CN109682512A - 一种保偏光纤压力传感器及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种保偏光纤压力传感器及其测试方法，包含光纤起偏器、壳体、保偏光纤、压力敏感材料、轻质弹簧和光纤检偏器，光纤起偏器的一端与保偏光纤一端熔接，保偏光纤另一端与光纤检偏器一端熔接，光纤起偏器的偏振化方向与保偏光纤主轴成45°角，光纤检偏器与光纤起偏器的偏振化方向相同，光纤起偏器、保偏光纤和光纤检偏器固定设置在壳体内，壳体上侧面开有与压力敏感材料匹配的凹口，压力敏感材料设置在该凹口内并且能够沿着凹口内壁上下滑动，轻质弹簧竖直设置在凹口内并且轻质弹簧下端固定在保偏光纤上，轻质弹簧上端固定在压力敏感材料下侧。本发明将波长检测改为光强检测，减小检测难度及费用。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器及其测试方法，特别是一种保偏光纤压力传感器及其测试方法。
背景技术
光纤传感器是一种将被测对象的状态转变为可测的光信号的传感器。光纤传感器的工作原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制器，在调制器内与外界被测参数的相互作用，使光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光电器件、经解调器后获得被测参数。整个过程中，光束经由光纤导入，通过调制器后再射出，其中光纤的作用首先是传输光束，其次是起到光调制器的作用。
现有的光纤压力传感器主要为光纤光栅传感器，测量方法为检测光栅反射波长的漂移量，而波长检测设备较为昂贵。因此需要设计一种以光强变化量来衡量被测压力值的光纤传感器，以降低光纤传感器的使用成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种保偏光纤压力传感器及其测试方法，以光路中光强的变化量衡量被测压力数值。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种保偏光纤压力传感器，其特征在于：包含光纤起偏器、壳体、保偏光纤、压力敏感材料、轻质弹簧和光纤检偏器，光纤起偏器的一端与保偏光纤一端熔接，保偏光纤另一端与光纤检偏器一端熔接，光纤起偏器的偏振化方向与保偏光纤主轴成45°角，光纤检偏器与光纤起偏器的偏振化方向相同，光纤起偏器、保偏光纤和光纤检偏器固定设置在壳体内，壳体上侧面开有与压力敏感材料匹配的凹口，压力敏感材料设置在该凹口内并且能够沿着凹口内壁上下滑动，轻质弹簧竖直设置在凹口内并且轻质弹簧下端固定在保偏光纤上，轻质弹簧上端固定在压力敏感材料下侧。
进一步地，所述光纤起偏器的另一端与光源连接。
进一步地，所述光纤检偏器的另一端与光功率计连接。
进一步地，所述壳体包含底板和上盖，底板上侧中间开有一条与光纤起偏器、保偏光纤和光纤检偏器匹配的V槽，光纤起偏器、保偏光纤和光纤检偏器设置在V槽内，上盖固定在底板上侧并将光纤起偏器、保偏光纤和光纤检偏器固定压合在底板V槽内。
进一步地，所述凹口包含压力敏感材料容腔和轻质弹簧竖孔，压力敏感材料容腔大小与压力敏感材料匹配，压力敏感材料侧面滑动设置在压力敏感材料容腔内壁上，轻质弹簧竖孔为沿竖直方向开设的通孔，轻质弹簧竖孔下端与V槽连通，轻质弹簧竖孔上端与压力敏感材料容腔连通，轻质弹簧设置在轻质弹簧竖孔内。
一种保偏光纤压力传感器的测试方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：将权利要求1所述的保偏光纤压力传感器的光纤起偏器的端部与光源连接，光纤检偏器的端部与光功率计连接；
步骤二：光源发射出的光经光纤起偏器入射至保偏光纤中，光源输出的光经过起偏器后变为线偏振光，其光强为Io，入射至保偏光纤传输；
步骤三：保偏光纤未受力时，经过检偏器后光功率计检测的光强仍为Io；
步骤四：当压力施加至压力敏感材料，此时光通过检偏器后探测的光强为
步骤五：通过检偏器后出射光强的变化量来确定光纤应力区与纤芯间距离的改变量，从而进一步确定出保偏光纤所受压力。
进一步地，所述步骤三具体为保偏光纤未受力时，线偏振光通过保偏光纤后的偏振态不发生改变，仍为线偏振光，且偏振方向与检偏器的偏振方向相同，此时光强不发生损失，因此经过检偏器后光功率计检测的光强仍为Io。
