CN103017687A - 正交偏振光纤光栅矢量扭转传感装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正交偏振光纤光栅矢量扭转传感装置及其检测方法，所述扭转传感装置包括VCSEL光源、偏振处理单元、传感探头、正交偏振解调处理单元以及光纤环形器/耦合器，所述偏振处理单元、传感探头和正交偏振解调处理单元通过光纤环形器/耦合器连接；所述扭转传感装置的检测方法是以保偏光纤布拉格光栅为传感单元，通过正交偏振矢量解调单元，同时得到两组相互正交的偏振态能量强度信息，进而通过矢量分析模块实现对扭转角度和方向的精确测量。本发明的扭转传感装置采用全光纤结构，集成度高、稳定性好，而且结构紧凑、灵敏度高，可实现温度变化自校准和光源抖动抑制功能，具有成本低廉和易于组网的优点。

Description

正交偏振光纤光栅矢量扭转传感装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种扭转传感装置及其检测方法，尤其是一种正交偏振光纤光栅矢量扭转传感装置及其检测方法，属于扭转传感器领域。

背景技术

由于工程仪器及仪表测试的需求不断增长，有关扭转传感器的研制与开发日益受到重视并得到了迅速发展。就传感结构而言，已报道的扭转传感器可分为机械式、电磁式、体光栅式和光纤式等多种结构。机械式传感结构基于轴向应变片传感，其机械加工要求高,成本开销大；电磁式传感结构基于电磁离合器式测功机,其体积较大，且易受电磁场干扰；体光栅式传感器受机械加工精度、材料与器件特性的非线性制约，其应用受到限制。

光纤传感技术以光纤为物理媒质、以光波为信息载体，具有结构小巧、灵敏度高、抗电磁干扰、绝缘性好、耐腐蚀、本质安全以及便于多点组网和远距离遥测等优点，非常适合于应用在一些传统传感器受到限制的领域。光纤传感器按照其传感机理可以分为强度调制型、干涉型、光纤光栅型、光纤激光型等。由于其具有以上优点，因而得到越来越广泛的研究和应用。

经过近30年的发展，光纤传感技术取得了较快的发展。在光纤扭转传感研究的相关报道中，南开大学曾经提出过一种双向可调光纤扭转传感器。该传感器将多模光纤缠绕在弹性圆棒的表面，两端用特种胶刚性粘贴，由于圆形横截面几何形状的对称性，在一定的扭角范围内，因扭转引起的纵向、横向以及弯曲形变很微小，可以认为其横截面仍然保持平面，仅有扭转形变。这时，扭梁的扭转可作为纯扭转问题处理，由此设计了一种新型的多模光纤扭转传感器。这种扭转传感器具有灵敏度高的特点，但是能够测量的扭角范围仅仅在±40°,而且无法排除外界自然光对光功率计的影响,即无功率自校准功能，极大的影响了此种传感器的应用。

又如，燕山大学报道的一种高双折射光纤光栅扭转传感器，其通过反射率的差值与扭转角度的线性关系来测得扭转角度。这种传感器同样具有较高的灵敏度，但其缺点是需要通过空间几何光学器件进行检偏，非全光纤解调，传感系统体积大且稳定性差；与此同时，传感系统仅能得到单一偏振态下（由空间几何光学器件检偏得到）的能量输出，无法同时得到两组相互正交的偏振态能量信息，因此不能实现矢量扭转检测。

发明内容

本发明的目的，是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种采用全光纤结构，集成度高、稳定性好的正交偏振光纤光栅矢量扭转传感装置。

本发明的另一目的在于提供一种正交偏振光纤光栅矢量扭转传感装置的检测方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

正交偏振光纤光栅矢量扭转传感装置，其特征在于：包括VCSEL光源、偏振处理单元、传感探头、正交偏振解调处理单元以及光纤环形器/耦合器，所述偏振处理单元、传感探头和正交偏振解调处理单元通过光纤环形器/耦合器连接；其中，

