CN105783996A - 一种可同时测量声波与压力的光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可同时测量声波与压力的光纤传感器，包括单色光源、光纤耦合器、第一单模光纤、长周期光纤光栅、声学换能薄膜、第二单模光纤、保偏光纤、第三单模光纤、偏振控制器、第四单模光纤、光电探测器；保偏光纤接入在光纤耦合器的第三端口和第四端口之间构成闭环萨格纳克干涉仪；长周期光纤光栅通过熔接的方式嵌入干涉仪中并固定于声学换能薄膜上；换能薄膜将外界声波转换成对光栅的动态曲率调制，从而改变其损耗峰处光强度。作用于保偏光纤上的侧向压力会导致梳状干涉谱漂移，单色光源将光谱漂移转化为输出光强度变化。该装置输出强度信号直流分量中包含静态侧向压力的信息，交流分量中包含声波的信息，从而实现对声波与压力同时测量。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体的，涉及一种基于光纤萨格纳克干涉仪的声波-压力双参量光纤传感器。
背景技术
近年来，由于海啸、地震、矿难等自然灾害与安全事故的不断发生，声波传感与压力传感引起了越来越多的关注。基于光纤技术的声波传感器与压力传感器与传统的电学式或机械式传感器相比，具有体积小，重量轻，抗电磁干扰，耐腐蚀以及易于组网复用等优点。对声波与压力信号进行准确的测量在很多工程应用场合有着重要的应用，例如结构健康监测、地震灾害预警、管道泄漏监测等。双参量同时测量也是光纤传感领域中的一项重要技术。利用同一个光纤传感结构实现对两个不同物理参量的同时测量，可以提高实际传感应用中的使用效率。
为了实现对声波与压力的高精度测量，国内外研究人员针对光纤声波传感器与光纤压力传感器开展了大量的研究。在光纤测声方面，基于法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perotinterferometer,FPI)的光纤声波传感器受到了大量的研究，声波会导致构成法布里-珀罗腔(FP腔)的薄膜振动，从而调制了FP腔的腔长，改变其输出光信号；基于光纤相移布拉格光栅的超声传感器是通过超声引起相移光栅的振动，从而对其透射损耗峰波长产生调制，通过斜边解调的方式获取超声信号。
国内外研究人员对利用光纤传感器进行双参量同时测量也进行了深入的研究。常见的双参量光纤传感器都是基于光谱解调，即设计一种光纤结构，其光谱由于干涉、损耗等机制形成了多个谐振峰，选取两个谐振峰作为参考，通过两谐振峰对不同的两个物理参量有不同的响应度，通过监测两个谐振峰的变化(波长漂移、强度变化)，利用响应度矩阵实现对两个参量的解调。由于这种方法采用光谱解调的方式，因此适用于两个静态参量的同时测量，很难应用于类似声波、振动等动态信号。现有技术已实现了对于不同的静态参量之间的同时测量，例如曲率-温度、折射率-温度、应力-应变等。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷和改进需求，本发明提供了一种可同时测量声波与压力的光纤传感器，其目的在于通过单模光纤、保偏光纤和长周期光纤光栅构成萨格纳克光纤闭环，且长周期光纤光栅与保偏光纤在萨格纳克闭环内级联；通过级联实现萨格纳克干涉仪的干涉谱与长周期光纤光栅的损耗谱叠加，利用单色光源实现对声波与压力的同时测量。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于光纤萨格纳克干涉仪的可同时测量声波与压力的光纤传感器，包括单色光源、光纤耦合器、第一单模光纤、长周期光纤光栅、声学换能薄膜、第二单模光纤、保偏光纤、第三单模光纤、偏振控制器、第四单模光纤和光电探测器；
