CN106770029A - 一种端面型光纤折射率传感器阵列测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种端面型光纤折射率传感器阵列测量系统及方法，所述系统包括宽带光源(1)、偏振控制器(2)、矢量网络分析仪(3)、电光调制器(4)、光纤环行器(5)、光纤分路器(6)、端面型光纤折射率传感器阵列(7)以及探测器(9)。端面型光纤折射率传感器阵列(7)由多个端面型光纤传感器(8)通过光纤分路器(6)分为多路构成。端面型光纤传感器(8)通过将单模光纤的一端与镀有介质膜的光纤熔接，另一端切平制成。本发明利用光信号和微波信号相结合的测量方法，将信号分成多路并采集每一路中传感器两个反射端面的信号，以此到达测量折射率的目的，避免了光源的功率波动因素，提高了系统的稳定性。

Description

一种端面型光纤折射率传感器阵列测量系统及方法
技术领域
本发明属于光纤传感测量技术领域，具体涉及一种端面型光纤折射率传感器阵列测量系统及方法的设计。
背景技术
光纤传感技术始于1977年，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来，是衡量一个国家信息化程度的重要标志。目前，光纤传感技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域。世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。
由于其抗腐蚀、抗电磁干扰、体积小、结构简单、灵敏度高等优点，光纤传感技术在测量领域备受重用。而基于光纤传感的折射率测量在工业和生化领域中也有着广泛的应用，其测量方法有许多。常见的主要有光纤表面等离子体型、光纤光栅型以及光纤干涉仪，但这些方法相应存在成本较高、操作复杂、稳定性较差、灵敏度较低等问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中基于光纤传感的折射率测量方法存在成本较高、操作复杂、稳定性较差、灵敏度较低等问题，提出了一种端面型光纤折射率传感器阵列测量系统及方法。
本发明的技术方案为：一种端面型光纤折射率传感器阵列测量系统，包括宽带光源、偏振控制器、矢量网络分析仪、电光调制器、光纤环行器、光纤分路器、端面型光纤折射率传感器阵列以及探测器；宽带光源、偏振控制器、电光调制器通过光纤顺次连接；光纤环行器包括a、b、c三个端口，a端口通过光纤与电光调制器的输出端连接，b端口通过光纤与光纤分路器连接，c端口通过光纤与探测器的输入端连接；光纤分路器与端面型光纤折射率传感器阵列连接；矢量网络分析仪包括P1、P2两个端口，P1端口通过同轴电缆与电光调制器的输入端连接，P2端口通过同轴电缆与探测器的输出端连接。
优选地，端面型光纤折射率传感器阵列由多个端面型光纤传感器通过光纤分路器分为多路构成，同时保证每一路均有不同的相位延迟且大于光源的相干长度。
优选地，端面型光纤传感器通过将单模光纤的一端与镀有介质膜的光纤熔接，另一端切平制成。
优选地，端面型光纤传感器中镀有介质膜的光纤与单模光纤熔接形成的反射面作为参考面，单模光纤另一端切平的反射面作为待测面进行测量。
本发明还提供了一种端面型光纤折射率传感器阵列测量方法，包括以下步骤：
S1、驱动可调制的宽带光源，使其发出宽带光信号；
S2、偏振控制器接收宽带光信号，将宽带光变成偏振光，输送至电光调制器；
S3、电光调制器的输入端接收矢量网络分析仪P1端口的微波信号；
S4、利用微波信号对偏振光信号进行调制，得到相应的调制光并输送至光纤环形器的a端口；
S5、调制光经过光纤环形器的b端口和光纤分路器后分成多路送入多个端面型光纤传感器，从而构成端面型光纤折射率传感器阵列；
S6、端面型光纤折射率传感器阵列跟待测物质进行作用得到反射光信号，经光纤环形器的c端口输送至探测器；
S7、探测器将反射光信号转换为测量电信号，输送至矢量网络分析仪的P2端口；
S8、矢量网络分析仪对测量电信号进行分析和显示，并测量传输参数。
本发明的有益效果是：
