CN1059969A - 利用非互易效应的光纤传感器补偿方法 - Google Patents

Abstract

用于利用非互易效应的强度调制型光纤传感器 的补偿。本发明利用两个低损耗，分束比稳定的光耦 合器的分束功能。将两个光源发出的光依次从正、反 两个方向射入光纤传感器(9)，利用互易效应与非互 易效应传感器调制函数的不同，达到补偿的效果。

本发明不仅可以补偿光源功率，光纤损耗以及光 电探测器响应度变化对测量的影响，还可以补偿传感 材料本身固有双折射变化对测量产生的不利影响。

Description

本发明涉及利用非互易效应的强度调制型光纤传感器补偿方法。

为保证强度调制型光纤传感器长期稳定地工作，必须对光源发光功率，光纤损耗以及光电探测器响应度的变化加以补偿。此外，对利用偏振特性变化的光纤传感器，传感材料的双折射变化也必须加以补偿。

现有的补偿方法有：

（一）.光桥补偿法：采用双光源双探测器，双光源交替发光工作方式，其中一个光源发出的光通过传感部分，另一路光源发出的光不通过传感单元，只起补偿光纤损耗及探测器漂移的作用。这种补偿方法结构复杂，而且对传感材料本身双折射特性的变化无法补偿。

（二）.双波长补偿法：让两种光强成比例不同波长的光沿同一路径传播，传感部分对不同波长的光产生不同的调制，接收端将两种波长的光分别探测出来，通过比例运算可消除光纤损耗对测量的影响。但由于不同波长的光对光纤损耗及探测器响应度的变化特性不能完全一致，同时这种补偿方法也无法补偿传感材料自身双折射变化对测量的影响，因此很难实现高精度测量。

利用物理效应的对称性可使光纤传感器对损耗和内部双折射这些互易效应的变化不敏感，从而达到补偿的作用。与现有的光纤传感器补偿方法相比，这种利用物理效应对称性的补偿方法简单，可靠，便于向光电一体集成化方向发展。

本发明的目的是解决利用非互易效应的强度调制型光纤传感器中互易效应的补偿问题，降低光纤传感器的成本，提高测量精度。

本发明的具体实施方案如下：

附图1是利用非互易效应的强度调制型光纤传感器补偿原理示意图。

如附图：（1）和（2）为两支功率谱一致的非相干光源，（5）和（6）分别为两支低损耗，分束比稳定的光耦合器。光源（1）发出的光经光耦合器（5）分为两路，其中一路直接传入光电探测器（4），另一路经光纤（7）传入光纤传感器（9），再经过光纤（8）将调制后的光信号传回，经光耦合器（6）分束后，其中一束光传入光电探测器（3）。光源（2）发出的光经光耦合器（6）分束，其中一路光直接传入光电探测器（4），另一路光经光纤（8）传入光纤传感器（9），再经过光纤（7）传回，经光耦合器（5）分束后，其中一路光传入光电探测器（3）。

利用非互易效应的光纤传感器补偿原理如下：

光源（1）和光源（2）采用脉冲交替工作方式。当光源（1）发光，光源（2）不发光时，探测器（3）和探测器（4）输出的光电信号i₃和i₄分别为：

i₃＝I₁T₅K₆T₆R₃（1-L）f₊（x） 〔1〕

i₄＝I₁T₅K₅R₄〔2〕

当光源（2）发光，光源（1）不发光时，探测器（3）和探测器（4）输出的光电信号i₃′和i^′ ₄分别为：

i^′ ₃＝I₂T₆K₅R₃T₅（1-L）f_-（x） 〔3〕

i^′ ₄＝I₂T₆K₆R₄〔4〕

〔1〕，〔2〕，〔3〕，〔4〕式中：

I₁，I₂-光源（1）和光源（2）的发光功率;

T₅，T₆-光耦合器（5）和光耦合器（6）的透过率;

K₅，K₆-光耦合器（5）和光耦合器（6）的分束比;

R₃，R₄-光电探测器（3）和光电探测器（4）的响应度;

L-光纤（7）和光纤（8）以及传感器（9）内吸收产生的传输损耗之和;

f₊（x），f_-（x）-光纤传感器（9）正向与反向传输光的调制函数。

对i₃，i₄，i^′ ₃，i^′ ₄作如下运算：

S＝（i₃/i₄-i^′ ₃/i^′ ₄）/（i₃/i₄+i^′ ₃/i^′ ₄）

＝（f₊（x）-（K₅/K₆）²T₅/T₆f_-（x））/

（f₊（x）+（K₅/K₆）²·T₅/T₆f_-（x）） 〔5〕

对于低损耗分束比稳定的3dB光耦合器（5）和光耦合器（6），〔5〕式可简化为：

S＝（f₊（x）-f_-（x））/（f₊（x）+f_-（x）） 〔6〕

可见S与光源发光功率，光纤传输损耗以及光电探测器响应度无关，而且对传感器（9）内的互易物理效应（即f₊（x）＝f_-（x））也进行补偿，S仅与非互易效应对光产生的调制函数有关。

本项发明可用于强度调制型光纤传感器的补偿，以克服光源功率，光纤及传感器内吸收产生的损耗，光电探测器响应度以及传感材料自身双折射等因素变化对测量产生的不利影响，提高测量的精度。

本发明的实施例：

基于法拉第效应的光纤磁传感器。附图2是传感器结构原理图。如附图2所示，敏感材料采用YIG立方体，用中心波长为1.3μm的发光二极管作光源，偏振片（11）与偏振片（13）偏振方向相互成45°角。光源（1）发出的光经光纤（7）导入光纤传感器（9），经透镜（15）准直，偏振片（11）起偏后，射到磁光晶体立方块（12）上，经偏振片（13）检偏，通过透镜（14）聚焦，导入光纤（8），传回到光电探测器（3）;同样由光源（2）发出的光经光纤（8）由反向导入光纤传感器（9），经传感器（9）调制后的光由光纤（7）传回光电探测器（3）。外界磁场方向与传感器（9）内光传输方向一致。正、反向传光时光纤传感器（9）的调制函数为：

f₊（H）＝ 1/2 （1+sin（2V.L.H）） 〔7〕

f_-（H）＝ 1/2 （1-sin（2V.L.H）） 〔8〕

S＝sin（2V.L.H）  〔9〕

〔7〕，〔8〕，〔9〕式中：

V-磁光材料的费尔德常数;

L-磁光材料通光方向长度;

H-磁场强度。

对于YIG磁光材料，V为15°/O_em，根据量程选择相应的磁光材料尺寸L，使光纤磁传感器在测量范围内V.L.H值变化为0～5°。这样通过测量S值，便可求出相应的磁场强度H。

利用光纤材料本身的磁光效应，可制成功能型光纤电流传感器。

Claims (2)

1、一种利用非互易效应的强度调制型光纤传感器补偿方法，其特征在于：光源(1)发出的光经光耦合器(5)分束，一束直接进入光电探测器(4)，一束经光纤(7)传输，从正向射入光纤传感器(9)，并由光纤(8)传回，经光耦合(6)分束后，进入光电探测器(3)；光源(2)发出的光经光耦合器分束，一束直接进入光电探测器(4)，一束经光纤(8)传输，从反向射入光纤传感器(9)，并由光纤(7)传回，经光耦合器(5)分束后，进入光电探测器(3)。

2、根据权利要求1所述利用非互易效应的强度调制型光纤传感器补偿方法，其特征在于：光纤传感器（9）内采用磁光材料（12），置于两互成45°角的偏振片（11）和偏振片（13）之间，所述光纤传感器（9）为光纤磁场传感器。

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