其中，光纤耦合器的第一端口连接单色光源的输出端；第一单模光纤的第一端连接光纤耦合器的第三端口；长周期光纤光栅的两端分别与第一单模光纤的第二端和第二单模光纤的第一端相连接；长周期光纤光栅固定在声学换能薄膜上并保持拉直状态；保偏光纤的第一端连接第二单模光纤的第二端；第三单模光纤的第一端连接保偏光纤的第二端；偏振控制器的两端分别与第三单模光纤的第二端和第四单模光纤的第一端相连接；光纤耦合器的第四端口连接第四单模光纤的第二端；光电探测器的输入端连接光纤耦合器的第二端口；
其中，第一单模光纤、第二单模光纤、保偏光纤、第三单模光纤、偏振控制器、第四单模光纤在光纤耦合器的第三端口与第四端口之间连接形成的闭环构成萨格纳克干涉仪结构；长周期光纤光栅通过熔接方式连接在第一单模光纤和第二单模光纤之间，从而嵌入在萨格纳克干涉仪中。
光电探测器用于探测自耦合器的第二端输出的光信号并将其转化为电信号；
用于声波-压力同时测量时，通过控制保偏光纤的长度使得萨格纳克干涉仪产生的干涉谱斜边线性区中心(Q点)与长周期光纤光栅的损耗谐振波长一致，并将单色光源的输出波长调谐至长周期光纤光栅的谐振波长；当外界声波作用于该装置时会导致声学换能薄膜的振动，薄膜振动会对固定于薄膜上的长周期光纤光栅的曲率产生周期性的调制，且调制频率与声频相同，进而导致其损耗峰处光强度发生变化，利用单色光源进行强度解调的方式解析损耗峰波长处光功率变化解调出待测的声波信号。当侧向压力作用于保偏光纤上时，萨格纳克干涉仪的梳状干涉谱会发生漂移，单色光源通过斜边解调的方式将波长的漂移转化成光强度的变化。由于侧向压力被认为是静态信号，而声波信号是动态信号，因此该装置的输出强度信号的直流分量中包含了侧向压力的信息，而交流分量中则包含了声波的信息，通过对输出信号的交流与直流分量进行监测分析可实现对声波与侧向压力的同时测量。
优选地，还包括示波器，示波器的输入端连接光电探测器的输出端；用于显示光电探测器输出信号的波形及数据信息。
优选地，所述光纤耦合器采用2×2光纤耦合器。
优选地，所述光纤耦合器采用耦合比参数均匀的光纤耦合器。
光信号从耦合器第一端口输入经过萨格纳克闭环后经耦合器第二端口输出的透过率T为：
其中，为两个保偏光纤中两正交偏振态经历保偏光纤后产生的相位差，Δn为两个偏振态的有效折射率差，L为保偏光纤的长度；表示萨格纳克干涉仪的干涉谱；η和δ分别为长周期光纤光栅的交流和直流耦合系数，l为长周期光纤光栅的长度；表示长周期光纤光栅的透射谱；k为光纤耦合器的耦合比。
由上述透过率T的表达式可知，系统的透过率为长周期光纤光栅的透射谱与萨格纳克干涉仪的干涉谱的叠加，光纤耦合器的耦合比k越均匀，透射谱的对比度越大，系统对压力的响应灵敏度越高。
优选地，光纤耦合器(2)采用耦合比为1:1的光纤耦合器。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的可同时测量声波与压力的光纤传感器，采用了闭环萨格纳克光纤干涉仪的结构，由于萨格纳克光纤闭环对偏振不敏感，因此采用本发明可以减弱偏振衰落的影响，提高探测的准确度与稳定性；
(2)本发明提供的可同时测量声波与压力的光纤传感器，利用萨格纳克干涉仪的环状结构实现光源与探测器置于传感结构同一侧，可同端探测，方便实际应用；
(3)本发明提供的可同时测量声波与压力的光纤传感器，通过光谱控制使得长周期光纤光栅的谐振波长与萨格纳克干涉仪的干涉谱斜边中心(Q点)重合，并采用单色光源-强度解调的方式，将声波与压力的信息分别调制到装置输出强度信号的交流与直流分量中，从而实现对二者的同时测量。本发明采用强度解调的方式，有别于传统对两静态参量进行双参量测量采用的光谱解调，实现了包含动态信号的双参量测量，可实时测量，且解调方式简单，响应速度快。
附图说明
图1是本发明实施例提供的可同时测量声波与压力的光纤传感器结构示意图；
图2是本发明实施例中侧向压力作用于保偏光纤的示意图；
图3是本发明实施例提供的换能薄膜对声波进行换能的原理示意图；
图4是本发明实施例提供的利用时域输出信号的交流与直流分量对声波与压力进行同时测量的原理示意图。
