CN105758567A - 基于3乘3耦合器的光纤干涉型压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于3乘3耦合器的光纤干涉型压力传感器，其是由半导体激光器，隔离器，平行排列3*3耦合器，导光光纤，压力敏感探头，参考光纤绕环，法拉第旋镜，光电探测器，上位机解调系统组成。压力敏感探头是压力传感的关键部分，主要原理是将外部压力变化转化为光纤长度等物理特性的变化，进而引起整个迈克尔逊干涉结构中参考臂和信号臂之间长度的变化和传感光纤中光的相位信号的变化，通过干涉，相位信号的变化转化为光强信号的变化，通过解调光电探测器探测到的光强信号，可以实现相位信号变化的测量，进而可以反演出压力信号的变化。本发明可以实现压力信号的测量，本质安全并且具有高精度，高灵敏度，结构简单，调试方便，耐腐蚀抗干扰的特点。

Description

基于3乘3耦合器的光纤干涉型压力传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于3*3耦合器的迈克尔逊干涉型压力传感器。。

背景技术

压力传感器作为一种典型的传感器，涉及到关乎国计民生的各个领域。压力传感器通常利用敏感部件对环境变量如物理效应，化学效应等制成各种各样的压力传感器，压力测量的范围逐渐提高，随着传感器向集成化，智能化，小型化，系列化和标准化方面的发展，以及随着现代测控技术，计算机技术，数据信号处理技术的提高，高精度，高灵敏度的压力传感器的需求也越来越大，光纤压力传感器伴随着新技术的发展成为一种新的研究趋势。

光纤压力传感器自十九世纪70年代开始投入研究，根据光纤在测试系统中的应用，目前光纤压力传感器主要可以分为功能型光纤压力传感器和非功能型光纤压力传感器。功能型光纤压力传感器是在外界压力作用下对光纤自身的某些光学特性进行调制，而非功能型光纤压力传感器是借助其他光学敏感元件来完成传感功能。在公开专利号为CN102297743A的中国专利中，提出了一种光纤压力传感器，其主要部件为弹性薄膜，光学谐振腔和光纤准直器，弹性薄膜与光纤准直器相对的一面镀有高反射膜，当外界压力改变的时候，会引起弹性膜片发生形变，进而反射光反射到光纤准直器端面上的能量会随着压力的改变而改变，通过测量出射光的压强即可实现压力的连续监测，对于这种强度调制型的光纤传感器灵敏度和精度都相对较低，无法实现高精度测量。在公开专利号为CN1743821A的中国专利中提出了一种高性能光纤压力传感器，其具体涉及一种油井状态监测的高性能光纤压力传感器，其主要原理在于通过光谱分析仪把珐-珀腔长度的变化测量出来，进而实现压力的测量。但由于珐-珀腔的制作加工难度较大，并且量程范围小具有一定的局限性，且需要配合光谱分析仪进行操作，这大大提高了成本，降低了工程应用中实用性。

光纤干涉型压力传感器具有体积小，重量轻，抗电磁干扰，抗辐射，耐高温，耐腐蚀，高灵敏度，高精度的特点，光纤干涉型压力传感器在计量科学领域具有极大的应用前景。

发明内容

本发明针对现有压力传感器的不足，他提出了一种结构简单，灵敏度高，可靠性强，成本相对较低的基于3*3耦合器的光纤干涉型压力传感器。

本发明包括如下技术方案：

一种基于3*3耦合器的光纤干涉型压力传感器，具体包括半导体激光器(1)，隔离器(2)，平行排列3*3耦合器(3)，第一导光光纤(4)，第二导光光纤(5)，压力敏感探头(6)，参考光纤绕环(7)，第一法拉第旋镜(8)，第二法拉第旋镜(9)，第一光电探测器(10)，第二光电探测器(11)，上位机解调系统(12)。半导体激光器(1)通过单模光纤与隔离器(2)的输入端相连，隔离器(2)的输出端与平行排列3*3耦合器(3)的输入端相连，平行排列3*3耦合器(3)的两个输出端其中一个与第一导光光纤(4)相连，另一个输出端与第二导光光纤(5)相连，第一导光光纤(4)与压力传感探头(6)相连，第二导光光纤(5)与参考光纤绕环(7)相连，压力传感探头(6)与第一法拉第旋镜(8)相连，参考光纤绕环(7)与第二法拉第旋镜(9)相连，参考光纤绕环(7)与压力传感探头构成迈克尔逊干涉的干涉臂，与平行排列3*3耦合器(3)的输入端同侧的两个端口作为干涉的输出端分别与第一光电探测器(10)和第二光电探测(11)相连，第一光电探测器(10)和第二光电探测器(11)与上位机解调系统(12)相连。系统中的压力传感探头通过改变光纤的物理特性实现压力传感，整个压力传感系统是建立在迈克逊干涉原理之上。

