CN110595515B - 一种基于保偏光纤及fp腔的双参量光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于保偏光纤及FP腔的双参量光纤传感器，包括宽带光源、环形器、起偏器和级联传感单元，环形器的第一端口与宽带光源连接，环形器的第二端口与起偏器的一端连接，起偏器的另一端与级联传感单元连接，环形器的第三端口输出干涉信号；起偏器将宽带光源提供的光转变为线偏振光，线偏振光经过级联传感单元分为不同偏振态的两束线偏振光，分别产生偏振相关干涉和FP干涉，实现同时对外界应力和温度的双参量监测，传感单元内部存在的偏振相关干涉对温度敏感、应力不敏感，FP干涉对应力敏感、温度不敏感，因此应用于双参量解调时，具有无交叉串扰的优点，可以实现双参量的同时解调。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种基于保偏光纤及FP腔的双参量光纤传感器。
背景技术
在煤炭化工、桥梁健康、地质勘探等工业应用领域中，迫切需要能够同时测量温度和应力等参量的传感系统，而随着工业系统越来越复杂，传统的以电为主的测量方式已经不能满足实际需求。考虑到光纤传感器具有抗电磁干扰、体积小、重量轻、结构简单、便于集成、组网方便、耐腐蚀等多重优点，研究者们便开始致力于温度、应力双参量解调的光纤传感技术研究。
然而，当前用于温度、应力双参量解调的光纤式传感器主要有基于双花生节的模式复用光纤传感器、保偏光纤布拉格光栅、光子晶体光纤传感器、保偏与多模光纤级联的传感器，环状Sagnac混合干涉仪等，但是这些传感器在实际应用中还需要考虑许多因素，诸如：传感器的制作成本、灵敏度、紧凑性等。其中基于花生节的模式复用光纤传感器以及保偏与多模光纤级联结构表现为灵敏度较低，不能满足高精度温度探测；保偏光纤布拉格光栅制备工艺复杂，对刻写技术有较高要求；光子晶体光纤传感器制备成本较高；而环状Sagnac干涉仪结构不够紧凑。此外，上述提到的所有光纤传感器为透射式，输入端与出射端位于异侧，不利于两端集成，不易实现狭缝等条件下的传感测试，同时上述传感器实现温度及应力双参量传感时还在串扰的问题，需要采用额外的敏感矩阵才能对温度、应力两种参量进行准确解调。
因此，研究出一种成本低、制备简单、灵敏度高、结构紧凑、应用环境丰富、无交叉串扰的温度、应力双参量传感器在目前仍然具有较高的研究与应用价值。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于保偏光纤及FP腔的双参量光纤传感器，旨在解决现有光纤传感器在进行双参量解调时存在的交叉串扰的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于保偏光纤及FP腔的双参量光纤传感器，包括宽带光源、环形器、起偏器和级联传感单元，环形器的第一端口与宽带光源连接，环形器的第二端口与起偏器的一端连接，起偏器的另一端与级联传感单元连接，环形器的第三端口连接光谱仪，光谱仪对级联传感单元传递的两种叠加的干涉信号进行波长解调；
起偏器将宽带光源提供的光转变为线偏振光，线偏振光经过级联传感单元分为不同偏振态的两束线偏振光，分别产生偏振相关干涉和FP干涉，两干涉谱叠加后由环形器输出至光谱仪探测。当将应力施加到FP腔时，偏振相关干涉对温度敏感、应力不敏感，FP干涉对应力敏感、温度不敏感。因此，对叠加干涉谱进行波长解调，可以无串扰地同时实现温度、应力双参量解调。
优选地，级联传感单元包括依次熔接的保偏光纤、第一单模光纤、空芯光纤和第二单模光纤，空芯光纤作为FP腔，第一单模光纤与空芯光纤之间的界面作为FP腔的第一反射面，空芯光纤与第二单模光纤之间的界面作为FP腔的第二反射面。
优选地，保偏光纤具有高双折射效应，内部存在两偏振轴，分别为快轴和慢轴，且方向垂直。
优选地，来自起偏器的线偏振光，沿保偏光纤不同轴传输后分为具有相位差的两束线偏振光，两束线偏振光在第一反射面处发生部分反射，其余光束射入空芯光纤，继而在第二反射面处发生第二次部分反射，其余光束射入第二单模光纤，随后输入外界环境并被衰减；第一反射面的反射光和第二反射面的反射光之间存在相位差，两者发生FP干涉后反射回保偏光纤中，随后反射回起偏器。
第一反射面和第二反射面之间的FP干涉光强为：
其中I1为第一反射面反射光强，I2为第二反射面反射光强，n是FP腔内介质的折射率，LFP是FP腔的长度。FP腔的长度随外界施加的轴向应力发生变化导致FP干涉谱发生漂移，根据FP干涉谱解调外界应力。
