CN108132067A - 一种无源温度补偿的保偏光纤干涉仪及其补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种无源温度补偿的保偏光纤干涉仪及其补偿方法。通过构建温度补偿光纤干涉仪和无源温度补偿结构相结合来实现。此方法主要包括一个全保偏光纤干涉仪和一个热膨胀系数较大的金属柱体。其中全保偏光纤干涉仪利用快轴和慢轴的折射率的不同来匹配具有温度漂移的两臂的工作轴，从而弥补干涉仪的温度漂移；将干涉仪温度漂移较小的一臂的一部分缠绕在一个温度系数较大的金属柱体上，构成无源温度补偿结构，通过增大缠绕光纤的温度漂移来平衡两臂对温度的响应。这两种方式均可对干涉仪的温度串扰进行补偿，相结合补偿精度更高。本发明提出一个新型温度补偿方法，设计巧妙，抗电磁干扰，可以对任何温度漂移量的串扰进行补偿。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种光纤传感技术，具体地说是一种光纤干涉仪及其补偿方法。
背景技术
光纤传感器作为如今传感领域的一项重要研究内容之一，具有体积小、质量轻、灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰、可在恶劣环境下工作等优点。光纤传感器在外界环境测量方面的应用也越来越广泛。由于保偏光纤具有偏振保持的特性，广泛用于航天、航空、航海、工业制造技术及通信等国民经济的各个领域。为了达到对待测物理量更加稳定的测量，保偏光纤干涉仪在传感领域的使用逐步增多。
由于保偏光纤传感器会同时受到应变和温度的影响，实际测量中有交叉串扰，即传感器在接收被测信号之余，温度对传感器的影响也会产生漂移进而干扰信号的采集，因此就需要采用一些补偿措施在一定程度上消除传感器的温度漂移，实现温度补偿是光纤传感器广泛应用的关键问题。
目前已有的对光纤传感器进行温度补偿的方法有数据处理补偿法、双传感法、结构补偿法、参考干涉仪法等。
数据处理补偿法是首先获取温度对干涉仪的影响，进而在最终得到的结果中利用数据处理来将温度漂移去除。2009年上海亨通光电科技有限公司的虞翔等人提出的光纤陀螺仪温度补偿方法(CN101738204B)中，是采集全温循环对光纤陀螺仪的影响，再利用数据处理将此信号抑制，进行温度效应的补偿。双传感法指的是通过在传感器中寻找两个对应变和温度分别有不同响应的结构来对两者进行测量，进而分别得到应变和温度变化。2010年上海交通大学史杰等人提出了一种带温度补偿的光纤sagnac干涉环应变传感器(CN101813459B)，此发明使用的是双传感法，构建出两个传感响应，分别求得对温度和应变的灵敏度，来消除两者的串扰。结构补偿法通过在干涉仪中设计一个特殊结构来限制干涉仪对受温度影响而发生的变化，从而实现温度漂移的弥补。2012年重庆大学的朱涛等人提出了一种具有滑动反射镜式温度自补偿光纤加速度传感器(CN102721828B)，此发明使用的是结构补偿法，通过设计结构参数来降低以至于消除温度的影响。参考干涉仪法是指构建一个对待测物理量不灵敏的参考干涉仪，根据两干涉仪对温度的共同响应来消除传感干涉仪中的温度漂移，从而获得待测物理量的信号。2016年电子科技大学的冉曾令等人提出了一种基于光纤珐珀传感器的温度补偿系统及方法(CN106706160A)，此发明构建了一个只对温度有响应的参考臂，来剔除传感臂上的温度效应；2017年北京信息科技大学的祝连庆等人提出了一种温度自补偿的光纤光栅应变传感器(CN106679583A)，此发明将两个光纤光栅构建两个推挽式结构，对位移具有相反的响应，利用两个光栅的波长漂移量来消除光纤光栅传感装置由于温度变化引起的波长漂移的影响并可以获得测量点的位移变化和温度变化，实现温度自补偿功能。