本发明的原理：基于3*3耦合器的光纤压力传感器主要基于了迈克尔逊干涉的原理，实现相位差的判断，并利用平行排列3*3耦合器的性质实现相位改变方向的判断，从而实现压力变化的测量。光纤中传输光的相位会由于光纤的应力应变效应，泊松效应和光弹效应而改变。压力信号作用于压力传感探头中的传导光纤，使传导光纤中光的相位信号发生改变，在迈克尔逊干涉结构中，由于压力传感器所构成的信号臂和参考绕环所构成的参考臂之间的相位信号发生改变，干涉后的输出会发生改变，光电探测器将干涉信号转化为光强信号，并且由于平行排列3*3耦合器之间的弱耦合特性，干涉后由平行排列3*3耦合器输出的两路信号具有固定的相位差2π/3,根据条纹计数法可以实现信号的解调，将相位信号从光强信号解调出来，由相位信号和压力信号的线性关系，进而可以实现压力的测量。具体可以采用以下的方法：由资料可知，由于干涉后3*3偶合器的输出具有如下的近似关系：

其中φ(t)为光源随机相位漂移，δ为两路光的固定相位差，在这套系统中固定相位差近似为2π/3。当由于压力作用于压力传感探头，压力传感探头中光的相位信号发生改变，干涉后输出光强的值发生变化，对于正余弦信号，随着相位信号的不断增加或减少，其幅值周期性的变化，因此以第一光电探测器为例，通过计算光强信号其周期变化的个数即可求得相位信号的改变量，但是仅凭此无法判断相位信号的变化方向，因此通过对比第一光电探测器与第二光电探测器所测得的光强信号，采用条纹计数中的判向方法即可解调出相位变化大小和方向。由于相位信号与压力信号具有线性关系，因此可以反演出压力信号的变化，实现压力的测量。

有益效果：

与现有技术相比，该发明具有以下优点，该基于3*3耦合器的光纤干涉型压力传感器，利用了迈克尔逊干涉结构和平行排列3*3耦合器的性质，1)结构灵活，灵敏度高，量程易调整，2)判向容易，解调方便，精度较高，3)便于生产和应用，且本质安全，4)抗电磁干扰，耐腐蚀，可以实现对压力的高精度测量。

附图说明

图1基于3乘3耦合器的光纤干涉型压力传感器系统框图；

图2基于3乘3耦合器的光纤干涉型压力传感器结构图；

图3压力敏感探头结构图；

图4压力敏感探头剖面图。

图中的标记：

1.半导体宽激光器，2.隔离器，3.平行排列3*3耦合器，4.第一导光光纤，5.第二导光光纤，6.压力敏感探头，7.参考光纤绕环，8.第一法拉第旋镜，9.第二法拉第旋镜，10.第一光电探测器，11.第二光电探测器，12.上位机解调系统，13.敏感探头壳体，14.敏感探头承重体，15.第一同轴柱体，16.传感光纤,17.硅胶层，18.第二同轴柱体。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例1

如图1所示，基于3乘3耦合器的光纤干涉型压力传感器的系统框图。该发明包括半导体激光器，隔离器，平行排列3*3耦合器，压力传感臂，参考光纤臂，光电探测器，上位机解调系统共七大部分。半导体激光器发出的光经过隔离器后传入平行排列3*3耦合器后分成两束光，一束通过压力传感臂后返回，另一束光通过参考光纤臂后返回，反回的光在平行排列3*3耦合器中发生干涉，分成三束光其中两束进入光电探测器后由上位机解调系统对信号进行解调，实现对压力信号的测量。

实施例2

如图2所示，基于3乘3耦合器的光纤干涉型压力传感器结构图。该传感器结构包括半导体激光器1，隔离器2，平行排列3*3耦合器3，导光光纤4、5，压力敏感探头6，参考光纤绕环7，法拉第旋镜8、9，光电探测器10、11，上位机解调系统12。半导体窄带宽激光器1与隔离器2相连，隔离器2的输出端与平行排列3*3耦合器3相连，平行排列3*3耦合器3的两个输出端分为A,B两路，A路通过第一导光光纤4与压力敏感探头6相连，B路通过第二导光光纤5与参考光纤绕环7相连，压力敏感探头6和参考光纤绕环7的输出端与第一法拉第旋镜8和第二法拉第旋镜9相连。返回的光经耦合器后发生干涉，与平行性排列3*3耦合器的输入端同侧的两个端口作为系统的输出端分别与第一光电探测器10和第二光电探测器11相连，第一光电探测器10和第二光电探测器11的输出信号由数据采集卡采入上位机解调系统12。

