CN107907505B - 一种光纤氢气传感器解调装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤氢气传感器解调装置，包括宽谱光源、电光调制器和计算机，宽谱光源输出端连接光电耦合器，光电耦合器的一个输出端的光纤面上镀制一段钯膜，光电耦合器的输出端口和反射膜构成一个迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪的输出端连接电光调制器，电光调制器输出的调制信号经过色散光纤后入射到高速光电探测器上，高速光电探测器将光信号装换成微波信号并通过低噪放放大，低噪放输出端连接微波功分器，微波功分器将一部分微波信号注入到电光调制器中，同时将另一部分微波信号输入频谱仪，频谱仪末端连接计算机，本发明提出的测试原理和方法可实现高精度氢气浓度的测量，同时也降低了成本，简化了结构。

Description

一种光纤氢气传感器解调装置

技术领域

本发明涉及一种解调装置，具体为一种光纤氢气传感器解调装置。

背景技术

氢气在航空、化工和医学领域常被作为可燃能源和还原剂等有着广泛应用。由于氢气在使用过程中在浓度超过4％时遇到明火会发生爆炸，因此，随着氢气的广泛应用，对氢气浓度的检测也受到重视。

目前氢气浓度的检测光学方法有基于光干涉为基础的干涉型氢气传感解调系统、基于光反射为基础的微透镜型氢气传感解调系统、基于消逝场原理的氢气传感器和光纤光栅氢气传感解调系统。干涉型氢气传感解调系统存在制作工艺复杂的问题，基于光反射为基础的微透镜型氢气传感解调系统中则有成本高，氢敏感膜灵敏度低的缺点，基于消逝场原理的氢气传感器存在工艺要求高和成本高的不足，光纤光栅氢气传感解调系统存在信息解调价格昂贵体积大的缺陷。

因此，本发明提出了一种基于光纤迈克尔逊干涉仪和光电振荡器结合的氢气传感解调方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有解调装置在工作过程中，成本高、精度差和结构复杂的缺陷，提供一种光纤氢气传感器解调装置，从而解决上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明一种光纤氢气传感器解调装置，包括宽谱光源、电光调制器和计算机，宽谱光源输出端连接光纤耦合器，光纤耦合器的一个输出端的光纤面上镀制一段钯膜，钯膜表面设置有反射镜，光纤耦合器的输出端口和反射膜构成一个迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪的输出端连接电光调制器，电光调制器输出的调制信号经过色散光纤后入射到高速光电探测器上，高速光电探测器将光信号转换 成微波信号并通过低噪放放大，低噪放输出端连接微波功分器，微波功分器将一部分微波信号注入到电光调制器中，同时将另一部分微波信号输入频谱仪，频谱仪末端连接计算机。

作为本发明的一种优选技术方案，电光调制器、色散光纤、高速光电探测器、低噪放和微波功分器组成光电振荡器环路，且光电振荡器环路输入端与迈克尔逊干涉仪的输出端相连接，能够将迈克尔逊干涉仪输出端产生的干涉梳状谱注入光电振荡器环路中，并通过光电振荡器环路产生微波信号。

作为本发明的一种优选技术方案，电光调制器内部设置有线性调制设备，线性调制设备表面设置有纵向和横向接口，接口均位于铝外壳中，由于电光效应可分为线性电光效应(泡克耳斯效应)和二次电光效应(克尔效应)，而线性电光效应比二次电光效应的作用效果明显，因此采用线性调制效果更好。

