CN116576895A - 一种基于双波长光强解调的法珀腔传感器、结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基于双波长光强解调的法珀腔传感器、结构及方法，属于光纤传感技术领域，包括光路部分和信号处理部分，所述光路部分包括，两个不同波长的激光器DFB1、激光器DFB2，所述激光器DFB1和所述激光器DFB2的输出侧共同经过波分复用器WDM1，连接有环形器的第一口，所述环形器的第二口借助光纤适配器连接有法珀腔传感探头，所述环形器的第三口经所述波分复用器WDM2连接所述信号处理部分，应用本申请具有精度高、温度稳定性强效果，解决了现有技术中强度解调方法中不稳定的光原波长及外接温度导致解调出的腔长结果不准确，从而导致法珀腔传感器的精确度和灵敏度受到影响。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于双波长光强解调的法珀腔传感器、其法珀腔结构及其应用方法。
背景技术
随着光纤传感技术的快速发展，光纤传感器因灵敏度高、复用性好、抗电磁干扰能力强等优势被广泛应用于高压电缆设备在线检测以及公路桥梁等领域。光纤法珀腔传感器作为传感器家族中的重要组成部分，与传统传感器相比在灵敏度、抗干扰能力、传输距离方面更符合目前社会传感技术的需求，因而得到了国内外科研人员的广泛关注。而且光纤法珀腔传感探头微小，可以作为一种点式传感器，能够很方便的安装在电缆的一些重点部位，是目前常用的传感器之一 ，本申请涉及应用法珀腔传感器测量待测物的振幅。
光纤法珀腔传感器传输的信号光中存在着与之相关的待测量的腔长信息。强度解调技术一般采用的是相干长度较长的窄带光源，光源波长是一个固定值，就是要从干涉光强中提取到对应的法珀腔腔长，该技术法珀腔传感器最初使用的方法，具有简单直接、响应速度快的优点。法珀腔腔长是决定法珀腔灵敏度的决定性因素，但由于强度解调中的激发光源波长或外界温度的波动都会导致解调出的结果不准确，进而导致法珀腔传感器的精确度和灵敏度也受到影响。
发明内容
本发明提出了一种基于双波长光强解调的法珀腔传感器、其法珀腔结构及其应用方法，具有精度高、温度稳定性强效果，解决了现有技术中强度解调方法中不稳定的光原波长及外接温度导致解调出的腔长结果不准确的温度，导致法珀腔传感器的精确度和灵敏度受到影响。
本发明的技术方案如下：
一种基于双波长光强解调的法珀腔传感器，包括光路部分和信号处理部分，所述光路部分包括，两个不同波长的激光器DFB1、激光器DFB2，所述激光器DFB1和所述激光器DFB2的输出侧共同经过波分复用器WDM1，连接有环形器的第一口，所述环形器的第二口借助光纤适配器连接有法珀腔传感探头，所述环形器的第三口经所述波分复用器WDM2连接所述信号处理部分。
所述信号处理部分包括光电二极管PD1和光电二极管PD2，所述波分复用器WDM2的两个输出口分别连接所述光电二极管PD1和光电二极管PD2，所述光电二极管PD1和所述光电二极管PD2的输出侧经过信号缩放后连接有相对应的求平方模块，两个求平方模块的输出端连接一个求和模块的输入端。
一种法珀腔传感器结构，该法珀腔传感探头结构应用于一种基于双波长光强解调的法珀腔传感器，包括单模光纤，所述单模光纤外部包裹有陶瓷层，所述陶瓷层外部包裹有纯石英管层，所述单模光纤的盲端部设置有硅反射膜。
一种基于双波长光强解调的法珀腔传感器测量震幅的方法，
通过两个激光器作为光源，分别产生不同波长的入射激光L1和L2，
所述入射激光L1和和所述入射激光L2的相位差为π/ 的奇数倍，
将两束入射激光合并为一束激光L3发射至法珀腔探头，经法珀腔探头做干涉后，
将所述激光L3调制为两束与所述入射激光L1和L2波长相同的两束激光L1+和L2+，
将所述激光L1+和所述激光L2+分别转换为电信号P1和P2，对转换后电信号进行平方和运算处理。
本发明的工作原理及有益效果为：