两垂直的线偏振光沿保偏光纤传输两遍，这相当于使保偏光纤长度加倍，从而使反射出保偏光纤后的两偏振光束相位差扩大一倍。最终两束线偏振光之间的相位差用公式表示为：
其中B为保偏光纤的双折射系数，L和λ分别为保偏光纤的长度及操作波长。随后，具有相位差的两反射线偏振光在起偏器处相遇，并在两光束之间形成偏振相关干涉。保偏光纤的双折射系数B对温度T敏感，导致偏振相关干涉谱对温度敏感，且偏振相关干涉谱漂移量Δλp随温度变化的关系可以表示为如下：
保偏光纤的双折射系数随外界温度发生变化导致偏振相关干涉谱发生漂移，根据偏振相关干涉谱解调外界温度。
优选地，起偏器与保偏光纤的转轴熔接，使得起偏器输出光偏振轴与保偏光纤两偏振轴之间的角度约为45°，用于得到具有较高消光比的偏振相关干涉谱。
优选地，第二单模光纤尾端粗糙化，用于降低尾端反射光强。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供的双参量光纤传感器采用了保偏光纤和FP腔的级联结构作为主要传感单元，传感单元内部存在的偏振相关干涉对温度敏感、应力不敏感，FP干涉对应力敏感、温度不敏感，因此应用于双参量解调时，具有无交叉串扰的优点，可以实现双参量的同时解调；
2、本发明中的级联传感单元仅由一段空芯光纤两端熔接标准单模光纤构成，无需镀膜等复杂操作，结构紧凑，制备简单；
3、本发明采用反射式基于保偏光纤的偏振干涉结构，利用保偏光纤的双折射系数对温度具有的高灵敏的特性，使得传感器具有高灵敏度的优点；
4、本发明所有器件均采用全光纤耦合方式，结构紧凑稳定、抗电磁干扰能力较强，在在煤炭化工、桥梁健康、地质勘探等工业应用领域具有较高的应用价值。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于保偏光纤及FP腔的双参量光纤传感器的结构示意图；
图2是本发明提供的级联传感单元的结构示意图；
图3是本发明中光谱分析仪探测的叠加干涉谱随外界环境温度升高而发生漂移的示意图；
图4是本发明中光谱分析仪探测的叠加干涉谱随FP腔施加的轴向应力增加而发生红移的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于保偏光纤及FP腔的双参量光纤传感器，包括宽带光源1、环形器2、起偏器3和级联传感单元4，环形器2的第一端口与宽带光源1连接，环形器2的第二端口与起偏器3的一端连接，起偏器3的另一端与级联传感单元4连接，环形器2的第三端口连接光谱仪5，光谱仪对级联传感单元传递的两种叠加的干涉信号进行波长解调；
起偏器3将宽带光源1提供的光转变为线偏振光，线偏振光经过级联传感单元4分为不同偏振态的两束线偏振光，分别产生偏振相关干涉和FP干涉，两干涉谱叠加后由环形器输出至光谱仪探测。偏振相关干涉对温度敏感、应力不敏感，FP干涉对应力敏感、温度不敏感。因此，对叠加干涉谱进行波长解调，可以无串扰地同时实现温度、应力双参量解调。
如图2所示，级联传感单元4包括依次熔接的保偏光纤41、第一单模光纤42、空芯光纤43和第二单模光纤44，保偏光纤41具有高双折射效应，内部存在两应力区，分别为第一应力区411和第二应力区412，由于应力区的存在使得保偏光纤41内存在两偏振轴，分别为快轴和慢轴，且方向垂直。空芯光纤43作为FP腔，第一单模光纤42与空芯光纤43之间的界面作为FP腔的第一反射面431，空芯光纤43与第二单模光纤44之间的界面作为FP腔的第二反射面432。第二单模光纤44尾端粗糙化，用于降低尾端反射光强。
起偏器与保偏光纤的转轴熔接，使得起偏器输出光偏振轴与保偏光纤两偏振轴之间的角度接近45°，用于得到具有较高消光比的偏振相关干涉谱。保偏光纤41接收来自起偏器3的线偏振光，并将其分为具有相位差的沿两垂直偏振轴传输的两束线偏振光，两束线偏振光在第一反射面431处发生部分反射，其余光束射入空芯光纤，继而在第二反射面432处发生第二次部分反射，其余光束射入第二单模光纤，随后输入外界环境并被衰减；第一、第二反射面的反射光之间存在相位差，两者发生FP干涉后反射回保偏光41中，随后反射回起偏器3。
第一、第二反射面之间的FP干涉光强为：
其中I1为第一反射面431反射光强，I2为第二反射面432反射光强，n是FP腔内介质的折射率，LFP是FP腔的长度。FP腔的长度随外界施加的轴向应力发生变化导致FP干涉谱发生漂移，根据FP干涉谱解调外界应力。