以上这些方法中参考干涉仪法、双传感法、结构补偿法都是通过构建新的干涉仪来进行测量，大大增加了结构的复杂性；数据处理补偿法只能处理已知的温度变化对其带来的影响，实用性不高。因此，为了保偏光纤传感器能够使用更加广泛，克服温度对应变的交叉串扰是非常有意义和价值的事。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、误差小、测量结果准确的无源温度补偿的保偏光纤干涉仪。本发明的目的还在于提供一种基于无源温度补偿的保偏光纤干涉仪的补偿方法。
本发明的无源温度补偿的保偏光纤干涉仪：包括依次连接的窄带光源301、带有温度补偿的保偏光纤干涉仪302、干涉信号探测单元303、采集设备304和电脑控制终端305，所述带有温度补偿的保偏光纤干涉仪302包括0°起偏器401、第1保偏耦合器402、相位调制器403、第1保偏光纤404、第2保偏光纤405、第2保偏光纤耦合器406和无源温度补偿结构407，0°起偏器401用来保证进入干涉仪之前的传输光为单一的线偏光，0°起偏器401后接第1保偏耦合器402，温度漂移小的传感臂连接方式为：第1保偏耦合器402的第一输出端402a、无源温度补偿结构407、第1保偏光纤404和第2保偏光纤耦合器406的第一输入端406a依次进行0°焊接；温度漂移大的传感臂连接方式为：第1保偏耦合器402的第二输出端402b与第2保偏光纤405进行90°焊接，第2保偏光纤405再和第2保偏光纤耦合器406的第二输入端406b进行90°焊接，相位调制器403缠绕在任一传感臂中，无源温度补偿结构407位于温度漂移小的传感臂；采集设备304与带有温度补偿的保偏光纤干涉仪302中的相位调制器403连接，在电脑控制终端305上设置一个相位调制载波，通过采集设备304传送到干涉仪中的相位调制器上进行调制。
本发明的无源温度补偿的保偏光纤干涉仪还可以包括：
1、无源温度补偿结构407包含热膨胀系数大的金属柱体601和缠绕光纤602，缠绕光纤602取自传感臂中的一段，在缠绕过程中要保持一定的预应力，以保证在金属柱体601随外界温度变化进行热胀冷缩变化时能够带动缠绕光纤602的实时变化。
2、窄带光源301输出光应沿慢轴传输，若是沿快轴传输，则窄带光源301与0°起偏器401进行90°焊接。
3、带有温度补偿的保偏光纤干涉仪302中0°起偏器401、第1保偏光纤器件402以及相位调制器403三个器件由Y波导器件代替。
4、第1保偏耦合器402和第2保偏光纤耦合器406的工作轴为慢轴，最优分光比为50:50。
5、带有温度补偿的保偏光纤干涉仪302的干涉臂长相等，且是全保偏干涉仪；所有光学器件的工作波长应与窄带光源301的中心波长一致。
利用无源温度补偿的保偏光纤干涉仪的补偿方法为：
步骤501：搭建单轴工作的保偏光纤干涉仪，使两干涉臂在同轴工作时测量干涉仪的温度漂移量ST1；
步骤502：分别对两干涉臂404和405仅施加升温作用，并保持另外一臂固定不动，分别得出两种情况下解调出的相位差变化趋势，分别记为趋势1、趋势2；其次再对两干涉臂同时仅施加相同的升温作用，再次得到一个相位差变化趋势，记为趋势3；通过对比选出与趋势3相反的趋势，它所在的一臂即为温度漂移小的一臂，由此判断两干涉臂的相对温度漂移大小；
步骤503：将温度漂移小的一臂的工作轴通过焊接角度设置为慢轴工作，另外一臂设置为快轴工作，由此形成带有温度补偿的保偏干涉仪302；
步骤504：测量带有温度补偿的保偏干涉仪302的温度漂移量ST2；
步骤505：判断ST2的大小，若ST2＝0，则完成温度漂移的补偿；若ST2≠0，则进行以下步骤；
