CN110146466B - 基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置及方法，包括：宽带激光器、第一准直器、45°起偏片、第一双折射晶体、干燥气室、被测气室、半波片、第二双折射晶体、相位补偿片、‑45°检偏片、第二准直器、光谱解调仪；宽带激光器的输出与所述第一耦合器的输入端相连；第一准直器的输出端先通过45°起偏片，形成45°线偏振光，经过第一双折射晶体分为两路，其中一路通过一段被测量气室，另外一路通过一段干燥气室，然后两路光路分别直接通过半波片，再进入第二双折射晶体，最后通过相位补偿片，经‑45°检偏片后，耦合到第二准直器，通过第二准直器进入光谱解调仪中。

Description

基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置及方法

技术领域

本发明属于光纤传感的技术领域，尤其涉及一种基于量子弱值放大的光纤湿度测量装置及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

目前商用的温湿度传感探头产品主要包括以水银温度计组成的干湿球温湿度探头、湿敏电阻式温湿度探头、湿敏电容式温湿度探头等通用产品，尚未有采用光纤温湿度探头。

干湿球温湿度探头技术较为成熟，主要采用干、湿两个水银温度计组成干湿度表，以查表法测得空气中的相对湿度值，这种类型的温湿度计成本低，性能稳定。但该温湿度计只能每个探头独立使用，并且只能依靠人工完成数据读取及记录，使用中便利性差、人工成本高，更无法做到多传感探头组网使用、温湿度数据远程传输等功能，不具备智能化使用的条件。

而电阻式、电容式温湿度传感探头是通过温敏、湿敏电子元器件感知温度和湿度数据，其使用过程中需要供电，数据传输也需要电源及相关电缆进行辅助，无法做到传感端无源化，且电子器件对使用环境比较敏感，长时间使用容易老化，产生精度的下降。

另外采用光纤传感器作为温度和湿度敏感元件，再利用干湿法组成温度和相对湿度传感探头，可以做到敏感元件全光纤化，但探头后期维护，加水制造湿部环境。有报道称光纤光栅或多模光纤外部涂覆湿敏材料，也可以对湿度进行测量。但工艺上对涂覆层的材料和厚度有着严格的要求。生产湿敏传感器会造成产品合格率低，成本比较高。采用多模光纤方式的湿敏传感器同时也无法长距离地进行湿度测量。

发明内容

本发明为了解决上述问题，克服现有湿敏测量技术中存在高成本探测器、长距离问题，本申请提出了一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置及方法，该装置具备适合传感数据远距离传输、探头使用寿命长、性能稳定、抗电磁干扰强成本低、测量精度高及快速响应等天然优势。

本发明的第一目的是提供基于量子弱值放大的光纤湿度测量装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：

一种基于量子弱值放大的光纤湿度测量装置，该装置包括：

宽带激光器、第一准直器、45°起偏片、第一双折射晶体、干燥气室、被测气室、半波片、第二双折射晶体、相位补偿片、-45°检偏片、第二准直器、光谱解调仪；

所述第一准直器的输出端先通过45°起偏片，形成45°线偏振光，经过第一双折射晶体分为两路，其中一路通过一段被测量气室，另外一路通过一段干燥气室，然后两路光路分别直接通过半波片，再进入第二双折射晶体，最后通过相位补偿片，经-45°检偏片后，耦合到第二准直器，通过第二准直器进入光谱解调仪中。

作为进一步的技术方案，所述宽带激光器输出宽带激光，经过所述第一准直器后，通过45°起偏器后，经过第一双折射晶体分出两路光，一路光为o光，另一路光为e光，两路光相互正交，一路光对被测量气室进行折射率测量，即光通过被测气室后，再输入到半波片，从而使得o光转换为e光，再进入第二双折射晶体里。

另外一路e光对等温等压的干燥气室进传输，再输入到半波片，使得e光转换为o光。再进入第二双折射晶体里，两路正交光在第二双折射晶体内合并成一束45°线偏振光，再通过相位补偿片进行补偿，最后通过-45°检偏器，通过调整-45°检偏器与输出45°线偏振光的偏振角度的微小角度，微小角度一般为0.01～0.03rad左右，使光路输出光功率值比较小，从而形成弱耦合。再将光耦合到第二准直器里，通过光纤输入到光谱解调仪进行相位解调。

