CN1071007A - 偏振型直流量光纤传感器的补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种偏振型直流量光纤传感器的补 偿方法，其信号光经传感材料后再通过分光器分光， 分别传输至光电探测器，其特征在于：补偿光经补偿 材料后通过分光器分光，分别传输至光电探测器。具 有稳定度高、测量精度高、可避免各种因素的影响等 优点。用于各种直流量光纤传感器的补偿。

Description

本发明涉及一种直流量光纤传感器的补偿方法，特别是关于一种偏振型直流量光纤传感器的补偿方法。

为了使偏振型直流量光纤传感器在远路离测量时能够长期稳定的工作，对其光源发光功率，光纤传输损耗及光电探测器响应度的变化，必须加以补偿，现有的偏振型直流量光纤传感器的补偿方法其方式有：

（一）、惠斯登桥式网络：这种光纤传感器目前最好实现方法是将四支光纤偶合器分别跨接在传感头前后与参考光路之间，使两根接收光纤先后传导来自两个光源发出的光、然后通过比率运算达到补偿目的，但光纤偶合器分光比对入射光模式有较强的依赖，使该方法仍不能满足高精度的测量要求。

（二）、单光源传感头偏振分光：采用这种方法的设备结构简单，但不能保证两根接收光纤传输损耗变化的一致，光电探测器响应度的变化不能补偿，因此其精度较低。

（三）、双光源传感头偏振分光：这种方法的设备所需的偏振分光棱镜价格昂贵，且性能不稳定。

高精度的直流量光纤传感器要步入工业实用化阶段，只补偿发光光源光功率，光电探测器响应度，光纤传输损耗变化是远远不足的，为了使直流量光纤传感器真正达到高精度，高稳定性能，步入工业实用阶段，必须补偿发光光源中心波长变化以及传感材料特性变化。

本发明的目的是提供一种不仅可补偿发光光源光功率、光电探测器响应度、光纤传输损耗变化、还可补偿发光光源中心波长变化和传感材料特性变化的偏振型直流量光纤传感器的补偿方法。

本发明的技术解决方案是：一种偏振型直流量光纤传感器的补偿方法，其信号光经传感材料后再通过分光器分光，分别传输至光电探测器，其特征在于：补偿光经补偿材料后通过分光器分光，分别传输至光电探测器。

所述的补偿材料为具有双折射性能的石英晶体或云母波片。所述的传感材料为具有光弹性能的石英玻璃或K9玻璃。

本发明同现有技术相比具有测量精度高，补偿方法简单，稳定度高，可避免各种因素的影响等优点。

下面结合附图说明实施例

实施例1：

附图1为本发明双光源传感头偏振分光的偏振型直流量光纤传感器的补偿方法示意图。其补偿原理如下：

光接收发射装置14的发光光源10（信号光）和补偿光光源11为两支波长一致的发光二极管，发光光源10的光经光缆16的光纤传输致传感头15，由自聚焦透镜1准直，起偏器17起偏，经传感材料2然后经保偏普通分光棱镜9分光成两束，分别经检偏器6、7检偏，再经自聚焦透镜5、8注入光纤传输至光电探测器12、13;补偿光光源11的光经自聚焦透镜3准直，起偏器18起偏，经补偿材料4，然后经保偏普通分光棱镜9分光成两束，分别经检偏器6、7检偏，再经自聚焦透镜5、8注入光纤传输至光电探测器12、13。