作为本发明的一种优选技术方案，宽谱光源可采用高斯型或矩形光源作为发射光源，使得光源发射装置的选择性更高。

本发明所达到的有益效果是：本发明提出了一种新的光纤氢气浓度的测量方法，通过不同浓度的氢气改变干涉仪的光程差，从而改变光电振荡器输出的微波信号的中心频率来实现氢气浓度的测量，宽谱光源进入一光纤耦合器，该耦合器的两个输出端和两个反射膜构成一个迈克尔逊干涉仪，光纤耦合器的另一输入端口将成为干涉仪的输出端口，宽谱光源经该干涉仪后，在当干涉仪两臂光程差在光源相干范围内时，在干涉仪的输出端将产生干涉条纹，该干涉条纹在频域上为一正弦梳状谱，由迈克尔逊干涉仪输出的梳状谱经过一处于正交工作点的电光调制器，则由光电振荡器产生的微波信号通过该电光调制器被调制到干涉梳状光谱上，该光载微波信号经过色散补偿光纤后入射到高速光电探测器上，该探测器将光信号装换成微波信号，该微波信号通过低噪放放大后经过一个微波功分器后，一部分信号通过频谱仪来测量光电振荡器输出微波信号的中心频率，本发明提出的测试原理和方法可实现高精度氢气浓度的测量，同时也降低了成本，简化了结构。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1是本发明系统框架结构示意图；

图中标号：101、宽谱光源；102、光纤耦合器；103、钯膜；104、反射镜；105、电光调制器；106、色散光纤；107、高速光电探测器；108、低噪放；109、微波功分器；201、频谱仪；202、计算机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：如图1所示，本发明提供一种光纤氢气传感器解调装置，包括宽谱光源101、电光调制器105和计算机202，宽谱光源101输出端连接光纤耦合器102，光纤耦合器102的一个输出端的光纤面上镀制一段钯膜103，钯膜103表面设置有反射镜104，光纤耦合器102的输出端口和反射膜104构成一个迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪的输出端连接电光调制器105，电光调制器105输出的调制信号经过色散光纤106后入射到高速光电探测器107上，高速光电探测器107 将光信号转换 成微波信号并通过低噪放108放大，低噪放108输出端连接微波功分器109，微波功分器109将一部分微波信号注入到电光调制器105中，同时将另一部分微波信号输入频谱仪 201，频谱仪201末端连接计算机202。

具体的，本发明一种光纤氢气传感器解调装置，电光调制器105、色散光纤106、高速光电探测器107、低噪放108和微波功分器109组成光电振荡器环路，且光电振荡器环路输入端与迈克尔逊干涉仪的输出端相连接，能够将迈克尔逊干涉仪输出端产生的干涉梳状谱注入光电振荡器环路中，并通过光电振荡器环路产生微波信号，电光调制器105内部设置有线性调制设备，线性调制设备表面设置有纵向和横向接口，接口均位于铝外壳中，由于电光效应可分为线性电光效应(泡克耳斯效应)和二次电光效应(克尔效应)，而线性电光效应比二次电光效应的作用效果明显，因此采用线性调制效果更好，宽谱光源101可采用高斯型或矩形光源作为发射光源，使得光源发射装置的选择性更高。

具体的，本发明一种光纤氢气传感器解调装置，具体测量原理如下：本测量方法的原理是通过不同氢气浓度下的钯膜103折射率的变化来改变迈克尔逊干涉仪的光程差，从而改变光电振荡器输出的微波信号的中心频率，根据微波信号中心频率的变化量来得到待测氢气的浓度，干涉仪一臂上镀制的钯膜103在不同浓度的氢气状态下，钯膜103将吸收氢气并使钯膜103的折射率发生变化，从而使得干涉仪两臂光程差发生变化，通过改变氢气浓度，并记录不同氢气浓度下光电振荡器输出的微波信号的中心频率就可以得到待测氢气浓度，宽谱光源101经过迈克尔逊干涉仪后，将发生干涉，干涉条纹的输出在频域上可表示为：

其中A为干涉仪输出干涉条纹的可见度，Δω为不同干涉仪光程差nΔL时输出干涉条纹的频率间隔，

为干涉仪的相位漂移，ω₀为激光器的中心圆频率；Δω可表示为：

Δω＝2πc/nΔL (2)