在本发明中，采用两个气室结构的光路。被测气室与外界大气是连通的，另外干燥气室也与外界连通，但是被测气室和干燥气室不相通，相互隔离；被测气室与干燥气室的气压，温度都是相同的，但被测气室中由于湿度影响，使得空气折射率发生变化，那么两气室的空气折射率不相同，从而引起光相位变化，而这种光相位变化量很小，一般1％RH可改变折射率为10^-6RIU,但可以通过这种量子弱测量系统进行测量。

在本发明中，采用宽带光进行空气折射率进行测量，可以快速实时地测量大气的湿度；湿度探测器体积可以做得很小；同时也可以长距离测量气体湿度；湿度探测器为无源器件，可以长时间进行测量湿度，同时本系统采用光源为宽带光源，系统物料成本比较低。

本发明的第二目的是提供一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：

一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量方法，该方法基于上述一种基基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置，该方法包括以下步骤：

(1)获取宽带激光器的宽带光谱图，一般采用宽带光谱为高斯光谱。

(2)光经过45°起偏片后，使得光形成线偏振光，光的偏振方向与水平方向形成45°夹角。

(3)线偏振光入射到双折射晶体上时，双折射晶体为45°切角，使线偏振光分为o光和e光。o光与e光为相互正交光，同时也为垂直偏振光和水平偏振光。

(4)o光和e光分别通过两个气室，被测气室为测量湿度的位置，干燥气室为参考气室。

(5)两光路再通过半波片后，o光转换为e光，e光转换为o光。通过另一个双折射晶体将两路光合束。合束光后形成线偏振光。

(6)再通过调整湿度探测器的相位补偿角度，使得光通过湿度探测器后，光的功率值最小，同时也使宽带光谱与输入的高斯光谱一致。

(7)最后调整-45°检偏片的角度，使角度约为0.01～0.03rad，再调试相位补偿角，使输出宽带光谱显马鞍形状。

本发明中在湿度探测器工作时，被测气室的折射率发生变化，两路光的相位也就发生变化。

作为进一步的技术方案，从所述步骤(2)，光通过45°起偏片时，线偏振光的量子初选态|ψ>为

|ψ>＝sinα|H>+cosα|V>

其中，|H>为水平偏振态，|V>为垂直偏振态，α与水平偏振形成的夹角。

作为进一步的技术方案，所述步骤(3)(4)(5)(6)(7)后，线偏振光的量子后选态|φ>为：

其中，β为检偏片与水平方向夹角，为相位变化量，x为光的初始相位,实部α和β分别为线偏振光与水平方向的夹角，i为线偏振光相位角虚部表示。

根据量子弱值放大原理，系统的弱值放大倍数为：

A为操作算符，A＝|V><V|。由于系统是要对相位进行求解，因而我们只需要求弱值放大倍数的虚部就可以，所以虚部值为：

其中，

则宽带光谱波长的质心位置偏移量如下：

其中，Δλ为光谱宽度，λ₀为光谱中心波长。通过测定光谱的质心位移，测量光纤湿度的高精确实时测量。

本发明的有益效果：

(1)本发明的一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置及方法，可以通过被测气室长度来调整相位测量分辨率。

(2)本发明的一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量方法及装置，采用双气室结构，可以实现很长距离的光纤湿度测量，并提高光纤湿度测量精度。

(3)本发明的一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量方法及装置，采用宽带激光器进行调制，可以低成本的CCD光谱传感器，从而可以实现在线测量光纤低成本湿度测量。

(4)本发明的一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量方法，采用量子弱值放大技术，通过测量双气室两个相同温度和相同气压下，不同湿度的空气折射率引入的相位变化量，来计算光谱质心位移量，可以实现长距离光纤湿度的高精确实时测量。

附图说明

图1为本发明的一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置的结构图；

图2为本发明的一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置的光纤输出光谱图；

图3为本发明的一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置的质心位移与相位变化量关系图；

图中：1宽带激光器、2第一准直器、345°起偏片、4第一双折射晶体、5干燥气室、6被测气室、7半波片、8第二双折射晶体、9相位补偿片、10-45°检偏片、11第二准直器、12光谱解调仪。