本发明中的双波长强度解调光纤法珀腔传感器，由于采用了两个不同波长激光器，经过光纤法珀腔的调制之后，在两个光检测器检测到干涉光强值，应用三角函数平方和恒定的公式，而满足强度解调光纤法珀腔传感器时两个干涉光强值拟合后传感器的灵敏度恒定。由此解决了强度解调法珀腔时温度漂移不可避免的影响，从而提升了检测的灵敏度和精确度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本申请中传感器光路及信号处理部分的结构框图；
图2为本申请中法珀腔的剖视图；
图3为本申请实施例1中双波长珐珀腔对激光的正弦干涉谱；
图4为本申请实施例3中不同温度下双波长珐珀腔振动传感器所测信号；
图5为本申请实施例中放大电路和平方电路的电路原理图；
图6为本申请实施例中放大电路的电路原理图；
图7为本申请实施例中平方电路的电路原理图；
图8为本申请实施例中求和电路的电路原理图。
图中：1、单模光纤，2、纯石英管，3、陶瓷层，4、硅反射膜。
实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。
如说明书附图1所示，一种基于双波长光强解调的法珀腔传感器，包括光路部分和信号处理部分，光路部分包括，两个不同波长的激光器DFB1、激光器DFB2，激光器DFB1和激光器DFB2的输出侧共同经过波分复用器WDM1，连接有环形器的第一口，环形器的第二口借助光纤适配器连接有法珀腔传感探头，环形器的第三口经波分复用器WDM2连接信号处理部分。信号处理部分包括光电二极管PD1和光电二极管PD2，波分复用器WDM2的两个输出口分别连接光电二极管PD1和光电二极管PD2，光电二极管PD1和光电二极管PD2的输出侧经过各自对应的放大模块连接有相对应的求平方模块，两个求平方模块的输出端连接一个求和模块的输入端。
具体实施例1，激光器DFB1和激光器DFB2所应用的光源波长分别为1490nm和1550nm，利用1490nm和1550nm双波长激光器激发光源，通过波分复用技术将这两种波长的光载波信号在发送端经复用器汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输，将合并的光载波信号通过环形器单向传入光纤法珀腔传感器，经光纤法珀腔对干涉光强调制再通过环形器单向传输经波分复用技术，将合并的光载波信号经解复用器将1490nm和1550nm两个波长的光载波分离进入两个光检测器，分别测量1490nm和1550nm干涉光强值，经双波长三角函数平方和恒定来得到灵敏度恒定，来避免温度的变化对解调结果产生的影响。
应用本结构，采用了1490nm和1550nm双波长激光器，经过光纤法珀腔的调制之后，在两个光检测器检测到干涉光强值，通过三角函数平方和恒定，从而满足强度解调光纤法珀腔传感器时两个干涉光强值拟合后传感器的灵敏度恒定。由此解决了强度解调法珀腔时温度漂移不可避免的影响，从而提升了检测的灵敏度和精确度。
其技术原理如下所述，
光强解调的FP腔振动传感器难以使用的原因是，实际光源DFB窄带激光器，而FP腔的干涉光谱是温度的函数。
双波长解调法是利用两个波长处的反射光信息进行补偿运算，相比于单波长解调能够有效提高精度。系统的光源一般采用可调谐激光器通过调控来输出两个不同波长的光，但采用可调谐激光器这一器件大大增加了系统的成本，因此本实验采用两个分布反馈（DFB）激光器作为激发光源。
如说明书附图3所示，图3为温度为T1、T2的珐珀腔对宽谱平坦激光的干涉谱，探测用的激光光源为DFB窄带激光A、B，点A1、A2分别是T1、T2温度时珐珀腔对A激光的干涉光强，点B1、B2分别是T1、T2温度时珐珀腔对B激光的干涉光强。
由图3可以看出，如果只采用一束光源A，那么温度T的变化对珐珀腔干涉光强的影响(A1→A2)是巨大的。如果采用双波长激光光源，并且制作珐珀腔时，调整珐珀腔腔长使得两束激光光源波长差对应上珐珀腔正弦干涉谱的π/2，那么根据三角函数平方和恒定原理，有A12+B12A22+B22，此时干涉光强不再受温度的影响。