其中c为光速，n为光纤折射率，ΔL为干涉仪两臂光程差；则该干涉仪的自由光谱范围可表示为：

干涉的输出光是与波长相关，其电场可表征为：

E(t)＝∫E(ω)e^jωtdω (4)

则光源的光功率谱密度可表示为：

T(ω)＝|E(ω)|² (5)

干涉仪输出的干涉条纹经过电光调制器后，光谱的每个频率分量E(ω)都被调制，并且由光电振荡器环路产生一频率为ξ的微波信号，电光调制器输出的光场可表示为：

E(ω)＝e^jωt(1+e^jξt+e^-jξt) (6)

光电振荡器中使用色散光纤作为延迟线，该延迟线的电场传递函数可表示为：

H(ω)＝|H(ω)|e^-jφ(ω) (7)

φ(ω)为色散光纤延迟引入的相位，根据泰勒级数展开，该相位可表示为：

式中，τ(ω₀)为中心频率为ω₀时的群时延，β为光纤的色散，其单位为ps²/km，β可表示为：

式中D为光纤的色散系数，λ为光源波长；

根据式(5)——(9)可得光电振荡器响应函数为：

其中

由此可知，光电振荡器输出的微波信号的中心频率可表示为：

由上式可知，改变待测氢气的浓度从而改变干涉仪两臂光程差值nΔL，测试系统输出的微波信号的频率将会改变，根据微波信号的中心频率的变化量就可以得到待测氢气的浓度。本发明中的迈克尔逊干涉仪也可以采用马赫曾德或法布里-珀罗干涉仪，也都是在干涉仪的一臂中镀制钯膜，根据不同氢气浓度下干涉仪光程差的不同来实现光电振荡器输出微波频率的改变，从而实现氢气浓度的测量

本光纤氢气传感系统中的氢气传感探头就是一个镀制了钯膜103的迈克尔逊干涉仪，因此本传感系统的关键是要确定好式(11)中的各项参数，使得光电振荡器输出的微波信号的频率在常用频谱仪测量频段范围内(不失为一般性，一般频谱仪的频率带宽为几十KHz——26.5GHz )。由于钯膜的折射率是确定的，当光电振荡器中的色散光纤的长度和色散值确定好后，就只需要根据式(11)确定迈克尔逊干涉仪两臂光程差就可完成传感探头的设计。

本光纤氢气传感解调系统的工作流程如下所示：

1、该光纤氢气传感系统使用前进行一次氢气浓度的标定，测量每个氢气浓度点下光电振荡器输出微波信号的中心频率，并将氢气浓度和对应的微波信号中心频率作为一个基准数据固化到计算机程序中。

2、上电后，调制器驱动板通过程序自动控制强度型光调制器工作在线性工作点。调制器工作点确定后，记录没有氢气时，解调系统记录光电振荡器输出的微波信号的中心频率。

3、将整个迈克尔逊干涉仪的两臂放置在待测点，再次记录光电振荡器输出的微波信号的中心频率。根据第2和第3步中的微波信号中心频率的变化量就可以得到待测氢气浓度的大小。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光纤氢气传感器解调装置，其特征在于，包括宽谱光源(101)、电光调制器(105)和计算机(202)，宽谱光源(101)输出端连接光电耦合器(102)，光电耦合器(102)的一个输出端的光纤面上镀制一段钯膜(103)，钯膜(103)表面设置有反射镜(104)，光电耦合器(102)的输出端口和反射膜(104)构成一个迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪的输出端连接电光调制器(105)，电光调制器(105)输出的调制信号经过色散光纤(106)后入射到高速光电探测器(107)上，高速光电探测器(107)将光信号转换 成微波信号并通过低噪放(108)放大，低噪放(108)输出端连接微波功分器(109)，微波功分器(109)将一部分微波信号注入到电光调制器(105)中，同时将另一部分微波信号输入频谱仪(201)，频谱仪(201)末端连接计算机(202)；