具体实施方式：

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

所述的干燥气室与被测气室是有区别的。两气室与外界是连通的，只是干燥气室与外界大气连通时，气孔外附加防水分子筛，使气室只能进入气体，不能通过水分子。

实施例1：

本实施例提供了一种基于量子弱值放大的光纤湿度测量装置，该装置包括：

宽带激光器1、第一准直器2、45°起偏片3、第一双折射晶体4、干燥气室5、被测气室6、半波片7、第二双折射晶体8、相位补偿片9、-45°检偏片10、第二准直器11、光谱解调仪12；

整个装置分为光源部分，探头部分及数据处理部分，光源部分是宽带激光器,数据处理部分为光谱解调仪，可以将光谱分频，同时进行质心计算处理其余的部分为探头部分，包括第一准直器2、45°起偏片3、第一双折射晶体4、干燥气室5、被测气室6、半波片7、第二双折射晶体8、相位补偿片9、-45°检偏片10、第二准直器11，光源部分与光谱解调仪部分可以装在一起。

光源部分、光谱解调仪与探头部分的连接是采用光纤进行连接。

探头部分为主要测量湿度的装置。制作方法如下:

1)先将两准直器进行耦合调整。

2)再增加两块双折射晶体，两晶体间增加1/4波片。两晶体间留下间隙，间隙约为1-3mm左右。采用玻璃片和胶对双折射晶体出射两个光路制备成双光路结构，双光路气室都可以通过小孔进行通气。将其中一个气室光路的小孔用水分子筛进行密封，使这一气室内可以通过气体分子，但无法通过水分子。另一光路气室小孔不用密封。

3)将45度起偏器用胶固定在光纤准直器与第一个双折射晶体之间，使光通过双折射晶体后，分出两路光功率直等的光；再将45度检偏器用胶固定在输出准直器与第二个双折射晶体之间，调整检偏器角度，使光功率变得最小，而后通过光谱仪对45度检偏器旋转，使光谱达成马鞍状。

4)采用胶进行固化后，再加装外壳，外壳为粉末冶金防尘透气。

所述宽带激光器1的输出与所述第一准直器2的光纤输入端相连；

所述第一准直器2的输出端先通过45°起偏片3，形成45°线偏振光，经过第一双折射晶体4(常用45度切YVO4晶体)分为两路，一路通过一段被测量气室6后，直接通过半波片7，再进入第二双折射晶体8，最后通过相位补偿片9，经-45°检偏片10后，耦合到第二准直器11，通过第二准直器11进入光谱解调仪12中。

所述第一双折射晶体4的另一路光路输出端依经过接所述干燥气室5，直接进入半波片7，再进入第二双折射晶体8，最后通过相位补偿片9，经-45°检偏片10后，耦合到第二准直器11，通过第二准直器11进入光谱解调仪12中。

进一步的，所述宽带激光器1输出宽带激光，经过所述第一准直器(2)后，通过45°起偏器3后，经过第一双折射晶体4分出两路光，一路光为o光，另一路光为e光，两路光相互正交，一路光对被测量气室进行折射率测量，即光通过被测气室6后，再输入到半波片7，从而使得o光转换为e光，再进入第二双折射晶体8里。另外一路e光对等温等压的干燥气室6进传输，再输入到半波片7，使得e光转换为o光。再进入第二双折射晶体8里，两路正交光在第二双折射晶体内合并成一束45°线偏振光，再通过相位补偿片9进行补偿，最后通过-45°检偏器10，通过调整-45°检偏器10与输出45°线偏振光的偏振角度的微小角度，微小角度一般为0.01～0.03rad左右，使光路输出光功率值比较小，从而形成弱耦合。再将光耦合到第二准直器11里，通过光纤输入到光谱解调仪12进行相位解调。

所述的干燥气室5与被测气室6是有区别的。两气室与外界是连通的，只是干燥气室5与外界大气连通时，气孔外附加防水分子筛，使气室只能进入气体，不能通过水分子，被测气室6不设置放水分子筛。