步骤506：根据Δl＝ST2/β计算需要缠绕在金属柱体601上的光纤长度，其中β是金属柱体601的热膨胀系数；
步骤507：重新找到温度漂移相对小的一臂，取长度为Δl的光纤602，保持一定的预应力缠绕在金属柱体601的表面，并固定好，完成温度漂移的补偿。
本发明提供了一种无源温度补偿的光纤干涉仪及其补偿方法，目的是对光纤干涉仪的温度漂移进行无源补偿，消除温度和应变的交叉串扰，实现对应变的精确测量。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
(1)本发明通过对保偏光纤焊接角度的巧妙设计，利用0°和90°的焊接组合，使得干涉仪的两臂分别在快轴和慢轴工作，通过折射率的不同平衡两臂对温度的响应，实现了在不影响传感的基础上达到对温度漂移的抑制，解决了在测量过程中的交叉串扰问题，且不增加干涉仪的复杂程度；
(2)结合无源温度补偿结构，通过调整金属柱体上缠绕光纤的长度，能够实现任意温度漂移量的补偿；
(3)此方法抗电磁干扰，结构简单，易于加工，测量结果更直观，无需数据处理。
附图说明
图1是保偏光纤不同工作轴折射率的温度响应。
图2是90°焊接时光传输示意图。
图3是无源温度补偿的光纤干涉仪工作框图。
图4是带有温度补偿效果的保偏光纤干涉仪结构示意图。
图5是保偏干涉仪进行无源温度补偿的流程图。
图6是无源温度补偿结构。
具体实施方式
结合图3，本发明的无源温度补偿的保偏光纤干涉仪包括窄带光源301、带有温度补偿的保偏光纤干涉仪302、干涉信号探测单元303、采集设备304和电脑控制终端305并依次连接而成；带有温度补偿的保偏光纤干涉仪302包括0°起偏器401、第1保偏耦合器402、相位调制器403、第1保偏光纤404、第2保偏光纤405、第2保偏光纤耦合器406和无源温度补偿结构407。0°起偏器401是用来保证进入干涉仪之前的传输光为单一的线偏光。0°起偏器401后接第1保偏耦合器402，温度漂移较小的一臂连接方式为：第1保偏耦合器402的第一输出端402a、无源温度补偿结构407、第1保偏光纤404和第2保偏光纤耦合器406的第一输入端406a依次相连，均进行0°焊接，保持光信号仍在慢轴传输；温度漂移较大的一臂连接方式为：第1保偏耦合器402的第二输出端402b与第2保偏光纤405进行90°焊接，再和第2保偏光纤耦合器406的第二输入端406b进行90°焊接，使光信号在此干涉臂中第2保偏光纤405的快轴传输；相位调制器403缠绕在任一传感臂中，由此构成带有温度补偿的保偏光纤干涉仪302。无源温度补偿结构407位于温度漂移较小的一臂，包含热膨胀系数较大的金属柱体601和缠绕光纤602；缠绕光纤602取自传感臂中的一段，在缠绕过程中要保持一定的预应力，以保证在金属柱体601随外界温度变化进行热胀冷缩变化时能够带动缠绕光纤602的实时变化。采集设备304与带有温度补偿的保偏光纤干涉仪302中的相位调制器403连接，在电脑控制终端305上设置一个相位调制载波，通过采集设备304传送到干涉仪中的相位调制器上进行调制。
实现过程中要求窄带光源301输出光应沿慢轴传输，若是沿快轴，则与0°起偏器401进行90°焊接；
带有温度补偿的保偏光纤干涉仪302中0°起偏器401、第1保偏光纤器件402以及相位调制器403三个器件可由Y波导器件代替，可以达到简化光路、扩大动态范围的效果；干涉仪结构也可为迈克尔逊干涉仪结构；
第1保偏耦合器402和第2保偏光纤耦合器406的工作轴为慢轴，最优分光比为50:50；
带有温度补偿的保偏光纤干涉仪302要求干涉臂长相等来降低噪声，提高测量精度，且是全保偏干涉仪；所有光学器件的工作波长应与窄带光源301的中心波长一致。