(1)本发明利用光信号和微波信号相结合的测量方法，将信号分成多路并采集每一路中传感器两个反射端面的信号以此到达测量折射率的目的，避免了光源的功率波动因素，提高了系统的稳定性。
(2)本发明设计的端面型光纤折射率传感器，其结构简单且具有自参考功能，对环境温度不敏感，消除了环境干扰、温度变化等带来的不稳定性因素，进一步提升传感器性能。
(3)本发明可以进行多通道、实时信号测量，进一步提高了传感器的灵敏度和测量方法的稳定性。
附图说明
图1为本发明提供的一种端面型光纤折射率传感器阵列测量系统框图。
图2为本发明实施例的端面型光纤折射率传感器结构示意图。
图3为本发明提供的一种端面型光纤折射率传感器阵列测量方法流程图。
图4为本发明实施例的单个端面型光纤传感器测量得到的信号示意图。
图5为本发明实施例的端面型光纤折射率传感器阵列测量得到的信号示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
本发明提供了一种端面型光纤折射率传感器阵列测量系统，如图1所示，包括宽带光源1、偏振控制器2、矢量网络分析仪3、电光调制器4、光纤环行器5、光纤分路器6、端面型光纤折射率传感器阵列7以及探测器9。宽带光源1、偏振控制器2、电光调制器4通过光纤顺次连接。光纤环行器5包括a、b、c三个端口，a端口通过光纤与电光调制器4的输出端连接，b端口通过光纤与光纤分路器6连接，c端口通过光纤与探测器9的输入端连接。光纤分路器6与端面型光纤折射率传感器阵列7连接。矢量网络分析仪3包括P1、P2两个端口，P1端口通过同轴电缆与电光调制器4的输入端连接，P2端口通过同轴电缆与探测器9的输出端连接。
其中，端面型光纤折射率传感器阵列7由多个端面型光纤传感器8通过光纤分路器6分为多路构成，同时保证每一路均有不同的相位延迟且大于光源的相干长度。本发明实施例中，光纤分路器6采用1*8的光纤分路器PLC，因此端面型光纤折射率传感器阵列7由8个端面型光纤传感器8通过光纤分路器6分为多路构成，端面型光纤传感器8可将普通单模光纤端面切平制成。
本发明实施例中，端面型光纤传感器8通过将单模光纤的一端与镀有介质膜的光纤熔接，另一端切平制成，如图2所示。镀有介质膜的光纤与单模光纤熔接形成的反射面作为参考面，单模光纤另一端切平的反射面作为待测面进行测量。参考面和待测面均可对光产生作用，从而出现2个反射面，在测量过程中，由于待测物质的折射率改变，待测面的强度大小也随之改变，但是参考面的反射强度大小保持不变，从而起到自参考的作用。
本发明还提供了一种端面型光纤折射率传感器阵列测量方法，如图3所示，包括以下步骤：
S1、驱动可调制的宽带光源1，使其发出宽带光信号。
S2、偏振控制器2接收宽带光信号，将宽带光变成偏振光，输送至电光调制器4。
S3、电光调制器4的输入端接收矢量网络分析仪3的P1端口的微波信号。
S4、利用微波信号对偏振光信号进行调制，得到相应的调制光并输送至光纤环形器5的a端口。在电光调制器的偏置端施加一个偏置电压，以提高调制效率。该步骤的物理公式推导如下：
我们假设偏振光信号为：
式中E0表示电场强度，A表示振幅大小，ω表示光信号角频率，t表示时间，表示相位大小。
微波信号为：
S(t)＝M cos(Ωt+θ) (2)
式中M表示微波信号的振幅强度，Ω表示微波信号的角频率，θ表示相位。
通过电光调制器，光波信号将被微波信号所调制，得到调制之后的调制光信号为：
式中m(t)表示强度调制项。
S5、调制光经过光纤环形器5的b端口和光纤分路器6后分成多路送入多个端面型光纤传感器8，从而构成端面型光纤折射率传感器阵列7。
S6、端面型光纤折射率传感器阵列7跟待测物质进行作用得到反射光信号，经光纤环形器5的c端口输送至探测器9。
S7、探测器9将反射光信号转换为测量电信号，输送至矢量网络分析仪3的P2端口。
本发明实施例中，矢量网络分析仪3的扫频范围从300KHz到2GHz，扫描点数设置为1601个点，中频带宽设为5KHz，这样就可获得反射频谱，对其做逆傅里叶变换就可以看到时域上的图像。该时域上的图像就是反射信号的强度，我们可以根据其反射强度来监测外界参量变化。根据公式(3)，可得到反射面后反射回来的信号为：