上述的宽带激光器1、第一准直器2、45°起偏片3、第一双折射晶体4、半波片7、第二双折射晶体8、相位补偿片9、-45°检偏片10、第二准直器11、光谱解调仪12的固定和安装方式根据需要设置，例如可以将上述装置卡装在一个壳体内，在壳体内部中间位置设有被测气室与干燥气室，如图1所示，上部为干燥气室，下部为被测气室，干燥气室和被测气室之间不相通；宽带激光器1、第一准直器2、45°起偏片3、第一双折射晶体4安装在干燥室和被测气室的左侧，半波片7、第二双折射晶体8、相位补偿片9、-45°检偏片10、第二准直器11、光谱解调仪12安装在干燥室和被测气室的右侧。

在本发明中，采用两个气室结构的光路。被测气室与外界大气是连通的，另外干燥气室也与外界连通。被测气室与干燥气室的气压，温度都是相同的，但被测气室中由于湿度影响，使得空气折射率发生变化，那么两气室的空气折射率不相同，从而引起光相位变化，而这种光相位变化量很小，一般1％RH可改变折射率为10^-6RIU,但可以通过这种量子弱测量系统进行测量。

在本发明中，采用宽带光进行空气折射率进行测量，可以快速实时地测量大气的湿度；湿度探测器体积可以做得很小；同时也可以长距离测量气体湿度；湿度探测器为无源器件，可以长时间进行测量湿度，同时本系统采用光源为宽带光源，系统物料成本比较低。

实施例2

本实施例提供了一种基于实施例1中所公开的装置的测量方法，该方法包括以下步骤：

(1)获取宽带激光器的宽带光谱图，一般采用宽带光谱为高斯光谱。

(2)光经过45°起偏片后，使得光形成线偏振光，光的偏振方向与水平方向形成45°夹角。

(3)线偏振光入射到双折射晶体上时，双折射晶体为45°切角，使线偏振光分为o光和e光。o光与e光为相互正交光，同时也为垂直偏振光和水平偏振光。

(4)o光和e光分别通过两个气室，被测气室为测量湿度的位置，干燥气室为参考气室。

(5)两光路再通过半波片后，o光转换为e光，e光转换为o光。通过另一个双折射晶体将两路光合束。合束光后形成线偏振光。

(6)再通过调整湿度探测器的相位补偿角度，使得光通过湿度探测器后，光的功率值最小，同时也使宽带光谱与输入的高斯光谱一致。

(7)最后调整-45°检偏片的角度，使角度约为0.01～0.03rad，再调试相位补偿角，使输出宽带光谱显马鞍形状。

本发明在湿度探测器工作时，不同湿度的气体，被测气室的折射率发生变化，进而两路光的相位也就发生变化，进而通过宽带光谱波长的质心位置的偏移量，实现长距离光纤湿度的高精确实时测量。

从所述步骤(2)，光通过45°起偏片时，光的初选态为

|ψ>＝sinα|H>+cosα|V>

其中，|H>为水平偏振态，|V>为垂直偏振态，α与水平偏振形成的夹角。

进一步的，所述步骤(3)(4)(5)(6)(7)后，光的后选态为

其中，β为检偏片与水平方向夹角，为相位变化量，x为光的初始相位。

根据量子弱值放大原理，系统的弱值放大倍数为

由于系统是要对相位进行求解，因而我们只需要求弱值放大倍数的虚部就可以，所以虚部值为：

其中，

则宽带光谱波长的质心位置偏移量如下：

在本实施例中给出的量子弱值放大系统，可设定α＝45°，β＝-0.35°，通过相位补偿片对x进行调节，使得相位/>发生变化范围为0°-1°，即0-1.75×10^-2rad。

则

宽带光谱的质心位移为

通过调试相位补偿片，模拟减少相位角0-1°，再通过光谱图可获得附图2，再通过计算，可获得质心位移与相位角的关系图，如附图3。

被测气室中空气折射率可表示如下：

其中，n₁为大气折射率；P为大气压；t为温度；RH为湿度。

干燥气室中空气折射率可表示如下：

在室温为20℃、一个标准大气压条件下，当湿度改变1％RH时，大气折射率改变约为10^-6RIU。

由于两个气室的湿度不同，从而引起折射率的不同，产生光路时间延迟

其中,l为气室光程，C为光在空气中的速度3×10⁸m/s，Δn为两气室因湿度不同的折射率变化量Δn＝10^-6RIU·RH％，公式中由于折射率变化量很小，所以n₁≈n₂≈1,则光路时间延迟