在进行温度补偿前，需要判断两干涉臂温度漂移的相对大小。首先搭建单轴工作的保偏光纤干涉仪，使两干涉臂在同轴工作时测量干涉仪的温度漂移量ST1；通过改变其中一臂的状态，例如分别对两干涉臂404、405仅施加升温作用，并保持另外一臂固定不动，分别得出两种情况下解调出的相位差变化趋势(增大或减小)，分别记为趋势1、趋势2；其次再对两干涉臂同时仅施加相同的升温作用，再次得到一个相位差变化趋势，记为趋势3；通过对比选出与趋势3相反的趋势，那么它所在的一臂即为温度漂移较小的一臂，由此来判断两干涉臂的相对温度漂移大小。
公式(1)是干涉仪的干涉公式。相位调制的干涉仪测量物理量最终得到的是相位变化，表达式如公式(2)所示：
式中是相位变化，λ是工作波长，n1是干涉臂1所在工作轴的折射率，l1是干涉臂1的光纤长度，n2是干涉臂2所在工作轴的折射率，l2是干涉臂2的光纤长度。如干涉仪感知温度变化，由于热膨胀效应会影响到光纤长度，由于热光效应也会使光纤折射率发生变化。求导即可得到公式(3)，
式中c1是干涉臂1所在工作轴的折射率的温度系数，α1是干涉臂1的光纤的热膨胀系数，c2是干涉臂2所在工作轴的折射率的温度系数，α2是干涉臂2的光纤的热膨胀系数。我们知道保偏光纤中慢轴的折射率大于快轴折射率，因此通过将有温度漂移的两臂分别匹配在不同的工作轴中会对温度起到补偿作用。但是石英玻璃折射率与温度存在一定的依赖性，在不引起应力的情况下，温度升高会使折射率减小，具有负温度系数，且保偏光纤的双折射随温度变化而减小，如图1所示。假设公式(3)中干涉臂1所在工作轴为慢轴，干涉臂2所在工作轴为快轴，那么n1＞n2；c1＜c2。经实验数据分析得出两轴的折射率温度系数差非常小，即c2-c1在3×10-7～4.5×10-7/℃量级，而两轴的折射率差在4.575×10-4量级，因此可近似认为c1＝c2，根据n1＞n2可得出温度漂移较小的一臂在慢轴工作，温度漂移较大的一臂在快轴工作；进而实现两臂的补偿。其工作轴的确定通过0°或90°焊接来实现。0°焊接即保持光的传输轴不变；90°焊接光路径会发生改变，如图2所示，假设光信号初始在前一段光纤的快轴中传输，通过90°焊接后，快轴光201就会耦合进后一段光纤的慢轴中变为慢轴光202，这样就实现了干涉臂工作轴的转变。
利用匹配保偏光纤的快慢轴之后会得到一个新的温度漂移，记为ST2；判断ST2的大小，若ST2＝0，则完成温度漂移的补偿；若ST2≠0，这时可以通过在温度系数较小的一臂缠绕无源温度补偿结构407来补偿。由于金属柱的热膨胀系数要远大于光纤自身的热膨胀系数，所以可以达到温度补偿效果。这里可以使用热膨胀系数较大的铝柱作为缠绕体，在干涉臂中选取一段特定长度的光纤作为缠绕光纤602。在缠绕过程中缠绕光纤602应保持一定的预应力，以便在升降温过程中，缠绕光纤602能够随着金属柱601伸缩。根据公式(4)可得到针对特定干涉仪需要缠绕的光纤特定长度。
ST2＝β·Δl (4)
式中β是金属(铝)柱体的热膨胀系数，Δl是需要缠绕的光纤长度。
通过这两种方式的组合，可以进行干涉仪任意温度漂移的补偿。
下面举例对本发明做更详细的描述。
实施例1：一种无源温度补偿的光纤干涉仪及其补偿方法是通过构建温度补偿干涉仪和主动补偿结构相结合来实现。其装置图如图3所示，包括窄带光源301、带有温度补偿的保偏光纤干涉仪302、干涉信号探测单元303、采集设备304和电脑控制终端305并依次连接而成；带有温度补偿效果的保偏光纤干涉仪结构示意图如图4所示，包括0°起偏器401、第1保偏耦合器402、相位调制器403、第1保偏光纤404、第2保偏光纤405、第2保偏光纤耦合器406和无源温度补偿结构407。0°起偏器401是用来保证进入干涉仪之前的传输光为单一的线偏光。