的低损耗熔接，以便在相同条件下获得最大的测量精度。

2、确立定标方程

由于加压装置64施加横向压力作用引起上述光子晶体光纤环形腔长度的变化很小，可近似认为光子晶体光纤环形腔长度L为常数；选择空心光子晶体光纤63传输损耗随外界横向压力成线性关系的区间为工作区间，即在工作区间内可认为空心光子晶体光纤63的横向压力损耗系数β是常数。由式(4)可知在无外接压力作用的情况下，初始特征衰减时间τ₀为常数，由式(7)可知参数k亦为常数，且1/τ的值与气压P成线性关系。因此，将含光子晶体光纤的加压装置64通过引压管9与标准气压罐连接，对本实施例的压力测量系统进行定标。每一个给定的气压值P_i下得到与图2相似的相对光强随时间的变化规律，利用指数函数拟合得到光强随时间的变化表达式，进而求得给定气压P_i下的特征衰减时间的倒数1/τ。改变标准气压罐的气压值P，即可得到空心光子晶体光纤FLRD在横向压力作用下特征衰减时间τ随压力P变化的关系(即气压P与特征衰减时间倒数1/τ的散点图)，再对横向压力作用下的特征衰减时间倒数1/τ随气压P变化的线性工作区间进行最小二乘线性拟合，求出本实施例中的定标方程及压力测量的线性工作区间，如式(9)所示

$P=a\frac{1}{\mathrm{\τ}}+b,\mathrm{\τ}\∈[{\mathrm{\τ}}_{\min },{\mathrm{\τ}}_{\max }]---\left(9\right)$

式中，a和b是定标后给出的常数，本实施例中a＝1.5485×10⁵，b＝6.2836×10⁵，特征衰减时间τ的单位取μs。

3、待测气压测量

最后，将待测气压构件8通过引压管9与加压装置64连接好，确保气密性。根据此气压下测量得到的特征衰减时间τ的数值，再根据式(9)即可得出待测气压值P₀。

Claims (7)

1.一种基于光子晶体光纤的多参量传感器，所述多参量传感器输入端设有一接收光源输出光束的输入耦合器，所述多参量传感器输出端设有与一光电探测器相连接的输出耦合器，其特征在于：所述输入耦合器和输出耦合器之间连接有一段空心光子晶体光纤构成光子晶体光纤环形腔；所述空心光子晶体光纤段为所述多参量传感器的传感头。

2.一种基于光子晶体光纤的多参量测量系统，其特征在于：所述多参量测量系统包括信号采集、处理及显示模块和权利要求1所述的多参量传感器，所述多参量传感器通过其输入耦合器与所述光源连接，所述多参量传感器通过其输出耦合器与所述的光电探测器连接，所述光电探测器连接至所述信号采集、处理及显示模块。

3.根据权利要求2所述的基于光子晶体光纤的多参量测量系统，其特征在于：所述输入耦合器与所述光源之间还连接有一光线隔离器。

4.一种基于光子晶体光纤的压力测量系统，其特征在于：所述压力测量系统包括权利要求2或3所述的多参量测量系统和安装于所述传感头部分的加压装置，所述加压装置包括充气室、光子晶体光纤夹具和连接器，所述光子晶体光纤夹具通过连接器安装在所述充气室的两侧，所述充气室的外侧另设有控制其与外界和待测气压构件之间通断的第一、二充气室开关。

5.根据权利要求4所述的基于光子晶体光纤的压力测量系统，其特征在于：所述光子晶体光纤夹具包括第一铜棒、第二铜棒和铜柱，所述第一铜棒和第二铜棒均为一端开口的凹槽形结构，所述铜柱置于第一铜棒的凹槽中，所述铜柱的前后两端各设有一密封性软垫，所述第一铜棒的开口端嵌套在所述第二铜棒的凹槽中，所述第一铜棒、第二铜棒、铜柱和密封性软垫的中心处均开设有供所述空心光子晶体光纤穿过的通孔。

6.根据权利要求5所述的基于光子晶体光纤的压力测量系统，其特征在于：所述第一铜棒靠近开口端的外侧设有外螺纹，所述第二铜棒的凹槽内壁设有内螺纹，所述第一铜棒的开口端通过旋转嵌套在所述第二铜棒的凹槽中并与第二铜棒固接。

7.根据权利要求4、5或6所述的基于光子晶体光纤的压力测量系统，其特征在于：所述连接器为一端开口的凹槽形结构，所述连接器底面中心开设有一刚好供所述第一铜棒穿过的通孔，所述第二铜棒的开口端嵌套在所述连接器的凹槽中，所述连接器固接于所述充气室的侧壁上。

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