进一步地，所述步骤四具体为当压力施加至压力敏感材料，经由轻质弹簧传递至保偏光纤表面时，光纤受应力影响，纤芯与应力区距离改变，内部折射率发生变化，从而导致内部传输的正交偏振光相位差改变，输出光的偏振态变化，由线偏振光变为椭圆偏振光或者与入射光偏振态垂直的线偏振光；此时光通过检偏器后探测的光强为：
nx-ny＝Ad1，可得到探测光强的表达式：
进一步地，所述步骤五具体为通过检偏器后出射光强的变化量来确定光纤应力区与纤芯间距离的改变量，通过在预设的范围内取点进行描述并得到相应的对应曲线，并按照曲线建立对应表格或者通过软件拟合出对应关系的拟合公式，从而通过检偏器后出射光强的变化量来得到压力值。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明开发出一种利用保偏光纤取代光纤光栅作为压力传感器的方案，并且将波长检测改为光强检测，减小检测难度及费用。
附图说明
图1是本发明的一种保偏光纤压力传感器的示意图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，本发明一种保偏光纤压力传感器，包含光纤起偏器2、壳体3、保偏光纤4、压力敏感材料5、轻质弹簧6和光纤检偏器7，光纤起偏器2的一端与保偏光纤4一端熔接，保偏光纤4另一端与光纤检偏器7一端熔接，光纤起偏器2的偏振化方向与保偏光纤4主轴成45°角，光纤检偏器7与光纤起偏器2的偏振化方向相同，光纤起偏器2、保偏光纤4和光纤检偏器7固定设置在壳体3内，壳体3上侧面开有与压力敏感材料5匹配的凹口，压力敏感材料5设置在该凹口内并且能够沿着凹口内壁上下滑动，轻质弹簧6竖直设置在凹口内并且轻质弹簧6下端固定在保偏光纤4上，轻质弹簧6上端固定在压力敏感材料5下侧。
光纤起偏器2的另一端与光源1连接。光纤检偏器7的另一端与光功率计8连接。
壳体3包含底板和上盖，底板上侧中间开有一条与光纤起偏器2、保偏光纤4和光纤检偏器7匹配的V槽，光纤起偏器2、保偏光纤4和光纤检偏器7设置在V槽内，上盖固定在底板上侧并将光纤起偏器2、保偏光纤4和光纤检偏器7固定压合在底板V槽内。
凹口包含压力敏感材料容腔和轻质弹簧竖孔，压力敏感材料容腔大小与压力敏感材料5匹配，压力敏感材料5侧面滑动设置在压力敏感材料容腔内壁上，轻质弹簧竖孔为沿竖直方向开设的通孔，轻质弹簧竖孔下端与V槽连通，轻质弹簧竖孔上端与压力敏感材料容腔连通，轻质弹簧6设置在轻质弹簧竖孔内。
一种保偏光纤压力传感器的测试方法，包含以下步骤：
步骤一：将权利要求1所述的保偏光纤压力传感器的光纤起偏器的端部与光源连接，光纤检偏器的端部与光功率计连接；
步骤二：光源发射出的光经光纤起偏器入射至保偏光纤中，光源输出的光经过起偏器后变为线偏振光，其光强为Io，入射至保偏光纤传输；
步骤三：保偏光纤未受力时，经过检偏器后光功率计检测的光强仍为Io；
保偏光纤未受力时，线偏振光通过保偏光纤后的偏振态不发生改变，仍为线偏振光，且偏振方向与检偏器的偏振方向相同，此时光强不发生损失，因此经过检偏器后光功率计检测的光强仍为Io。
步骤四：当压力施加至压力敏感材料，此时光通过检偏器后探测的光强为
当压力施加至压力敏感材料，经由轻质弹簧传递至保偏光纤表面时，光纤受应力影响，纤芯与应力区距离改变，内部折射率发生变化，从而导致内部传输的正交偏振光相位差改变，输出光的偏振态变化，由线偏振光变为椭圆偏振光或者与入射光偏振态垂直的线偏振光；此时光通过检偏器后探测的光强为：
当偏振光束入射至双折射晶体中时，会产生双折射效应，在晶体中分为两束正交偏振光(o光和e光)，并且以不同的速度传播。本质是由于晶体对o光和e光有着不同的折射率。因此当在同一段晶体距离中，o光和e光的光程不同，进而引起相位差：
从而导致光束出射晶体后偏振态的改变。从公式中可以看出，出射光束的偏振态，与双折射晶体的长度、o光、e光的折射率有关。
保偏光纤也可以看做是一种双折射晶体，其双折射特性可以如下表示：
即：
式中，C为光纤材料的相对光弹系数，E为光纤材料的杨氏模量，△a为膨胀系数差，△T为光纤制造过程与使用过程的温度差。
从上面的公式可以看出，当光纤的结构及材质确定后，其双折射率差也确定，可简化为如下公式：
nx-ny＝Ad1
因此当偏振光进入保偏光纤后光束的偏振态随着传输距离的增加不断改变，光束的偏振态也发生变化，若取某一特定长度的保偏光纤，入射光偏振态固定，则其出射光偏振态也固定。
若在此时对保偏光纤施加如图所示的压力时，应力区向着光纤纤芯移动，从前面的公式可知，光纤的双折射率增加，从而导致相位差变化，即可以改变出射光的偏振态。
