CN102706494A - 一种基于光纤光栅反射光偏振参量的实时压力传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种光栅反射光偏振参量的实时压力传感方法，可调谐激光器（1）发出的激光顺序经隔离器（2）、在线起偏器（3）、可旋转光纤连接端口（A、B）和偏振控制器a（4）后进入环形器（5）第一端口（①），第二端口（②）连接传感光纤光栅（6），从光纤光栅（6）中反射的光从第三端口（③）输出经偏振控制器b（7）进入在线偏振检测模块（8），输出四路包含偏振信息的模拟电压信号V₁,V₂,V₃,V₄，经过模/数转换模块（9）将四路模拟电压信号转换成数字信号，进入信号处理和显示模块（10），得到反射光偏振态的四个斯托克斯参量S₀，S₁,S₂,S₃以及其它偏振相关参量，通过实时监测归一化第一斯托克斯参量s₁=S₁/S₀数值对传感光纤光栅上所受压力进行传感。

Description

一种基于光纤光栅反射光偏振参量的实时压力传感方法

技术领域

本发明是一种利用光纤光栅反射光的偏振参量对压力进行实时监测的光纤传感设备。

背景技术

当光纤受到外界环境（温度、应力、磁场、压力等）影响时，光纤中传输光的强度、相位、频率、偏振态等参量会相应的发生变化。通过检测传输光的这些参量便可获知相应物理量的变化，这种技术称为光纤传感技术。

光纤光栅作为一种成熟的全光纤器件，由于其本身具有的体积小，插入损耗低，易于与其他光纤器件集成等特点，在光纤通信和光纤传感领域中有着非常重要的应用，目前多数是利用波长偏移量进行温度传感和应力传感。其测量原理主要是利用外界参量变化引起的光纤光栅的折射率或光栅周期的变化从而导致布拉格波长发生偏移，通过测量偏移量达到传感的目的。

现有利用光纤光栅对压力的测量主要是光纤布拉格光栅在压力负载条件下的谐振波长分裂，通过对x偏振光和y偏振光幅度谱中心波长的偏移量检测外在压力。这种方法在压力较小时，总幅度谱很难察觉到两种本征模中心波长的差别，检测较为困难。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种新颖的基于偏振参量测量的、灵敏度和动态范围可调节的基于光纤光栅反射光偏振参量的实时压力传感方法。

技术方案：为达到上述目的，本发明提供了一种基于光纤光栅反射光偏振参量的实时压力传感方法；该实时压力传感方法基于一个实时压力传感器，该实时压力传感器包括可调谐激光器、光隔离器、在线起偏器、偏振控制器a、环形器、传感用光纤光栅、偏振控制器b、偏振检测模块、模/数转换模块、信号处理和显示单元；可调谐激光器发出的激光经过光隔离器进入在线起偏器，输出的线偏振光经可旋转光纤连接端口和偏振控制器a后进入环形器第一端口，第二端口连接传感光纤光栅，从光纤光栅中反射的光从第三端口输出经偏振控制器b进入在线偏振检测模块，从检测模块输出四路包含偏振信息的模拟电压信号V₁,V₂,V₃,V₄，经过模/数转换模块将四路模拟电压信号转换成数字信号，进入信号处理和显示模块，经过信号处理从模拟电压信号V₁,V₂,V₃,V₄中得到反射光偏振态的四个斯托克斯参量S₀,S₁,S₂,S₃以及其它偏振相关参量，通过实时监测归一化第一斯托克斯参量数值s₁=S₁/S₀，对传感光纤光栅上所受压力进行传感；

加载在光纤光栅上的压力导致反射光信号的归一化第一斯托克斯参量数值随外加压力大小发生变化；通过在线偏振检测模块检测归一化第一斯托克斯参量即可对外加压力进行实时监测。