在所有附图中，1为单色光源、2为光纤耦合器、3为第一单模光纤、4为长周期光纤光栅、5为声学换能薄膜、6为第二单模光纤、7为保偏光纤、8为第三单模光纤、9为偏振控制器、10为第四单模光纤、11为光电探测器，12为示波器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的可同时测量声波与压力的光纤传感器，包括单色光源1、光纤耦合器2、第一单模光纤3、长周期光纤光栅4、声学换能薄膜5、第二单模光纤6、保偏光纤7、第三单模光纤8、偏振控制器9、第四单模光纤10和光电探测器11。
其中，光纤耦合器2的第一端口连接单色光源1的输出端；第一单模光纤3的第一端连接光纤耦合器2的第三端口；长周期光纤光栅4的两端分别与第一单模光纤3的第二端和第二单模光纤6的第一端相连接；且长周期光纤光栅4固定在声学换能薄膜5上并保持拉直状态；保偏光纤7的第一端连接第二单模光纤6的第二端；第三单模光纤8的第一端连接保偏光纤7的第二端；偏振控制器9的两端分别与第三单模光纤8的第二端和第四单模光纤10的第一端相连接；光纤耦合器2的第四端口连接第四单模光纤10的第二端；光电探测器11的输入端连接光纤耦合器2的第二端口；第一单模光纤3、第二单模光纤6、保偏光纤7、第三单模光纤8、偏振控制器9和第四单模光纤10在光纤耦合器2的第三端口与第四端口之间连接构成萨格纳克干涉仪结构。
以下结合实施例1提供的可同时测量声波与压力的光纤传感器，进一步阐述本发明；本发明实施例1的光纤声波传感测量装置的结构如图1所示，包括单色光源1、光纤耦合器2、第一单模光纤3、长周期光纤光栅4、声学换能薄膜5、第二单模光纤6、保偏光纤7、第三单模光纤8、偏振控制器9、第四单模光纤10、光电探测器11；为了直观显示光电探测器输出信号波形，还包括示波器12；单色光源1连接光纤耦合器2的第一端口；光纤耦合器2的第三端口与第一单模光纤3相连，光纤耦合器2的第四端口连接第四单模光纤10；长周期光纤光栅4的两端分别与第一单模光纤3和第二单模光纤6相连接；长周期光纤光栅4固定在声学换能薄膜5上并保持拉直状态；保偏光纤7的两端分别与第二单模光纤6和第三单模光纤8相连；偏振控制器9连接在第三单模光纤8和第四单模光纤10之间；光纤耦合器2的第二端口与光电探测器11相连；光电探测器11的输出与示波器12连接；
具体地，实施例1中，光纤耦合器2采用耦合比为1:1的2×2光纤耦合器；光纤耦合器2、第一单模光纤3、长周期光纤光栅4、第二单模光纤6、保偏光纤7、第三单模光纤8、偏振控制器9和第四单模光纤10之间通过熔接方式连接，光纤耦合器2与单色光源1以及光纤耦合器2与光电探测器8之间利用FC/APC光纤接头通过法兰盘对接。
长周期光纤光栅4被固定在声学换能薄膜5上，并保持拉直状态；当声波作用于换能薄膜5时会引起薄膜的振动，从而对固定于薄膜上的长周期光纤光栅4的曲率产生周期性的调制，如图3所示。
下面结合实施例1对上述光纤传感测量装置的工作原理进行阐述。
单色光源1发出的光经由光纤耦合器2后分成两束光，两束光在萨格纳克光纤闭环中分别沿顺时针方向和逆时针方向传播；两个传播方向的光信号，均在萨格纳克环内分别通过长周期光纤光栅4与保偏光纤7；当光信号通过长周期光纤光栅4时，由于有纤芯模耦合到包层模，导致在长周期光纤光栅的谐振波长处出现损耗峰；当光信号通过保偏光纤7时，由于保偏光纤的高双折射系数，导致光在保偏光纤中沿着两正交的偏振方向传输，由于两正交偏振态对应的有效折射率不同，因此在萨格纳克干涉仪中相向传输的两路光信号会发生干涉，产生干涉谱，因此系统的透射谱为萨格纳克干涉仪的干涉谱与长周期光纤光栅的透射损耗谱的叠加；两束光经过萨格纳克光纤环后，均从光纤耦合器2的第二端口输出；