所述偏振处理单元包括起偏器和偏振控制器，所述VCSEL光源、起偏器和偏振控制器依次连接；

所述传感探头包括单模光纤、可扭转作用于单模光纤的光纤扭转器以及一端固定于光纤扭转器且另一端悬空的保偏光纤探头，所述保偏光纤探头包括保偏光纤和写制于保偏光纤内的保偏光纤光栅，所述单模光纤与保偏光纤纤芯准直熔接，在单模光纤与保偏光纤熔接处形成的单模-保偏光纤熔接点位于保偏光纤光栅前端；

所述正交偏振解调处理单元包括偏振分束器、第一光强探测器、第二光强探测器以及矢量分析模块，所述第一光强探测器和第二光强探测器分别与偏振分束器的输出端连接，所述第一光强探测器和第二光强探测器还分别与矢量分析模块连接。

作为一种优选方案，所述VCSEL光源通过电流驱动，其输出光谱带宽为1~2nm，输出光谱中心波长与保偏光纤光栅纤芯模波长匹配，可实现高功率输出。

作为一种优选方案，所述光纤扭转器为一个均质、对称、各向同性且横截面是同心圆的空心弹性体，其采用合金的材质制成。

作为一种优选方案，所述光纤扭转器与保偏光纤探头固定的一端为扭转端，其采用合金的弹性材料制成，可保证单模光纤得到充分的固定，不发生径向旋转和轴向伸缩，转动角度可在圆周内自由选择。

作为一种优选方案，所述光纤扭转器与单模-保偏光纤熔接点之间的间距小于5mm。

作为一种优选方案，所述单模-保偏光纤熔接点与保偏光纤光栅之间的间距小于2mm。

作为一种优选方案，所述保偏光纤光栅为保偏光纤布拉格光栅，其长度小于10mm，体积小，可实现嵌入式检测。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

正交偏振光纤光栅矢量扭转传感装置的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1）电流驱动VCSEL光源输出入射光，入射光经过起偏器转变成偏振光，由偏振控制器对偏振光的偏振方向进行调节，使偏振光的偏振方向与保偏光纤偏振方向相一致；

2）偏振光通过光纤环形器/耦合器到达单模光纤内，再经过保偏光纤光栅纤芯模反射，形成具有两个相互正交的偏振态的反射偏振光，传输回单模光纤，再次进入光纤环形器/耦合器，然后输出至正交偏振解调处理单元，由偏振分束器将偏振光的两个偏振态的正交分量分开，并进行窄带滤波，通过第一光强探测器和第二光强探测器分别探测偏振光的两个偏振态的反射能量强度；

3）此时，光纤扭转器扭转作用于单模光纤，使单模光纤的扭转角度发生变化，光纤扭转器产生的扭转应变使进入保偏光纤光栅的偏振光偏振方向发生改变，导致反射偏振光的两个偏振态的正交分量也发生变化；

4）通过第一光强探测器和第二光强探测器分别探测变化后偏振光的两个偏振态的反射能量强度，通过矢量分析模块对两个偏振态的正交分量进行矢量合成，确定扭转的角度和方向。

作为一种优选方案，所述反射偏振光形成的反射光谱为具有一定波长间隔的双峰，该双峰分别对应两个偏振态。

作为一种优选方案，步骤4）所述通过矢量分析模块对两个偏振态的正交分量进行矢量合成是先进行归一化，后采用拟合曲线进行合成。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的扭转传感装置以保偏光纤布拉格光栅为传感单元，通过正交偏振矢量解调单元，同时得到两组相互正交的偏振态能量强度信息，进而通过矢量分析模块实现对扭转角度和方向的精确测量，采用全光纤结构，集成度高、稳定性好。