所述的光隔离器用来隔离并减少光纤光栅和各光器件接头上的反射信号的影响。

采用偏振控制器a和偏振控制器b来调节和补偿光路中普通单模光纤引入的相位差。

旋转光纤连接端口的相对位置，用来调节在线起偏器输出的线偏振光的入射角度，从而带来不同的灵敏度、动态范围和线性度。

采用固定波长点实现实时监测；可调谐激光器发出的激光波长位于光纤光栅中心波长两边的通带内，不同波长点的选择带来不同灵敏度、动态范围和线性度。

所述的光纤光栅，改变其长度、折射率调制系数，用以调节压力测量的灵敏度和动态范围。

选取合适的光纤光栅物理参量、可调谐激光器的波长或者调节在线起偏器输出的线偏振光的角度，可以使反射光归一化第一斯托克斯参量值和外加压力之间具有良好的线性关系，并且灵敏度和动态范围均可进行调节。

有益效果：本发明利用光纤光栅在外加压力作用下产生线双折射，导致反射光的斯托克斯参量发生变化，采用单波长源实现对压力大小的实时传感，同时灵敏度和动态范围均可进行调节。克服了传统的基于幅度谱波长偏移测量的光栅压力传感方法不适合小压力传感的缺点。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于光纤光栅反射光偏振参量的实时压力传感器结构图。

图2是实例1中的第一斯托科斯参量变化量（Δs₁）与外加压力的关系曲线。光栅参数：光栅周期Λ=535nm，光纤纤芯折射率n_eff=1.448，长度L=10mm，折射率调制系数δn=1×10^-4，可调谐激光器波长λ_p=1549.54nm，入射起偏角45°。

图3是实例2中的第一斯托科斯参量变化量（Δs₁）与外加压力的关系曲线。光栅参数：光栅周期Λ=535nm，光纤纤芯折射率n_eff=1.448，长度L=5mm，折射率调制系数δn=0.5×10^-4，可调谐激光器波长λ_p=1549.45nm，入射起偏角45°。

具体实施方式

本发明的基于光纤光栅反射光偏振参量的实时压力传感方法基于一个实时压力传感器，该实时压力传感器包括可调谐激光器1、光隔离器2、在线起偏器3、偏振控制器a4、环形器5、传感用光纤光栅6、偏振控制器b7、偏振检测模块8、模/数转换模块9、信号处理和显示单元10；可调谐激光器1发出的激光经过光隔离器2进入在线起偏器3，输出的线偏振光经可旋转光纤连接端口A、B和偏振控制器a4后进入环形器5第一端口①，第二端口②连接传感光纤光栅6，从光纤光栅6中反射的光从第三端口③输出经偏振控制器b7进入在线偏振检测模块8，从检测模块输出四路包含偏振信息的模拟电压信号V₁,V₂,V₃,V₄，经过模/数转换模块9将四路模拟电压信号转换成数字信号，进入信号处理和显示模块10，经过信号处理从模拟电压信号V₁,V₂,V₃,V₄中得到反射光偏振态的四个斯托克斯参量S₀,S₁,S₂,S₃以及其它偏振相关参量，通过实时监测归一化第一斯托克斯参量数值s₁=S₁/S₀，对传感光纤光栅上所受压力进行传感；

加载在光纤光栅6上的压力导致反射光信号的归一化第一斯托克斯参量数值随外加压力大小发生变化；通过在线偏振检测模块8检测归一化第一斯托克斯参量即可对外加压力进行实时监测。