假设F-P腔的宽谱光源干涉谱调整为正弦函数因F-P腔传感器的灵敏度可以由干涉谱的斜率表示，所以灵敏度可以由/>表示。其中，/>为相位，是关于温度T的函数。
假设传感探头接收到实际振动信号的振幅为A，由于测量振动信号振幅与F-P腔传感探头实际接收的振动信号振幅之间相差一个传感器的接收灵敏度，因此一路测量振动信号的振幅可以表示为：
为保证传感探头接收的信号与温度T无关，1490nm和1550nm这两个波长所对应的干涉谱相位之间需相差二分之π，使其中一个波长的干涉谱从正弦转化为余弦，此时的干涉谱可以由表示，灵敏度为/>从而两路信号灵敏度平方和可以由三角函数平方和恒定计算得到。
具体实施例
sin2x+cos2x＝1
此时，传感器的灵敏度平方和用公式表示为：
具体实施例
另一路测量振动信号的振幅可以表示为：
为使1490nm和1550nm两个波长的干涉谱相位差始终维持在二分之π，满足三角函数平方和恒定，并且二分之π对应在一个正余弦函数中恰好为四分之一个周期M。正余弦函数为周期函数，因此1490nm和1550nm波长之间可恒差N加四分之一个周期，用公式表示为：
N取正整数(1，2，3……)，每一个N都有相对应的周期M，通过观察干涉谱的波形选择合适的N值，干涉谱的频率ω可用公式表示：
此时两路测量振动信号振幅的平方和为：
将公式(1.6)代入公式(1.7)计算可得ω为：
由式(1.9)可知，ω只与正整数N的取值有关，ω与温度无关。
将式(1.9)代入，式(1.8)可转化为：
由上式可知，当N取一定值时，两个测量信号振幅的平方和也为一定值，所测得信号与温度T无关，测量的结果不受外界温度变化的影响，从而双波长强度解调F-P腔的精确度和灵敏度都得到了大幅提升。
由上式可知，测得信号于温度无关。两个检测光强值叠加和值恒定使得法珀腔传感探头的灵敏度恒定，灵敏度Q点不再随温度的变化而发生移动，从而双波长强度解调法珀腔的精确度和灵敏度都得到了大幅提升。
在本实施例中，对于电信号P1和P2的处理采用平方求和运算，可以通过电路实现，如说明书附图5-8，附图中的电路只是作为实施例，保护范围并不局限于附图电路，首先将经过光电二极管转换的初始电信号进行放大调理，所谓放大，值得是模电领域中的缩放，可以理解成将原始电信号处理为后级电路或芯片适应的合理电压、电流范围，经过平方电路和求和电路的运算，平方电路和求和电路即可以实现信号的平方运算和求和运算即可，不限于附图。最后将求和运算电路输出的电信号通过模数转换，转换为控制器适应的数字信号进行输出，控制器可以是单片机或计算机等，本申请中可以理解为求和电路所输出的信号可以作为测量结果，即P12+P22，后续的控制器处理以及模数转换，是根据实际的电路选择对测量结果进行了信号的整理，并通过串口向外部输出，实现人机交互。
具体实施例2，
如说明书附图2所示，一种法珀腔传感探头结构，该法珀腔传感器结构应用于一种基于双波长光强解调的法珀腔传感器，包括单模光纤，所述单模光纤外部包裹有陶瓷层，所述陶瓷层外部包裹有纯石英管层，所述单模光纤的盲端部设置有硅反射膜。所述陶瓷层与所述单模光纤胶合固定，所述纯石英管与所述陶瓷层胶合固定，所述硅反射膜与所述纯石英管烧结固定。
陶瓷芯将单模光纤胶合固定、纯石英管再将陶瓷芯胶合固定，将硅反射膜烧结在纯石英管一瑞，其中主要是由单模光纤端面和硅反射膜的双路反射光来满足光的干涉原理。
法珀腔用低膨胀系数的高纯石英管，并且高纯石英管与反射石英膜烧结在一起，以此来弱化温度对珐珀腔腔长的影响。
具体实施例3，
一种基于双波长光强解调的法珀腔传感器测量震幅的方法，
通过两个激光器作为光源，分别产生不同波长的入射激光L1和L2，
所述入射激光L1和和所述入射激光L2的相位差为π/2的奇数倍，
将两束入射激光合并为一束激光L3发射至法珀腔探头，经法珀腔探头做干涉后，
将所述激光L3调制为两束与所述入射激光L1和L2波长相同的两束激光L1+和L2+，