由光路时间的延迟最后引起光的相位变化

当湿度的范围是0％-100％，相位角的范围为0-1°，即0-1.75×10^-2rad。当宽带激光的光谱中心波长为λ₀＝1.55um，则可设l＝1mm。

所以宽带光谱的中心位置偏移量为

通过测量光谱的质心位移，我们可以得到大气中湿度的值。当光谱宽度为40nm时，光谱仪分辨率为0.01nm，则湿度的分辨率为0.25％。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置，其特征是：该装置包括：

宽带激光器、第一准直器、45°起偏片、第一双折射晶体、干燥气室、被测气室、半波片、第二双折射晶体、相位补偿片、-45°检偏片、第二准直器、光谱解调仪；

所述宽带激光器的输出与第一耦合器的输入端相连；

所述第一准直器的输出端先通过45°起偏片，形成45°线偏振光，经过第一双折射晶体分为两路光，一路光为o光，另一路光为e光，两路光相互正交；其中一路光通过一段被测气室，另外一路光通过一段干燥气室，然后两路光路分别直接通过半波片，再进入第二双折射晶体内合并成一束45°线偏振光，再通过相位补偿片进行补偿，最后通过-45°检偏片；通过调整-45°检偏片与第二双折射晶体输出的45°线偏振光的偏振角度的微小角度使光路输出光功率值最小，从而形成弱耦合，并耦合到第二准直器，通过第二准直器进入光谱解调仪中；

所述的干燥气室与被测气室均与外界连通，干燥气室与被测气室相互隔离，其中在所述的干燥气室与外界大气连通的位置设有防水分子筛。

2.如权利要求1所述的基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置，其特征是，通过被测气室长度来调整相位测量分辨率。

3.如权利要求1所述的基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置，其特征是，一路o光对被测气室进行折射率测量，即光通过被测气室后，再输入到半波片，从而使得o光转换为e光，再进入第二双折射晶体里；另外一路e光进入等温等压的干燥气室传输，再输入到半波片，使得e光转换为o光。

4.如权利要求1所述的基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置，其特征是，所述的微小角度为0.01~0.03rad。

5.一种基于权利要求1-4任一所述的基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）获取宽带激光器的宽带光谱图；

（2）光经过45°起偏片后，使得光形成线偏振光，光的偏振方向与水平方向形成45°夹角；

（3）线偏振光入射到双折射晶体上时，双折射晶体为45°切角，使线偏振光分为o光和e光；o光与e光为相互正交光，同时也为垂直偏振光和水平偏振光；

（4）o光和e光分别通过两个气室，被测气室为测量湿度的位置，干燥气室为参考气室；

（5）两光路再通过半波片后，o光转换为e光，e光转换为o光；通过另一个双折射晶体将两路光合束；合束光后形成线偏振光；

（6）再通过调整湿度探测器的相位补偿角度，使得光通过湿度探测器后，光的功率值最小，同时也使宽带光谱与输入的高斯光谱一致；

（7）最后调整-45°检偏片的角度，使角度为0.01~0.03rad，再调试相位补偿角，使输出宽带光谱显马鞍形状。

6. 如权利要求5所述的一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量方法，其特征在于，

从所述步骤（2），光通过45°起偏片时，光的初选态为

其中，为水平偏振态，/>为垂直偏振态，/>与水平偏振形成的夹角。

7.如权利要求5所述的一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量方法，其特征在于， 所述步骤（3）（4）（5）（6）（7）后，光的后选态为：

其中，为检偏片与水平方向夹角，/>为相位变化量，/>为光的初始相位；

根据量子弱值放大原理，系统的弱值放大倍数为：

由于系统是要对相位进行求解，因而我们只需要求弱值放大倍数的虚部就可以，所以虚部值为：

其中，；

则宽带光谱波长的质心位置偏移量如下：

通过测定光谱的质心位移，得到大气中湿度的值。