基于光纤光栅反射光偏振参量的实时压力传感器结构图如图1所示，其对压力进行测量的具体实施步骤如下所示：

1）制作光纤光栅，测量其反射谱，在通带范围内选择测量波长λ_p；

2）可调谐激光器1发出波长为λ_p的激光经过光隔离器2进入在线起偏器3；

3）输出的线偏振光经偏振控制器a4后进入环形器5第一端口①，环形器第二端口②连接传感光纤光栅6；

4）调整偏振控制器a4和偏振控制器b7用于调节和补偿光路中普通单模光纤引入的相位差；

5）旋转光纤连接端口A和B的相对位置调节入射线偏振光的起偏角度；

6）加载在传感光纤光栅6上的外在压力导致反射光的斯托科斯参量发生变化；

7）反射光从环形器5的第三端口③输出经偏振控制器b7进入在线偏振检测模块8，输出模拟电压信号；

8）模/数转换模块9将模拟电压信号转换成数字信号，进入信号处理和显示模块10，得到反射光偏振态的斯托克斯参量。

【实例1】设计光栅参数：周期Λ=535nm，光纤纤芯折射率n_eff=1.448，长度L=10mm，折射率调制系数δn=1×10^-4。调节偏振控制器a4和偏振控制器b7进行相位补偿。旋转光纤连接端口A和B的相对位置使入射线偏振光起偏角度为45°。选择可调谐激光器波长λ_p=1549.54nm。当传感光纤光栅6受到外在压力的影响，会使线双折射发生变化，从而导致反射光的第一斯托科斯参量发生变化。反射光经线偏振检测模块8检测出偏振参量的变化，经过模/数转换模块9，在信号处理和显示模块10中实时显示归一化第一斯托科斯参量数值，实时监测所受压力的大小。在此例中，归一化第一斯托科斯参量变化量Δs₁与外在压力的理论关系如图2所示，其中动态范围约为6N，灵敏度约为0.1667/N。

【实例2】设计光栅参数：周期Λ=535nm，光纤纤芯折射率n_eff=1.448，长度L=5mm，折射率调制系数δn=0.5×10^-4。调节偏振控制器a4和偏振控制器b7进行相位补偿。旋转光纤连接端口A和B的相对位置使入射线偏振光起偏角度为45°。选择可调谐激光器波长λ_p=1549.45nm。在此例中，归一化第一斯托科斯参量变化量Δs₁与外在压力的理论关系如图3所示，此例中动态范围约为15N，灵敏度约为0.0667/N。

Claims (6)

1.一种基于光纤光栅反射光偏振参量的实时压力传感方法，其特征是该实时压力传感方法基于一个实时压力传感器，该实时压力传感器包括可调谐激光器（1）、光隔离器（2）、在线起偏器（3）、偏振控制器a（4）、环形器（5）、传感用光纤光栅（6）、偏振控制器b（7）、偏振检测模块（8）、模/数转换模块（9）、信号处理和显示单元（10）；可调谐激光器（1）发出的激光经过光隔离器（2）进入在线起偏器（3），输出的线偏振光经可旋转光纤连接端口（A、B）和偏振控制器a（4）后进入环形器（5）第一端口（①），第二端口（②）连接传感光纤光栅（6），从光纤光栅（6）中反射的光从第三端口（③）输出经偏振控制器b（7）进入在线偏振检测模块（8），从检测模块输出四路包含偏振信息的模拟电压信号V₁,V₂,V₃,V₄，经过模/数转换模块（9）将四路模拟电压信号转换成数字信号，进入信号处理和显示模块（10），经过信号处理从模拟电压信号V₁,V₂,V₃,V₄中得到反射光偏振态的四个斯托克斯参量S₀,S₁,S₂,S₃以及其它偏振相关参量，通过实时监测归一化第一斯托克斯参量数值s₁=S₁/S₀，对传感光纤光栅上所受压力进行传感；

加载在光纤光栅（6）上的压力导致反射光信号的归一化第一斯托克斯参量数值随外加压力大小发生变化；通过在线偏振检测模块（8）检测归一化第一斯托克斯参量即可对外加压力进行实时监测。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅反射光偏振参量的实时压力传感方法，其特征在于所述的光隔离器（2）用来隔离并减少光纤光栅和各光器件接头上的反射信号的影响。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅反射光偏振参量的实时压力传感方法，其特征在于采用偏振控制器a（4）和偏振控制器b（7）来调节和补偿光路中普通单模光纤引入的相位差。

4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅反射光偏振参量的实时压力传感方法，其特征在于旋转光纤连接端口（A、B）的相对位置，用来调节在线起偏器（3）输出的线偏振光的入射角度，从而带来不同的灵敏度、动态范围和线性度。

5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅反射光偏振参量的实时压力传感方法，其特征在于采用固定波长点实现实时监测；可调谐激光器（1）发出的激光波长位于光纤光栅（6）中心波长两边的通带内，不同波长点的选择带来不同灵敏度、动态范围和线性度。

6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅反射光偏振参量的实时压力传感方法，其特征在于所述的光纤光栅（6），改变其长度、折射率调制系数，用以调节压力测量的灵敏度和动态范围。

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