将所述激光L1+和所述激光L2+分别转换为电信号P1和P2，对转换后电信号进行平方和运算处理。
所述入射激光L1和所述入射激光L2入射至波分复用器WDM1合并为所述激光L3；
激光L3经过所述波分复用器WDM2，调制为所述激光L1+和所述激光L2+。
合并后的所述激光L3从环形器的第一口射入，从所述环形器的第二口发射至所述法珀腔探头，经过干涉后，从所述环形器的第二口返回至环形器，并从所述环形器的第三口射出至后被调制为所述激光L1+和所述激光L2+。
振幅的计算式为其中P1和P2为法珀腔传感器输出的测量值，N为干涉图谱中的周期数，是人为设定值，A为待测振幅。
由上述可以看出，应用本方案，结果的测量参数中与不存在外界参数因素，只与N的选取有关，而N为可控量，所以应用本方法所获得的振幅A更准确，如附图4，不受外部因素干扰。
一种基于双波长光强解调的法珀腔传感器的应用方法，该方法基于一种基于双波长光强解调的法珀腔传感器，通过两个激光器作为光源，分别产生不同波长的入射激光，两束不同的激光传入到波分复用器WDM1合束至一起，并经过环形器单向传输至法珀腔传感器，并经过调制后返回通过环形器传输至波分复用器WDM2，波分复用器WDM2将单束激光调制为两束原波长的激光分别进入光电二极管PD1和光电二极管PD2，经双波长三角函数平方和计算。两束不同波长的入射激光的相位差为π/2的奇数倍。
可知，通过两个分布式反馈激光器分别产生1490nm和1550nm波长的光源，两个不同波长的激光经光纤传入到波分复用1的发送端由波分复用器合束在一起，合束之后的激光经环形器单向传输进入光纤法珀腔传感器，传入的光经过光纤法珀干涉腔的调制后返回，通过环形器单向传输给波分复用器2，由波分利用器2再将被调制过的激光信号光分束成1490nm和1550nm两个波长的激光信号光，分别进入两个光检测器PD1和PD2，经双波长三角函数平方和恒定来得到恒定的灵敏度。
sin2x+cos2x＝1
为满足三角函数平方和恒定，需要1490nm和1550nm之间的波长差满足相差π/2的奇数倍，就可以使一个正弦信号可以转化为余弦信号
从而使1490nm和1550nm之间的波长差始终保持π/2的奇数倍，满足三角函数平方和恒定。因为灵敏度恒定，只要双激光光源的波长差恒等于珐珀腔干涉谱周期T的倍，那么传感器所测信号就不受温度漂移的影响。
如说明书附图4所示，为30-60℃(变化梯度为5℃)，其中为每个温度下所得到信号幅值对比图，可以看出应用本方法，温度的变化，对幅值的影响很低。
应用本方法，最大的效果是，测量的输出量只与振幅有关，可以直接反应振幅，与外接环境参数无关，因此不受温度等因素影响，测量结果稳定。
另一方面，本申请只需要一个法珀腔探头，对合并后的激光L3进行干涉，不存在探头误差，一般现有技术中需要两个法珀腔探头分别干涉两束激光，法珀腔探头无法做到完全一致，误差难以避免。
第三方面，本申请只需要一个法珀腔探头和一个环形器，而现有技术中两路激光各需要一个环形器，由于法珀腔探头和环形器成本高，远贵于波分复用器，因此应用本装置和方法可以降低成本。
以上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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于双波长光强解调的法珀腔传感器，包括光路部分和信号处理部分，其特征在于，所述光路部分包括，两个不同波长的激光器DFB1、激光器DFB2，所述激光器DFB1和所述激光器DFB2的输出侧共同经过波分复用器WDM1，连接有环形器的第一口，所述环形器的第二口借助光纤适配器连接有法珀腔传感探头，所述环形器的第三口经所述波分复用器WDM2连接所述信号处理部分。
2.根据权利要求1所述的一种基于双波长光强解调的法珀腔传感器，其特征在于，所述信号处理部分包括光电二极管PD1和光电二极管PD2，所述波分复用器WDM2的两个输出口分别连接所述光电二极管PD1和所述光电二极管PD2，所述光电二极管PD1和所述光电二极管PD2的输出侧经过信号缩放后连接有相对应的求平方模块，两个求平方模块的输出端连接一个求和模块的输入端，所述求和模块的输出端作为所述信号处理部分的输出端。
