CN102778324B - 基于正交双偏振光纤激光器的液压传感器 - Google Patents
基于正交双偏振光纤激光器的液压传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了基于双偏振光纤激光器的光纤液压传感器，包括正交偏振双频光纤激光器，还包括将光纤激光器完全包裹的紫外固化胶固化物和在光纤激光器一侧的石英U型槽且在液压信号作用下向光纤激光器施加侧向作用力的增敏构件。本发明利用正交偏振双频光纤激光器作为传感单元，正交偏振双频光纤激光器在无线电射频域产生一个拍频信号，将液压信号转换为此拍频信号频率的变化，通过检测拍频信号频率来实现对声压的测量，灵敏度高、解调简单、易于复用。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于检测液体压力信号的传感器，特别涉及一种基于光纤技术检测静态或准静态液体压力信号的传感器。
背景技术
目前，压力传感器种类较多，比较常见的有电感式、电阻式、电容式和压电式，它们主要是基于电学原理设计制作而成的，它们将液体压力信号的变化转换为电压或电流的一些参量的变化，由此实现声压信号测量。其缺点是，易受电磁干扰、稳定性差、寿命短。特别是，电子元器件一般需要本地仪器，不适合于深水或油井中部署阵列测量液体的静态或准静态液压。
光纤传感器技术可弥补传统电子式液压传感器的上述不足。相对于传统的电类传感器，光纤传感器具有以下优点：灵敏度高、不受电磁干扰、结构小巧、易于组网等，在众多领域已经取代传统的电类传感器，具有更广泛的应用前景。
在光纤液压传感器开发方面，已经进行了多种尝试。通过对各种光纤传感原理了解，可归纳出光纤传感基本原理：光源发出的光经过受外界参数作用的调制区后参数发生变化，经过探测器检测得出外界参数变化量。光的参数改变分为波长、频率、相位、光强和偏振态的改变，这些参数最终需转化为波长或光强才能被探测器接收。
例如，文献“Measurements of polarimetric sensitivity to hydrostatic pressure,strain and temperature in birefringent dual-core microstructured polymer fiber”（参见Szczurowski,Marcin K;Martynkien,Tadeusz;Statkiewicz-Barabach,Gabriela;Urbanczyk,Waclaw;Webb,David J，Optics Express,Vol.18Issue12,pp.12076-12087，2010）描述了基于双芯朔料光纤，采用干涉方法对信号进行解调的液压传感器。这类基于干涉方法解调信号的液压传感器一般具有较高的灵敏度，但是其复用能力差，需要非常复杂的技术才能够实现传感器组网，阵列部署时成本十分昂贵。
再如，文献“High-sensitivity temperature-independent differential pressuresensor using fiber Bragg gratings”（参见Sheng,Hao-Jan;Liu,Wen-Fung;Lin,Kuei-Ru;Bor,Sheau-Shong;Fu,Ming-Yue，Optics Express,Vol.16Issue20,pp.16013-16018，2008）描述了基于光纤光栅的液压传感器，为了提高灵敏度附加了复杂的增敏装置。这类基于光纤光栅的传感器将液压转换为光纤光栅的工作波长的变化，通过检测波长变化获知声压信息。这类传感器易于复用，但一般灵敏度较低，增敏装置往往比较复杂且需要波长解调，解调设备昂贵。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种解调成本低廉、体积小、增敏结构简单、易于组网的光纤液压传感器。本发明利用光电探测器作为传感单元，光电探测器在无线电射频域产生一个拍频信号，它将液压信号转换为此拍频信号频率的变化，通过检测拍频信号频率来实现对液压的测量，灵敏度高、解调简单、易于复用。