两垂直的线偏振光沿保偏光纤41传输两遍，这相当于使保偏光纤41长度加倍，从而使反射出保偏光纤41后的两偏振光束相位差扩大一倍。最终两束线偏振光之间的相位差用公式表示为：
其中B为保偏光纤的双折射系数，L和λ分别为保偏光41的长度及操作波长。随后，具有相位差的两反射线偏振光在起偏器处3相遇，并在两光束之间形成偏振相关干涉。保偏光纤41双折射系数B对温度T敏感，导致偏振相关干涉谱对温度敏感，且干涉谱漂移量随温度变化的关系可以表示为如下：
保偏光纤41的双折射系数B随外界温度发生变化导致偏振相关干涉谱发生漂移，根据偏振相关干涉谱解调外界温度。
图3为通过光谱分析仪实验测量所得不同温度下的叠加光谱，其中横坐标为波长，纵坐标为反射光功率。光谱中存在两种频率分量的干涉，相对低频的干涉形成包络，与偏振相关干涉谱相对应，相对高频的干涉受到幅度调制，对应于FP干涉，因此dip1和dip2随温度的漂移分别对应于偏振相关干涉和FP干涉随温度发生的变化。从图中可以看出，随着温度的升高，dip1发生蓝移，且具有温度灵敏度为1.82nm/℃，对温度具有高灵敏度特性；dip2几乎不发生漂移，这说明FP干涉具有温度不敏感特性，因此温度传感不存在交叉串扰。
图4为实验测试获得的dip2随施加在FP腔两端单模光纤上的应力的变化，其中横坐标为波长，纵坐标为反射光功率。可以看出，随应力的增加，dip2发生红移，且具有应力灵敏度为1.1pm/με，具有应力敏感特性。又由于保偏光纤两端并未加载应力，因此偏振相关干涉对应力的灵敏度几乎为零，所以应力传感也不存在交叉串扰。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于保偏光纤及FP腔的双参量光纤传感器，其特征在于，包括宽带光源、环形器、起偏器和级联传感单元，所述环形器的第一端口与宽带光源连接，所述环形器的第二端口与所述起偏器的一端连接，所述起偏器的另一端与所述级联传感单元连接，所述环形器的第三端口输出干涉信号；
所述起偏器将所述宽带光源提供的光转变为线偏振光，所述线偏振光经过级联传感单元分为不同偏振态的两束线偏振光，分别产生偏振相关干涉和FP干涉，实现同时对外界应力和温度的双参量监测；
所述级联传感单元包括依次熔接的保偏光纤、第一单模光纤、空芯光纤和第二单模光纤，所述空芯光纤作为FP腔，所述第一单模光纤与所述空芯光纤之间的界面作为FP腔的第一反射面，所述空芯光纤与所述第二单模光纤之间的界面作为FP腔的第二反射面。
2.根据权利要求1所述的双参量光纤传感器，其特征在于，所述保偏光纤具有高双折射效应，内部存在两偏振轴，分别为快轴和慢轴，且方向垂直。
3.根据权利要求1所述的双参量光纤传感器，其特征在于，线偏振光经所述保偏光纤后分为两束，沿不同轴传输产生相位差，所述两束线偏振光在第一反射面处发生部分反射，其余光束射入空芯光纤，继而在第二反射面处发生第二次部分反射，其余光束射入第二单模光纤，随后输入外界环境并被衰减；第一反射面的反射光和第二反射面的反射光之间存在相位差，两者发生FP干涉后反射回保偏光纤中，随后反射回起偏器。
4.根据权利要求3所述的双参量光纤传感器，其特征在于，所述第一反射面和第二反射面之间的FP干涉光强为：
其中I1为第一反射面反射光强，I2为第二反射面反射光强，n是FP腔内介质的折射率，LFP是FP腔的长度。
5.根据权利要求4所述的双参量光纤传感器，其特征在于，所述FP腔的长度随外界施加的轴向应力发生变化导致FP干涉谱发生漂移，根据FP干涉谱解调外界应力。
6.根据权利要求3所述的双参量光纤传感器，其特征在于，所述两束线偏振光之间的相位差用公式表示为：
其中B为保偏光纤的双折射系数，L和λ分别为保偏光纤的长度及操作波长；
所述保偏光纤的双折射系数B随外界温度发生变化导致偏振相关干涉谱发生漂移，根据偏振相关干涉谱解调外界温度。
7.根据权利要求3所述的双参量光纤传感器，其特征在于，所述起偏器与所述保偏光纤的转轴熔接，使得起偏器输出光偏振轴与保偏光纤两偏振轴之间的角度为45°。
8.根据权利要求1所述的双参量光纤传感器，其特征在于，所述第二单模光纤尾端粗糙化，用于降低尾端反射光强。
9.根据权利要求1所述的双参量光纤传感器，其特征在于，所述环形器的第三端口连接光谱仪，所述光谱仪对级联传感单元传递的两种叠加的干涉信号进行波长解调。
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