式中c表示真空中光速，z表示传感器的空间位置，n表示介质有效折射率，Г表示由探测器所决定的振幅反射系数。
从反射回来的信号就可以看到，该信号的强度大小与外界参量相关，解调出此信号，便可以计算出外界参量。
S8、矢量网络分析仪3对测量电信号进行分析和显示，并测量传输参数，即S21参数。
矢量网络分析仪3分别可以得到多路来自参考面和待测面的测量电信号，同一路的参考面和待测面所处环境相同，仅仅是光程差不同，且光程差大于光源的相干长度但是小于微波调制的相干长度。当待测液体的折射率改变时，待测面的反射强度大小也随之改变，但是参考面的反射强度大小不变，将参考面的反射强度除以待测面的反射强度，即可起到自参考的作用，同时消除其外界温度、压强等带来的影响。
本发明实施例中，光纤分路器6采用1*8的光纤分路器PLC，则每路通道上均有一个端面型光纤传感器8，将单个端面型光纤传感器8放入待测液体中，就可以在矢量网络分析仪3的时域上观测到测量信号，如图4所示。在保证8路通道均有不同相位延迟且延迟大于光源的相干长度的条件下，则可以对8路端面型光纤传感器进行实时测量，将8个简单端面切平的传感头一并放入待测液体中，就可以在矢量网络分析仪上观测到测量信号，如图5所示。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种端面型光纤折射率传感器阵列测量系统，其特征在于，包括宽带光源(1)、偏振控制器(2)、矢量网络分析仪(3)、电光调制器(4)、光纤环行器(5)、光纤分路器(6)、端面型光纤折射率传感器阵列(7)以及探测器(9)；所述宽带光源(1)、偏振控制器(2)、电光调制器(4)通过光纤顺次连接；所述光纤环行器(5)包括a、b、c三个端口，所述a端口通过光纤与电光调制器(4)的输出端连接，所述b端口通过光纤与光纤分路器(6)连接，所述c端口通过光纤与探测器(9)的输入端连接；所述光纤分路器(6)与端面型光纤折射率传感器阵列(7)连接；所述矢量网络分析仪(3)包括P1、P2两个端口，所述P1端口通过同轴电缆与电光调制器(4)的输入端连接，所述P2端口通过同轴电缆与探测器(9)的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的端面型光纤折射率传感器阵列测量系统，其特征在于，所述端面型光纤折射率传感器阵列(7)由多个端面型光纤传感器(8)通过光纤分路器(6)分为多路构成，同时保证每一路均有不同的相位延迟且大于光源的相干长度。
3.根据权利要求2所述的端面型光纤折射率传感器阵列测量系统，其特征在于，所述端面型光纤传感器(8)通过将单模光纤的一端与镀有介质膜的光纤熔接，另一端切平制成。
4.根据权利要求3所述的端面型光纤折射率传感器阵列测量系统，其特征在于，所述端面型光纤传感器(8)中镀有介质膜的光纤与单模光纤熔接形成的反射面作为参考面，单模光纤另一端切平的反射面作为待测面进行测量。
5.一种端面型光纤折射率传感器阵列测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、驱动可调制的宽带光源(1)，使其发出宽带光信号；
S2、偏振控制器(2)接收宽带光信号，将宽带光变成偏振光，输送至电光调制器(4)；
S3、电光调制器(4)的输入端接收矢量网络分析仪(3)P1端口的微波信号；
S4、利用微波信号对偏振光信号进行调制，得到相应的调制光并输送至光纤环形器(5)的a端口；
S5、调制光经过光纤环形器(5)的b端口和光纤分路器(6)后分成多路送入端面型光纤传感器(8)，从而构成端面型光纤折射率传感器阵列(7)；
S6、端面型光纤折射率传感器阵列(7)跟待测物质进行作用得到反射光信号，经光纤环形器(5)的c端口输送至探测器(9)；
S7、探测器(9)将反射光信号转换为测量电信号，输送至矢量网络分析仪(3)的P2端口；
S8、矢量网络分析仪(3)对测量电信号进行分析和显示，并测量传输参数。
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