本发明的目的可以通过下述技术方案实现：基于双偏振光纤激光器的液压传感器，包括光纤激光器、增敏构件、光电探测器和信号解调单元；所述光纤激光器封装在增敏构件的应力分布不对称区域，增敏构件在液压信号作用下向光纤激光器施加侧向作用力，使光纤激光器的两个正交方向受到不相等的压力；所述光纤激光器、光电探测器和信号解调单元依次连接，光电探测器将光纤激光器所产生的两束正交偏振的激光信号转化为一个无线电射频域的拍频信号，拍频信号的频率随光纤激光器的光纤慢轴与光纤快轴的有效折射率之差改变而改变。
所述增敏构件包括第一硬体单元和第二硬体单元；所述第一硬体单元的杨氏模量大于第二硬体单元的杨氏模量，第一硬体单元在光纤激光器侧面，第二硬体单元完全包裹第一硬体单元及光纤激光器。
所述第一硬体单元为金属丝；所述第二硬体单元为胶体固化物。
所述第一硬体单元为钢丝，所述第二硬体单元为紫外固化胶固化物。
所述增敏构件还包括为半封闭凹型槽状物的第三硬体单元；所述第三硬体单元作为基座通过第二硬体单元与光纤激光器和第一硬体单元粘结。
所述第三硬体单元为石英U型槽。
所述第二硬体单元与光纤激光器面接触；第一硬体单元与第二硬体单元面接触；第二硬体单元与第三硬体单元面接触。
上述液压传感器还包括泵浦光源、泵浦光隔离器、WDM波分复用器、激光隔离器、起偏器和检偏器，泵浦光源、泵浦光隔离器和WDM波分复用器依次连接，光纤激光器、WDM波分复用器、激光隔离器、起偏器、检偏器和光电探测器依次连接。
所述信号解调单元为频谱分析仪或解调电路。所述泵浦光源为980nm泵浦光源；所述泵浦光隔离器对对应泵浦源发出的特定波长的光起隔离作用；所述激光隔离器为1550nm光隔离器。
所述光纤激光器为分布布拉格反射光纤激光器（通过在同一个增益光纤上刻写一对波长匹配的布拉格光栅构成谐振腔，由外设980nm泵浦光源作为泵源的单纵模激光器）或者为分布反馈光纤激光器（通过在增益光纤上刻写一个相移为π/2的相移光栅，由外设980nm泵浦光源作为泵源的单纵模激光器）。
本发明的工作原理如下：泵浦光通过泵浦光隔离器，由WDM波分复用器的980nm端口进入WDM波分复用器再由WDM波分复用器的公共端口进入光纤激光器，光纤激光器发出具有两束正交偏振态的激光，这两束激光再通过WDM波分复用器的公共端口进入WDM波分复用器，由WDM波分复用器的1550nm端口进入1550nm隔离器再通过起偏器，再通过检偏器进入光电探测器，在光电探测器内将两束正交偏振的激光信号转化为一个无线电射频域拍频信号，当光纤激光器的两个正交方向受到不同的压力时，光纤激光器的双折射发生改变使两束正交偏振的激光的频率差发生改变，从而此拍频信号的频率会发生改变。在胶体固化物、细钢丝与U型槽构成的增敏构件的封装结构中，由于细钢丝的杨氏模量远大于胶体固化物的杨氏模量，造成封装结构的不对称，引起胶体固化物中的应力分布不对称，这种不对称的封装结构在液体中将原本对光纤激光器的两个正交方向贡献压力基本相等的液压信号（在不应用增敏构件时拍频信号频率对液压信号的变化不敏感）转化为对光纤激光器两个正交方向不等的压力，使光纤激光器的双折射（既光纤慢轴与光纤快轴的有效折射率之差）发生改变从而导致拍频信号的频率发生变化，实现增敏。因此，通过检测拍频信号能够实现对静态或准静态液压的测量。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：与传统的电类传感器相比，具有不受电磁干扰等优点；与现有光纤声压传感器相比，将声压信号转换为在无线电射频域的拍频信号，它具有灵敏度高、解调简单、解调成本低廉、易于复用等优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的侧视图；
图3是本发明的液压传感光路原理图；