2、本发明的扭转传感装置引入新型VCSEL激光光源取代传统的宽带光源，实现高功率输出（优于宽带光源15dB）、扫描带宽可调（小于5nm）、中心波长可控（驱动电流调节，在10nm范围内）的效果，可基于高速时分复用实现单一光源为多个传感探头的提供所需光源。

3、本发明的扭转传感装置的传感探头为探针式探头，其传感基元仅为单一长度小于10mm的光纤光栅，体积较小，且采取的是反射式工作，可实现探针式测量，其高集成度非常适合嵌入式检测。

4、本发明的扭转传感装置的单模光纤与保偏光纤纤芯为准直熔接，可以保证反向传输纤芯模能更准直地从保偏光纤传输回单模光纤，避免引入过大的熔接损耗和不可预知的偏振干扰，保证熔接处的机械强度和偏振稳定性。

5、本发明的扭转传感装置根据实验表明，经过光纤光栅反射的偏振光，其形成的反射光谱的双峰峰值不随温度改变，因此适合在温度变化的环境下工作，克服了传统传感器在野外恶劣环境下以及不同季节使用过程中温度变化带来的稳定性下降问题。

6、本发明的扭转传感装置，经过光纤光栅反射的偏振光，其形成的反射光谱的双峰在两个相互正交的偏振态下具有极高的消光比（优于15dB），确保系统的高精度旋转角度测量。

7、本发明的扭转传感装置的正交偏振解调处理单元由全光纤器件构成，并且基于光强探测的解调方式极大降低了系统的成本，解调速度快（可达1MHz）、解调成本低（无需滤波器），并且由于使用的是VCSEL光源，所以光源与解调系统可集成度高（模块化设计）。

8、本发明的扭转传感装置的正交偏振解调处理单元集偏振分束、高灵敏度光强探测和矢量分析于一体，采用归一化的光强解调，即同时得到两个相互正交偏振态的反射能量强度后，在矢量分析模块进行归一化处理，克服了光源抖动和光路损耗带来的系统误差，从而使得监测到的结果更加稳定可靠。

9、本发明的扭转传感装置与传统的电类传感器相比，由于其采用了光纤技术，所以具有不受电磁干扰、耐腐蚀性强等优点，无电火花等安全隐患。

10、本发明的扭转传感装置结构紧凑、灵敏度高，可实现温度变化自校准和光源抖动抑制功能，具有成本低廉和易于组网的优点。

附图说明

图1为本发明扭转传感装置的结构示意图。

图2为本发明扭转传感装置的传感探头的结构示意图。

图3为本发明不同扭转角度下P和S偏振态的反射峰值大小示意图。

图4为本发明不同扭转角度下P和S偏振态的反射能量强度变化曲线图。

图5为本发明归一化后的正向扭转和反向扭转的对比曲线图。

图6为本发明归一化后的正向扭转和反向扭转拟合曲线图。

具体实施方式

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例的扭转传感装置包括VCSEL光源1、偏振处理单元、传感探头、正交偏振解调处理单元以及光纤耦合器2，所述偏振处理单元、传感探头和正交偏振解调处理单元通过光纤耦合器2连接；

所述偏振处理单元包括起偏器3和偏振控制器4，所述VCSEL光源1、起偏器3和偏振控制器4依次连接；

所述传感探头包括单模光纤5、光纤扭转器6以及保偏光纤探头7，所述保偏光纤探头7包括保偏光纤8和写制于保偏光纤8内的保偏光纤光栅9，所述单模光纤5与保偏光纤8纤芯准直熔接，在单模光纤5与保偏光纤8熔接处形成的单模-保偏光纤熔接点10位于保偏光纤光栅9前端；所述光纤扭转器6可扭转作用于单模光纤5，保偏光纤探头7的一端固定于光纤扭转器6，另一端悬空；

所述正交偏振解调处理单元包括偏振分束器11、第一光强探测器12、第二光强探测器13以及矢量分析模块14，所述第一光强探测器10和第二光强探测器11分别与偏振分束器11的输出端连接，所述第一光强探测器10和第二光强探测器11还分别与矢量分析模块14连接。