0°起偏器401后接第1保偏耦合器402，温度漂移较小的一臂连接方式为：第1保偏耦合器402的第一输出端402a、无源温度补偿结构407、第1保偏光纤404和第2保偏光纤耦合器406的第一输入端406a依次相连，均进行0°焊接，保持光信号仍在慢轴传输；温度漂移较大的一臂连接方式为：第1保偏耦合器402的第二输出端402b与第2保偏光纤405进行90°焊接，再和第2保偏光纤耦合器406的第二输入端406b进行90°焊接，使光信号在此干涉臂中第2保偏光纤405的快轴传输；相位调制器403缠绕在任一传感臂中，由此构成带有温度补偿的保偏光纤干涉仪302。无源温度补偿结构407位于温度漂移较小的一臂，包含热膨胀系数较大的金属柱体601和缠绕光纤602；缠绕光纤602取自传感臂中的一段，在缠绕过程中要保持一定的预应力，以保证在金属柱体601随外界温度变化进行热胀冷缩变化时能够带动缠绕光纤602的实时变化。采集设备304与带有温度补偿的保偏光纤干涉仪302中的相位调制器403连接，在电脑控制终端305上设置一个相位调制载波，通过采集设备304传送到干涉仪中的相位调制器上进行调制。
要求窄带光源301输出光应沿慢轴传输，若是沿快轴，则与0°起偏器401进行90°焊接；带有温度补偿的保偏光纤干涉仪302中0°起偏器401、第1保偏光纤器件402以及相位调制器403三个器件可由Y波导器件代替，可以达到简化光路、扩大动态范围的效果；干涉仪结构也可为迈克尔逊干涉仪结构；第1保偏耦合器402和第2保偏光纤耦合器406的工作轴为慢轴，最优分光比为50:50；带有温度补偿的保偏光纤干涉仪302要求干涉臂长相等来降低噪声，提高测量精度，且是全保偏干涉仪；所有光学器件的工作波长应与窄带光源301的中心波长一致。
在进行温度补偿前，可按照图5所示的无源温度补偿方法流程图进行补偿。首先需要判断两干涉臂温度漂移的相对大小。搭建单轴工作的保偏光纤干涉仪，使两干涉臂在同轴工作时测量干涉仪的温度漂移量ST1；分别对两干涉臂404、405仅施加升温作用，并保持另外一臂固定不动，分别得出两种情况下解调出的相位差变化趋势(增大或减小)，分别记为趋势1、趋势2；其次再对两干涉臂同时仅施加相同的升温作用，再次得到一个相位差变化趋势，记为趋势3；通过对比选出与趋势3相反的趋势，它所在的一臂即为温度漂移较小的一臂，由此判断两干涉臂的相对温度漂移大小；将温度漂移相对较小的一臂的工作轴通过焊接角度设置为慢轴工作，另外一臂设置为快轴工作，由此形成带有温度补偿的保偏干涉仪302；
利用匹配保偏光纤的快慢轴之后会得到一个新的温度漂移，记为ST2；判断ST2的大小，若ST2＝0，则完成温度漂移的补偿；若ST2≠0，则进行以下步骤；这时可以通过在温度系数较小的一臂缠绕主动温度补偿结构407来补偿，具体示意图如图6。由于金属柱体601的热膨胀系数要远大于光纤自身的热膨胀系数，所以可以达到温度补偿效果。这里可以使用温度系数较大的铝柱作为缠绕体，在干涉臂中选取一段特定长度的光纤作为缠绕光纤602。在缠绕过程中缠绕光纤602应保持一定的预应力，以便在升降温过程中，缠绕光纤602能够随着金属柱601伸缩。根据上述公式(4)可得到针对特定干涉仪需要缠绕的光纤特定长度Δl。
通过这两种方式的组合，可以进行干涉仪任意温度漂移的补偿。
Claims (7)