图4是应用增敏构件时与未用增敏构件时的灵敏度对比图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1、2所示，在本实施例中，作为第一硬体单元的细钢丝2在光纤激光器1侧面，光纤激光器1和细钢丝2被作为第二硬体单元的紫外固化胶固化物3完全包裹，作为第三硬体单元的石英U型槽4通过作为基座的紫外固化胶固化物3与光纤激光器1和细钢丝2粘结。细钢丝2、紫外固化胶固化物3与石英U型槽4对光纤激光器1的不对称封装结构将在液体中原本对光纤激光器的两个正交方向贡献压力基本相等的液压信号转化为对光纤激光器两个正交方向不等的压力，使光电探测器所产生的拍频信号对液压信号的变化敏感；改变光纤激光器的双折射使两束正交偏振的激光的频率差发生改变，从而使拍频信号的频率发生改变，以此测量液体的压力值。光纤激光器1为正交偏振双频激光器，当光纤激光器的双折射（既光纤的慢轴与快轴的有效折射率之差）发生变化时，光纤激光器的偏振拍频信号的频率发生变化，故而，光纤激光器的偏振拍频随液压信号而变化。
如图3所示，泵浦光源10产生的泵浦光通过泵浦光隔离器11，由WDM波分复用器12的980nm端口进入WDM波分复用器12再由WDM波分复用器12的公共端口进入光纤激光器1，光纤激光器1发出两束正交偏振的激光信号，这两束激光再通过WDM波分复用器12的公共端口进入WDM波分复用器12，由WDM波分复用器12的1550nm端口经1550nm光隔离器5进入起偏器6，再通过检偏器7进入光电探测器8，在光电探测器8内两束正交偏振的激光信号转化为一个无线电射频域拍频信号，最后通过解调电路9将信号解调。
如图4所示，在应用增敏构件封装之前传感器的灵敏度为-0.59MHz/MPa，使用增敏构件封装之后的灵敏度为53.9MHz/MPa，灵敏度提高了90多倍。
本领域技术人员很容易想到：在具体实施中，光纤激光器1既可以采用分布布拉格反射（DBR）结构，也可以采用分布反馈（DFB）结构；增益光纤既可以采用掺铒光纤，也可以采用Er/Yb共掺光纤；细钢丝2可由其他杨氏模量较大的金属丝代替；紫外固化胶固化物3可以由其他胶体固化物代替；石英U型槽4也可以由其他材质较坚硬的半封闭凹型槽状物代替。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于双偏振光纤激光器的液压传感器，其特征在于：包括光纤激光器、增敏构件、光电探测器和信号解调单元；所述光纤激光器封装在增敏构件的应力分布不对称区域，增敏构件在液压信号作用下向光纤激光器施加侧向作用力，使光纤激光器的两个正交方向受到不相等的压力；所述光纤激光器、光电探测器和信号解调单元依次连接，光电探测器将光纤激光器所产生的两束正交偏振的激光信号转化为一个无线电射频域的拍频信号，拍频信号的频率随光纤激光器的光纤慢轴与光纤快轴的有效折射率之差改变而改变；
所述增敏构件包括第一硬体单元、第二硬体单元以及第三硬体单元；所述第一硬体单元的杨氏模量大于第二硬体单元的杨氏模量，所述第一硬体单元设置在光纤激光器侧面，第二硬体单元完全包裹第一硬体单元及光纤激光器，所述第三硬体单元作为基座通过第二硬体单元与光纤激光器和第一硬体单元粘结，第三硬体单元为半封闭凹型槽状物，与第一硬体单元、第二硬体单元组成的增敏构件为不对称封装结构。
2.根据权利要求1所述的液压传感器，其特征在于：所述第一硬体单元为金属丝；所述第二硬体单元为胶体固化物。
3.根据权利要求2所述的液压传感器，其特征在于：所述第一硬体单元为钢丝，第二硬体单元为紫外固化胶固化物。
4.根据权利要求1所述的液压传感器，其特征在于：所述第三硬体单元为石英U型槽。
5.根据权利要求1所述的液压传感器，其特征在于：还包括泵浦光源、泵浦光隔离器、WDM波分复用器、激光隔离器、起偏器和检偏器，泵浦光源、泵浦光隔离器和WDM波分复用器依次连接，光纤激光器、WDM波分复用器、激光隔离器、起偏器、检偏器和光电探测器依次连接。
6.根据权利要求1所述的液压传感器，其特征在于：所述光纤激光器为正交偏振双频光纤激光器。
7.根据权利要求1所述的液压传感器，其特征在于：所述光纤激光器为分布布拉格反射光纤激光器或者为分布反馈光纤激光器。
8.根据权利要求1所述的液压传感器，其特征在于：所述信号解调单元为频谱分析仪或解调电路。
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