所述光纤氢气传感器解调装置的测量方式包括：

宽谱光源进入一光纤耦合器，该耦合器的两个输出端和两个反射膜构成一个迈克尔逊干涉仪，光纤耦合器的另一输入端口将成为干涉仪的输出端口，宽谱光源经该干涉仪后，在当干涉仪两臂光程差在光源相干范围内时，在干涉仪的输出端将产生干涉条纹，该干涉条纹在频域上为一正弦梳状谱，由迈克尔逊干涉仪输出的梳状谱经过一处于正交工作点的电光调制器，则由光电振荡器产生的微波信号通过该电光调制器被调制到干涉梳状光谱上，该光载微波信号经过色散补偿光纤后入射到高速光电探测器上，该探测器将光信号装换成微波信号，该微波信号通过低噪放放大后经过一个微波功分器后，一部分信号通过频谱仪来测量光电振荡器输出微波信号的中心频率；

通过不同氢气浓度下的钯膜(103)折射率的变化来改变迈克尔逊干涉仪的光程差，从而改变光电振荡器输出的微波信号的中心频率，根据微波信号中心频率的变化量来得到待测氢气的浓度，干涉仪一臂上镀制的钯膜(103)在不同浓度的氢气状态下，钯膜(103)将吸收氢气并使钯膜(103)的折射率发生变化，从而使得干涉仪两臂光程差发生变化，通过改变氢气浓度，并记录不同氢气浓度下光电振荡器输出的微波信号的中心频率就可以得到待测氢气浓度，宽谱光源(101)经过迈克尔逊干涉仪后，将发生干涉，干涉条纹的输出在频域上可表示为：

其中A为干涉仪输出干涉条纹的可见度，Δω为不同干涉仪光程差nΔL时输出干涉条纹的频率间隔，

为干涉仪的相位漂移，ω0为激光器的中心圆频率；Δω可表示为：

Δω＝2πc/nΔL (2)

其中c为光速，n为光纤折射率，ΔL为干涉仪两臂光程差；则该干涉仪的自由光谱范围可表示为：

干涉的输出光是与波长相关，其电场可表征为：

E(t)＝∫E(ω)e^jωtdω (4)

则光源的光功率谱密度可表示为：

T(ω)＝|E(ω)|² (5)

干涉仪输出的干涉条纹经过电光调制器后，光谱的每个频率分量E(ω)都被调制，并且由光电振荡器环路产生一频率为ξ的微波信号，电光调制器输出的光场可表示为：

E(ω)＝e^jωt(1+e^jξt+e^-jξt) (6)

光电振荡器中使用色散光纤作为延迟线，该延迟线的电场传递函数可表示为：

H(ω)＝|H(ω)|e^-jφ(ω) (7)

φ(ω)为色散光纤延迟引入的相位，根据泰勒级数展开，该相位可表示为：

式中，τ(ω₀)为中心频率为ω₀时的群时延，β为光纤的色散，其单位为ps²/km，β可表示为：

式中D为光纤的色散系数，λ为光源波长；

根据式(5)——(9)可得光电振荡器响应函数为：

其中

由此可知，光电振荡器输出的微波信号的中心频率可表示为：

由上式可知，改变待测氢气的浓度从而改变干涉仪两臂光程差值nΔL，测试系统输出的微波信号的频率将会改变，根据微波信号的中心频率的变化量就可以得到待测氢气的浓度。

2.根据权利要求1所述的一种光纤氢气传感器解调装置，其特征在于，电光调制器(105)、色散光纤(106)、高速光电探测器(107)、低噪放(108)和微波功分器(109)组成光电振荡器环路，且光电振荡器环路输入端与迈克尔逊干涉仪的输出端相连接。

3.根据权利要求1所述的一种光纤氢气传感器解调装置，其特征在于，电光调制器(105)内部设置有线性调制设备，线性调制设备表面设置有纵向和横向接口，接口均位于铝外壳中。

4.根据权利要求1所述的一种光纤氢气传感器解调装置，其特征在于，宽谱光源(101)可采用高斯型或矩形光源作为发射光源。

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