该基于3乘3耦合器的光纤干涉型压力传感器是依据迈克尔逊干涉和平行排列3乘3耦合器的耦合特性制成的。其工作原理是：为防止返回光对光源产生影响，半导体窄带宽激光器发出的光经过隔离器后传入平行排列3*3耦合器，光束经过耦合器后被分成三束光，取其中的两路，一路光通过导光光纤进入压力敏感探头后，经过法拉第旋镜后返回，另一路光通过导光光纤后进入参考光纤绕环后，经过法拉第旋镜后返回，压力敏感探头内的传感光纤和绕考光纤绕环中的传感光纤构成了迈克尔逊干涉结构的信号臂和参考臂。返回后的光经过平行排列3*3耦合器后发生干涉，由于压力的作用，使得参考臂和信号臂之间的相位差发生改变，干涉后相位变化转化为光强变化，进入光电探测器后的光强信号由上位机解调系统进行解调可以解调出相位的变化，根据相位信号与压力信号之间的线性关系，可以实现压力信号的测量。

实施例3

如图3、图4所示，为该基于3乘3耦合器的光纤干涉型压力传感器的压力敏感探头的结构图和剖面图。由图3和图4可知，当敏感探头承重体14受到外界压力的时候，会带动第二同轴柱体18上下移动，由于第一同轴柱体15与压力敏感探头壳体13相连，因此当第二同轴柱体18上下移动的时候会引起传感光纤的长度的伸缩从而使得迈克尔逊干涉系统中的参考臂和信号臂间的相对长度发生变化，进而引起光纤中传输光的相位发生变化，最后通过对光强信号的解调可以实现压力的测量。在敏感探头中，传感光纤16上涂有硅胶层，防止在没有压力时缠绕的传感光纤位置错乱。缠绕在同轴柱体15和同轴柱体18上的传感光纤的匝数可以根据不同量程的需求进行更改。

实施例4

在上述实施例1-3中，所提到的导光光纤和传感光纤均为均为纤芯直径为9μm,包层直径为125μm的单模普通光纤，半导体窄激光器的中心波长为1550nm，敏感探头中的硅胶层所用硅胶在0-100摄氏度之间弹性模量基本稳定，第一同轴柱体和第二同轴柱体的最大半径大于2cm，或大于光纤的弯曲半径。

以上内容是结合具体的优选实施方式对发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和发明构思，做出相应改变和替代，而且性能或用途相同，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于3*3耦合器的光纤干涉型压力传感器，具体包括半导体激光器(1)，隔离器(2)，平行排列3*3耦合器(3)，第一导光光纤(4)，第二导光光纤(5)，压力敏感探头(6)，参考光纤绕环(7)，第一法拉第旋镜(8)，第二法拉第旋镜(9)，第一光电探测器(10)，第二光电探测器(11)，上位机解调系统(12)；其特征在于：半导体激光器的输出端与隔离器的输入端相连，隔离器的输出端与平行排列3*3耦合器的一个输入端相连，耦合器有三个输出端，取其中的两个输出端其中一路与第一导光光纤相连后与压力敏感探头和法拉第旋镜依次相连；另一路与第二导光光纤相连后与参考光纤绕环和法拉第旋镜依次连接；压力探头和参考光纤绕环分别构成了迈克尔逊干涉的信号臂和参考臂；与耦合器输入端同侧的两个端口分别作为输出端与光电探测器相连后接入上位机解调系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于3*3耦合器的光纤干涉型压力传感器，其特征在于：光纤干涉结构中的压力敏感探头包括敏感探头壳体(13)，敏感探头承重体(14)，第一同轴柱体(15)，传感光纤(16)，硅胶层(17)，第二同轴柱体(18)组成；敏感探头承重体(14)与第二同轴柱体(18)相连，第一同轴柱体(15)与敏感探头壳体(13)相连，传感光纤(16)缠绕在第一同轴柱体(15)和第二同轴柱体(18)之上，硅胶层(17)涂在传感光纤(16)外层；其特征在于当外界压力变化的时候，敏感探头承重体会上下移动，由于第一同轴柱体与壳体固定，承重体上下移动会使得传感光纤拉伸会压缩，硅胶层保证了缠绕的传感光纤不会因为外力变化而错乱，传感光纤的拉伸会使得整个系统中参考臂和信号臂间的光信号的相位发生变化，通过解调相位变化可以反演出压力变化。

3.根据权利要求1所述的一种基于3*3耦合器的光纤干涉型压力传感器，其特征在于：所述的压力敏感探头(6)，其第一同轴柱体和第二同轴柱体的最大半径大于2cm,即大于传感光纤的弯曲半径；硅胶层所采用的硅胶在零到一百摄氏度范围内弹性模量变化很小，不影响正常使用。