其中，所述VCSEL光源1通过电流驱动，调整输出光谱带宽为1~2nm，由电流调节输出光谱中心波长，使其与保偏光纤光栅9纤芯模波长匹配。

所述光纤扭转器6为一个均质、对称、各向同性且横截面是同心圆的空心弹性体，其采用合金的材质制成，光纤扭转器6与保偏光纤探头7固定的一端为扭转端，其采用合金的弹性材料制成。

所述光纤扭转器6与保偏光纤探头7固定的一端为扭转端，所述光纤扭转器6与单模-保偏光纤熔接点10之间的间距为4mm。所述单模-保偏光纤熔接点10与光纤光栅9之间的间距1mm。所述光纤光栅9为保偏光纤布拉格光栅，其长度为8mm。

本实施例的检测方法如下：

1）电流驱动VCSEL光源1输出入射光，入射光经过起偏器3转变成偏振光，由偏振控制器对偏振光的偏振方向进行调节，使偏振光的偏振方向与保偏光纤偏振方向相一致；

2）偏振光通过光纤耦合器2耦合到单模光纤5内，再经过保偏光纤光栅9纤芯模反射，由于保偏光纤在其垂直截面两正交偏振面固有的折射率差别，所以形成具有两个相互正交的偏振态（P偏振态和S偏振态）的反射偏振光，该反射偏振光形成的反射光谱为具有一定波长间隔的双峰，该双峰分别对应P偏振态和S偏振态；然后反射偏振光传输回单模光纤5，再次进入光纤耦合器2，然后输出至正交偏振解调处理单元，由偏振分束器11将偏振光的P偏振态和S偏振态的正交分量分开，通过第一光强探测器12和第二光强探测器13分别探测偏振光的P偏振态和S偏振态的反射能量强度；

3）此时，光纤扭转器6扭转作用于单模光纤5，使单模光纤5的扭转角度发生变化，因光纤扭转应变和光纤有效折射率改变（弹光效应），使进入保偏光纤光栅9的偏振光偏振方向发生改变，导致反射偏振光的P偏振态和S偏振态的正交分量也发生变化；

4）通过第一光强探测器12和第二光强探测器13分别探测变化后偏振光的两个偏振态的反射能量强度，这样反射光谱的双峰大小将随之改变，记录不同扭转角度的P偏振态和S偏振态的能量强度变化，如图3和图4所示；通过矢量分析模块14对两个偏振态的正交分量进行先进行归一化，后采用拟合曲线进行合成，如图5和图6所示；确定扭转的角度和方向。

实施例2：

本实施例的扭转传感装置包括VCSEL光源1、偏振处理单元、传感探头、正交偏振解调处理单元以及光纤环形器2，所述偏振处理单元、传感探头和正交偏振解调处理单元通过光纤环形器2连接。所述光纤扭转器6与单模-保偏光纤熔接点10之间的间距为2mm。其余结构和检测方法同实施例1。

以上所述，仅为本发明优选的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.正交偏振光纤光栅矢量扭转传感装置，其特征在于：包括VCSEL光源（1）、偏振处理单元、传感探头、正交偏振解调处理单元以及光纤环形器/耦合器（2），所述偏振处理单元、传感探头和正交偏振解调处理单元通过光纤环形器/耦合器（2）连接；其中，

所述偏振处理单元包括起偏器（3）和偏振控制器（4），所述VCSEL光源（1）、起偏器（3）和偏振控制器（4）依次连接；

所述传感探头包括单模光纤（5）、可扭转作用于单模光纤（5）的光纤扭转器（6）以及一端固定于光纤扭转器（6）且另一端悬空的保偏光纤探头（7），所述保偏光纤探头（7）包括保偏光纤（8）和写制于保偏光纤（8）内的保偏光纤光栅（9），所述单模光纤（5）与保偏光纤（8）纤芯准直熔接，在单模光纤（5）与保偏光纤（8）熔接处形成的单模-保偏光纤熔接点（10）位于保偏光纤光栅（9）前端；