其补偿计算如下：

发光光源10发光，补偿光光源11不发光，光电探测器12、13探测到的光电信号i11和i12分别为：

i11＝（ 1/2 ）I₀L11R11COS²θ……（1）

i12＝（ 1/2 ）I₀L12R12Sin²θ……（2）

（1）（2）式中：

I₀-入射偏振光光功率。

L11、L12-分别为两根接收光纤损耗系数。

R11、R12-分别为两光电探测器响应度。

θ-被测外场在传感材料中诱发的双折射引入的传感信号。

补偿光光源11发光，发光光源10不发光，光电探测器11、12探测到的光电信号i21和i22分别为：

i′21＝（ 1/2 ）I′₀L21R21COS²β……（3）

i′22＝（ 1/2 ）I′₀L22R22Sin²β……（4）

（3）、（4）式中：

I′₀-入射光光功率

L21、L22-分别为光纤在补偿光光源11发光时刻的损耗系数。

R21、R22-分别为光电探测器在补偿光光源11发光时刻的响应变。

β-补偿材料4中产生双折射引入的补偿信号。

当发光光源10和补偿光光源发光时间间隔足够短时有：

L11＝L21、L12＝L22、R11＝R21、R12＝R22

则有：

i11＝I₀L11R11COS²θ……（5）

i12＝I₀L12R11Sin²θ……（6）

i21＝I₀L11R11COS²β……（7）

i22＝I₀L12R12Sin²β……（8）

信号处理系统对（5）致（8）式表示的信号进行如下运算：

S1= (i11-i12)/(i11+i12) = (L11R11COS²θ-L12R12Sin²θ)/(L11R11COS²θ-L12R12Sin²θ)

S2= (i11-i12)/(i21+i22) = (L11R11DOS²β-L12S12Sin²β)/(L11R11COS²β＋L12R12Sin²β)

为了补偿波长、传感材料特性变化，损耗系数，响应度变化，信号处理系统再次通过运算：

S＝S1+S2……式中K为修正系数，S为与被测量有关的常数。

得到S值与被测量值的一一对应关系，通过计算机线性插值补偿，获得S值仅与补测量有关的结果，消除了光源波长，传感材料特性变化，光纤损耗、光电探测响应度变化对测量结果的影响。

具体的补偿方法如下：

光接收发射装置14由发光光源10，补偿光光源11及光电探测器12、13所构成，发光光源10和补偿光光源11采用两支波长一致的发光二极管，传感头15则是由自聚焦透镜1、3、5、8、起偏器17、18、石英玻璃作为传感材料2，长方体保偏普通分光棱镜9，检偏器6以及在起偏器18与保偏普通分光棱镜9之间的采用石英晶体制作的补偿材料4所构成，光接收发射装置14与传感头15的连接采用光缆16相连接。采用石英玻璃作为传感材料2，石英晶体为补偿材料4制成的压力传感器，其石英晶体制作的λ/2波片，石英玻璃传感材料2在应力作用下产生应力双折射，应力双折射引入相位差：

θ＝2πCL_σ/λ，石英晶体补偿材料是双折射材料，引入相位差β＝ (π)/2 ＝ (2πL′(n_e-n_o))/(λ＇)

式中：C-石英玻璃应力双折射常数。

ne、no-分别为O光和e光的折射率。

L、L′-分别为石英玻璃、石英晶体沿光传播方向厚度。

σ：被测应力    λ、λ′为光波波长。

通过选择使λ＝λ′，当使θ＜π/2时可以获得S（S＝S1-KS2）与应力σ的-对应关系，根据式S＝S1-KS2算出S后便可确定σ值。

实施例2

附图2为本发明惠斯登桥式网络补偿方法示意图。图中：1、3、5、8为自聚焦透镜，2为传感材料、4为补偿材料、10为信号光发光光源、11为补偿光源，12、13为光电探测器，19为分光偶合器。

实施例3

附图3为单光源传感头偏振分光的补偿方法示意图。图中：1、5、8为自聚焦透镜，2为传感材料，4为补偿材料，6、7为检偏器，9为分光棱镜，10为发光光源，12、13为光电探测器，17为起偏器。

Claims (3)

1、一种偏振型直流量光纤传感器的补偿方法，其信号光经传感材料后再通过分光器分光，分别传输至光电探测器，其特征在于：补偿光经补偿材料后通过分光器分光，分别传输至光电探测器。

2、根据权利要求1所述的偏振型直流量光纤传感器的补偿方法，其特征在于：所述的传感材料为石英玻璃或K9玻璃，所述的补偿材料为石英晶体或云母波片。

3、根据权利要求1或2所述的偏振型直流量光纤传感器的补偿方法，其特征在于：所述的分光器为分光耦合器，偏振分光棱镜或普通分光棱镜。

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