1.一种无源温度补偿的保偏光纤干涉仪，包括依次连接的窄带光源(301)、带有温度补偿的保偏光纤干涉仪(302)、干涉信号探测单元(303)、采集设备(304)和电脑控制终端(305)，其特征是：所述带有温度补偿的保偏光纤干涉仪(302)包括0°起偏器(401)、第1保偏耦合器(402)、相位调制器(403)、第1保偏光纤(404)、第2保偏光纤(405)、第2保偏光纤耦合器(406)和无源温度补偿结构(407)，0°起偏器401用来保证进入干涉仪之前的传输光为单一的线偏光，0°起偏器(401)后接第1保偏耦合器(402)，温度漂移小的传感臂连接方式为：第1保偏耦合器(402)的第一输出端(402a)、无源温度补偿结构(407)、第1保偏光纤(404)和第2保偏光纤耦合器(406)的第一输入端(406a)依次进行0°焊接；温度漂移大的传感臂连接方式为：第1保偏耦合器(402)的第二输出端(402b)与第2保偏光纤(405)进行90°焊接，第2保偏光纤(405)再和第2保偏光纤耦合器(406)的第二输入端(406b)进行90°焊接，相位调制器(403)缠绕在任一传感臂中，无源温度补偿结构(407)位于温度漂移小的传感臂；采集设备(304)与带有温度补偿的保偏光纤干涉仪(302)中的相位调制器(403)连接，在电脑控制终端(305)上设置一个相位调制载波，通过采集设备(304)传送到干涉仪中的相位调制器上进行调制。
2.根据权利要求1所述的无源温度补偿的保偏光纤干涉仪，其特征是：无源温度补偿结构(407)包含热膨胀系数大的金属柱体(601)和缠绕光纤(602)，缠绕光纤(602)取自传感臂中的一段，在缠绕过程中要保持一定的预应力，以保证在金属柱体(601)随外界温度变化进行热胀冷缩变化时能够带动缠绕光纤(602)的实时变化。
3.根据权利要求1所述的无源温度补偿的保偏光纤干涉仪，其特征是：窄带光源(301)输出光应沿慢轴传输，若是沿快轴传输，则窄带光源(301)与0°起偏器(401)进行90°焊接。
4.根据权利要求1所述的无源温度补偿的保偏光纤干涉仪，其特征是：带有温度补偿的保偏光纤干涉仪(302)中0°起偏器(401)、第1保偏光纤器件(402)以及相位调制器(403)三个器件由Y波导器件代替。
5.根据权利要求1所述的无源温度补偿的保偏光纤干涉仪，其特征是：第1保偏耦合器(402)和第2保偏光纤耦合器(406)的工作轴为慢轴，分光比为50:50。
6.根据权利要求1所述的无源温度补偿的保偏光纤干涉仪，其特征是：带有温度补偿的保偏光纤干涉仪(302)的干涉臂长相等，且是全保偏干涉仪；所有光学器件的工作波长应与窄带光源(301)的中心波长一致。
7.一种利用权利要求1所述的无源温度补偿的保偏光纤干涉仪的补偿方法，其特征是：
步骤501：搭建单轴工作的保偏光纤干涉仪，使两干涉臂在同轴工作时测量干涉仪的温度漂移量ST1；
步骤502：分别对两干涉臂(404和405)仅施加升温作用，并保持另外一臂固定不动，分别得出两种情况下解调出的相位差变化趋势，分别记为趋势1、趋势2；其次再对两干涉臂同时仅施加相同的升温作用，再次得到一个相位差变化趋势，记为趋势3；通过对比选出与趋势3相反的趋势，它所在的一臂即为温度漂移小的一臂，由此判断两干涉臂的相对温度漂移大小；
步骤503：将温度漂移小的一臂的工作轴通过焊接角度设置为慢轴工作，另外一臂设置为快轴工作，由此形成带有温度补偿的保偏干涉仪(302)；
步骤504：测量带有温度补偿的保偏干涉仪(302)的温度漂移量ST2；
步骤505：判断ST2的大小，若ST2＝0，则完成温度漂移的补偿；若ST2≠0，则进行以下步骤；
步骤506：根据Δl＝ST2/β计算需要缠绕在金属柱体(601)上的光纤长度，其中β是金属柱体(601)的热膨胀系数；
步骤507：重新找到温度漂移相对小的一臂，取长度为Δl的光纤(602)，保持一定的预应力缠绕在金属柱体(601)的表面，并固定好，完成温度漂移的补偿。
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