所述正交偏振解调处理单元包括偏振分束器（11）、第一光强探测器（12）、第二光强探测器（13）以及矢量分析模块（14），所述第一光强探测器（10）和第二光强探测器（11）分别与偏振分束器（11）的输出端连接，所述第一光强探测器（10）和第二光强探测器（11）还分别与矢量分析模块（14）连接。

2.根据权利要求1所述的正交偏振光纤光栅矢量扭转传感装置及其检测方法，其特征在于：所述VCSEL光源（1）通过电流驱动，其输出光谱带宽为1~2nm，输出光谱中心波长与保偏光纤光栅（9）纤芯模波长匹配。

3.根据权利要求1所述的正交偏振光纤光栅矢量扭转传感装置及其检测方法，其特征在于：所述光纤扭转器（6）为一个均质、对称、各向同性且横截面是同心圆的空心弹性体，其采用合金的材质制成。

4.根据权利要求2所述的正交偏振光纤光栅矢量扭转传感装置及其检测方法，其特征在于：所述光纤扭转器（6）与保偏光纤探头（7）固定的一端为扭转端，其采用合金的弹性材料制成。

5.根据权利要求1-3任一项所述的正交偏振光纤光栅矢量扭转传感装置及其检测方法，其特征在于：所述光纤扭转器（6）与单模-保偏光纤熔接点（10）之间的间距小于5mm。

6.根据权利要求1-3任一项所述的正交偏振光纤光栅矢量扭转传感装置及其检测方法，其特征在于：所述单模-保偏光纤熔接点（10）与保偏光纤光栅（9）之间的间距小于2mm。

7.根据权利要求1-3任一项所述的正交偏振光纤光栅矢量扭转传感装置及其检测方法，其特征在于：所述保偏光纤光栅（9）为保偏光纤布拉格光栅，其长度小于10mm。

8.基于权利要求1所述扭转传感装置的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1）电流驱动VCSEL光源（1）输出入射光，入射光经过起偏器（3）转变成偏振光，由偏振控制器对偏振光的偏振方向进行调节，使偏振光的偏振方向与保偏光纤偏振方向相一致；

2）偏振光通过光纤环形器/耦合器（2）到达单模光纤（5）内，再经过保偏光纤光栅（9）纤芯模反射，形成具有两个相互正交的偏振态的反射偏振光，传输回单模光纤（5），再次进入光纤环形器/耦合器（2），然后输出至正交偏振解调处理单元，由偏振分束器（11）将偏振光的两个偏振态的正交分量分开，通过第一光强探测器（12）和第二光强探测器（13）分别探测偏振光的两个偏振态的反射能量强度；

3）此时，光纤扭转器（6）扭转作用于单模光纤（5），使单模光纤（5）的扭转角度发生变化，光纤扭转器（6）产生的扭转应变使进入保偏光纤光栅（9）的偏振光偏振方向发生改变，导致反射偏振光的两个偏振态的正交分量也发生变化；

4）通过第一光强探测器（12）和第二光强探测器（13）分别探测变化后偏振光的两个偏振态的反射能量强度，通过矢量分析模块（14）对两个偏振态的正交分量进行矢量合成，确定扭转的角度和方向。

9.根据权利要求8所述的扭转传感装置的检测方法，其特征在于：所述反射偏振光形成的反射光谱为具有一定波长间隔的双峰，该双峰分别对应两个偏振态。

10.根据权利要求8或9所述的扭转传感装置的检测方法，其特征在于：步骤4）所述通过矢量分析模块（14）对两个偏振态的正交分量进行矢量合成是先进行归一化，后采用拟合曲线进行合成。

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