当外界声波作用于该传感器时会导致声学换能薄膜的振动，薄膜振动会对固定于薄膜上的长周期光纤光栅的曲率产生周期性的调制，且调制频率与声频相同，进而导致其损耗峰处光强度发生变化，利用单色光源进行强度解调的方式解析损耗峰波长处光功率变化解调出待测的声波信号；当侧向压力作用于保偏光纤上时，萨格纳克干涉仪的梳状干涉谱会发生漂移，单色光源通过斜边解调的方式将波长的漂移转化成光强度的变化。由于侧向压力被认为是静态信号，而声波信号是动态信号，因此该装置的输出强度信号的直流分量中包含了侧向压力的信息，而交流分量中则包含了声波的信息，通过对输出信号的交流与直流分量进行监测分析可实现对声波与侧向压力的同时测量；实验中调整萨格纳克干涉仪的干涉谱斜边中心(Q点)处波长与长周期光纤光栅的谐振波长一致，并将单色光源的输出波长调谐至该谐振波长；具体原理如图4所示。
由于不同的偏振态在萨格纳克光纤闭环内按顺时针方向传播与按逆时针方向传播所经历的光程差相同，因此本发明中的萨格纳克光纤闭环对偏振态不敏感，可以减弱由于光源和外界环境影响导致的偏振态的不稳定性对系统正常工作的影响，提高工作稳定性。
本发明提供的可同时测量声波与压力的光纤传感器在应用于声波与压力传感时，采用单色激光器作为光源，在输出端用光电探测器探测输出光功率的变化来解调待测声波与压力信号；光源的波长选在长周期光纤光栅的透射谱损耗峰的谐振波长处以提高探测灵敏度；萨格纳克干涉仪的干涉谱斜边中心(Q点)处波长应尽量与长周期光纤光栅的谐振波长一致以提高压力传感的线性度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种可同时测量声波与压力的光纤传感器，其特征在于，包括单色光源(1)、光纤耦合器(2)、第一单模光纤(3)、长周期光纤光栅(4)、声学换能薄膜(5)、第二单模光纤(6)、保偏光纤(7)、第三单模光纤(8)、偏振控制器(9)、第四单模光纤(10)和光电探测器(11)；
所述光纤耦合器(2)的第一端口连接单色光源(1)的输出端；所述第一单模光纤(3)的第一端连接所述光纤耦合器(2)的第三端口；所述长周期光纤光栅(4)的两端分别与所述第一单模光纤(3)的第二端和所述第二单模光纤(6)的第一端相连接；且所述长周期光纤光栅(4)固定在所述声学换能薄膜(5)上并保持拉直状态；
所述保偏光纤(7)的第一端连接所述第二单模光纤(6)的第二端；所述第三单模光纤(8)的第一端连接所述保偏光纤(7)的第二端；所述偏振控制器(9)的两端分别与所述第三单模光纤(8)的第二端和所述第四单模光纤(10)的第一端相连接；
所述光纤耦合器(2)的第四端口连接所述第四单模光纤(10)的第二端；所述光电探测器(11)的输入端连接所述光纤耦合器(2)的第二端口；
所述第一单模光纤(3)、所述第二单模光纤(6)、所述保偏光纤(7)、所述第三单模光纤(8)、所述偏振控制器(9)和所述第四单模光纤(10)在所述光纤耦合器(2)的第三端口与第四端口之间连接构成萨格纳克干涉仪结构。
2.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述光纤传感器还包括示波器(12)，连接在所述光电探测器(11)的输出端；用于显示光电探测器输出信号的波形及数据信息。
3.如权利要求1或2所述的光纤传感器，其特征在于，所述长周期光纤光栅(4)通过熔接方式连接在所述第一单模光纤(3)和所述第二单模光纤(6)之间，从而嵌入在萨格纳克干涉仪中。
4.如权利要求1-3任一项所述的光纤传感器，其特征在于，所述光纤耦合器(2)采用2×2光纤耦合器。
5.如权利要求1-4任一项所述的光纤传感器，其特征在于，所述光纤耦合器(2)采用耦合比参数均匀的光纤耦合器。
6.如权利要求1-5任一项所述的光纤传感器，其特征在于，所述光纤耦合器(2)采用耦合比为1:1的光纤耦合器。
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