3.根据权利要求2所述的一种基于双波长光强解调的法珀腔传感器，其特征在于，所述光电二极管PD1和所述光电二极管PD2的输出侧分别与各自对应的求平方模块间连接有相应的放大模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于双波长光强解调的法珀腔传感器，其特征在于，所述信号处理模块最末端设置有A/D转换模块，所述A/D转换模块的直流输出口通讯连接控制器。
5.一种法珀腔传感器结构，该法珀腔传感探头结构应用于1-4任意一种基于双波长光强解调的法珀腔传感器，其特征在于，包括单模光纤，所述单模光纤外部包裹有陶瓷层，所述陶瓷层外部包裹有纯石英管层，所述单模光纤的盲端部设置有硅反射膜。
6.根据权利要求5所述的一种法珀腔传感探头结构，其特征在于，所述陶瓷层与所述单模光纤胶合固定，所述纯石英管与所述陶瓷层胶合固定，所述硅反射膜与所述纯石英管烧结固定。
7.一种基于双波长光强解调的法珀腔传感器测量震幅的方法，其特征在于，
通过两个激光器作为光源，分别产生不同波长的入射激光L1和L2，
所述入射激光L1和所述入射激光L2的相位差为π/ 的奇数倍，
将两束入射激光合并为一束激光L3发射至法珀腔探头，经法珀腔探头做干涉后，
将所述激光L3调制为两束与所述入射激光L1和L2波长相同的两束激光L1+和L2+，
将所述激光L1+和所述激光L2+分别转换为电信号P1和P2，对转换后电信号进行平方和运算处理。
8.根据权利要求7所述的一种基于双波长光强解调的法珀腔传感器测量震幅的方法，其特征在于，所述入射激光L1和所述入射激光L2入射至波分复用器WDM1合并为所述激光L3；
激光L3经过所述波分复用器WDM2，调制为所述激光L1+和所述激光L2+。
9. 根据权利要求7所述的一种基于双波长光强解调的法珀腔传感器测量震幅的方法，其特征在于，合并后的所述激光L3从环形器的第一口射入，从所述环境器的第二口发射至所述法珀腔探头，经过干涉后，从所述环形器的第二口返回至环形器，并从所述环形器的第三口射出至后被调制为所述激光L1+和所述激光L2+。
10.根据权利要求7所述的一种基于双波长光强解调的法珀腔传感器测量震幅的方法，其特征在于，振幅的计算式为
，其中P1和P2为法珀腔传感器输出的测量值，N为干涉图谱中的周期数，是人为设定值，A为待测振幅。
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Citations (3)
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| US5152173A (en) * | 1989-12-29 | 1992-10-06 | Schlumberger Industries Limited | Optical sensing systems |
| CN105606193A (zh) * | 2015-12-18 | 2016-05-25 | 天津大学 | 基于双可调谐光源的光纤法珀声振动传感装置及解调方法 |
| CN109490731A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-03-19 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 基于mos2膜片的光纤法珀式局部放电检测装置及方法 |
-
2023
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Patent Citations (3)
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