从而可得到探测光强的表达式：
步骤五：通过检偏器后出射光强的变化量来确定光纤应力区与纤芯间距离的改变量，从而进一步确定出保偏光纤所受压力。
通过检偏器后出射光强的变化量来确定光纤应力区与纤芯间距离的改变量，通过在预设的范围内取点进行描述并得到相应的对应曲线，并按照曲线建立对应表格或者通过软件拟合出对应关系的拟合公式，从而通过检偏器后出射光强的变化量来得到压力值。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明开发出一种利用保偏光纤取代光纤光栅作为压力传感器的方案，并且将波长检测改为光强检测，减小检测难度及费用。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种保偏光纤压力传感器，其特征在于：包含光纤起偏器、壳体、保偏光纤、压力敏感材料、轻质弹簧和光纤检偏器，光纤起偏器的一端与保偏光纤一端熔接，保偏光纤另一端与光纤检偏器一端熔接，光纤起偏器的偏振化方向与保偏光纤主轴成45°角，光纤检偏器与光纤起偏器的偏振化方向相同，光纤起偏器、保偏光纤和光纤检偏器固定设置在壳体内，壳体上侧面开有与压力敏感材料匹配的凹口，压力敏感材料设置在该凹口内并且能够沿着凹口内壁上下滑动，轻质弹簧竖直设置在凹口内并且轻质弹簧下端固定在保偏光纤上，轻质弹簧上端固定在压力敏感材料下侧。
2.按照权利要求1所述的一种保偏光纤压力传感器，其特征在于：所述光纤起偏器的另一端与光源连接。
3.按照权利要求1所述的一种保偏光纤压力传感器，其特征在于：所述光纤检偏器的另一端与光功率计连接。
4.按照权利要求1所述的一种保偏光纤压力传感器，其特征在于：所述壳体包含底板和上盖，底板上侧中间开有一条与光纤起偏器、保偏光纤和光纤检偏器匹配的V槽，光纤起偏器、保偏光纤和光纤检偏器设置在V槽内，上盖固定在底板上侧并将光纤起偏器、保偏光纤和光纤检偏器固定压合在底板V槽内。
5.按照权利要求1所述的一种保偏光纤压力传感器，其特征在于：所述凹口包含压力敏感材料容腔和轻质弹簧竖孔，压力敏感材料容腔大小与压力敏感材料匹配，压力敏感材料侧面滑动设置在压力敏感材料容腔内壁上，轻质弹簧竖孔为沿竖直方向开设的通孔，轻质弹簧竖孔下端与V槽连通，轻质弹簧竖孔上端与压力敏感材料容腔连通，轻质弹簧设置在轻质弹簧竖孔内。
6.一种保偏光纤压力传感器的测试方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：将权利要求1所述的保偏光纤压力传感器的光纤起偏器的端部与光源连接，光纤检偏器的端部与光功率计连接；
步骤二：光源发射出的光经光纤起偏器入射至保偏光纤中，光源输出的光经过起偏器后变为线偏振光，其光强为Io，入射至保偏光纤传输；
步骤三：保偏光纤未受力时，经过检偏器后光功率计检测的光强仍为Io；
步骤四：当压力施加至压力敏感材料，此时光通过检偏器后探测的光强为
步骤五：通过检偏器后出射光强的变化量来确定光纤应力区与纤芯间距离的改变量，从而进一步确定出保偏光纤所受压力。
7.按照权利要求6所述的一种保偏光纤压力传感器的测试方法，其特征在于：所述步骤三具体为保偏光纤未受力时，线偏振光通过保偏光纤后的偏振态不发生改变，仍为线偏振光，且偏振方向与检偏器的偏振方向相同，此时光强不发生损失，因此经过检偏器后光功率计检测的光强仍为Io。
8.按照权利要求6所述的一种保偏光纤压力传感器的测试方法，其特征在于：所述步骤四具体为当压力施加至压力敏感材料，经由轻质弹簧传递至保偏光纤表面时，光纤受应力影响，纤芯与应力区距离改变，内部折射率发生变化，从而导致内部传输的正交偏振光相位差改变，输出光的偏振态变化，由线偏振光变为椭圆偏振光或者与入射光偏振态垂直的线偏振光；此时光通过检偏器后探测的光强为：
nx-ny＝Ad1，可得到探测光强的表达式：
9.按照权利要求6所述的一种保偏光纤压力传感器的测试方法，其特征在于：所述步骤五具体为通过检偏器后出射光强的变化量来确定光纤应力区与纤芯间距离的改变量，通过在预设的范围内取点进行描述并得到相应的对应曲线，并按照曲线建立对应表格或者通过软件拟合出对应关系的拟合公式，从而通过检偏器后出射光强的变化量来得到压力值。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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