CN202066630U - 基于差分解调的HiBi-PCF-FLM应力传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及基于差分解调的HiBi-PCF-FLM应力传感器。本实用新型中3dB耦合器一边的两个端口分别与宽带光源、波分复用器的入射端光连接，3dB耦合器另一边的两个端口分别与HiBi-PCF的两端光连接；波分复用器的第5信道和第16信道为两个出射端口与光电转换器及信号处理单元光连接。3dB耦合器和HiBi-PCF构成HiBi-PCF-FLM，HiBi-PCF-FLM是传感元；波分复用器、光电转换器及信号处理单元构成光纤传感器的解调器。本实用新型有效消除光源抖动及传感系统各种不稳定因素所带来的干扰，而且大大提高了系统的精度。
Description
技术领域
本实用新型属于光纤传感技术领域，涉及一种基于差分解调的高双折射光子晶体光纤环镜(fiber loop mirrors made of highly birefringent photonic crystal fiber，HiBi-PCF-FLM)应力传感器。
背景技术
高双折射光纤环镜(fiber loop mirrors made of highly birefringent fiber，HiBi-FLM)传感器是近年来发展的一类新型光纤器件。目前，因其具有输入偏振无关、高消光比和低成本等优点，HiBi-FLM已被应用于波分复用滤波器和传感器中。然而，HiBi-FLM在测量应力或其它物理量时，对温度的交叉敏感限制了HiBi-FLM传感器的广泛应用。光子晶体光纤(photonic crystal fiber，PCF)是一种具有优良光学特性的新型光纤。通过在FLM中插入具有温度不敏感特性的高双折射光子晶体光纤(highly birefringent photonic crystal fiber，HiBi-PCF)可以有效消除对温度的交叉敏感。
然而，目前报道的大部分HiBi-FLM传感器是基于波长监测来实现传感的，因此系统需要昂贵的波长检测设备，使得传感系统成本较高、限制了此类传感器的应用。针对上述问题，我们提出了两类基于强度解调的HiBi-FLM传感器(专利：ZL200920291754.1和ZL200920202121.9)。基于强度解调的HiBi-FLM传感器会遇到光源 抖动及传感系统各种不稳定因素所带来的干扰问题，影响测量精度。
发明内容
本实用新型目的就是为了克服现有技术中HiBi-PCF-FLM传感器解调单元精度不高的问题，提供了一种基于强度检测差分解调的HiBi-PCF-FLM温度传感器，此解调方案可以有效消除光源抖动及传感系统各种不稳定因素所带来的干扰。
本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案：
基于差分解调的HiBi-PCF-FLM应力传感器包括宽带光源、3dB耦合器、HiBi-PCF、波分复用器、光电转换器及信号处理单元。
3dB耦合器一边的两个端口分别与宽带光源、波分复用器的入射端光连接，3dB耦合器另一边的两个端口分别与HiBi-PCF的两端光连接；波分复用器的第5信道和第16信道为两个出射端口与光电转换器及信号处理单元光连接。3dB耦合器和HiBi-PCF构成HiBi-PCF-FLM，HiBi-PCF-FLM是传感元；波分复用器、光电转换器及信号处理单元。
本实用新型所具有的有益效果为：
1.以HiBi-PCF-FLM为传感元，可以有效消除传感元对温度的交叉敏感。
2.波分复用器同时提供两个用于差分处理的光强度信号并将光强度信号有效地分开。由于这两个光强度信号分别落在HiBi-PCF-FLM的正斜率区和负斜率区，因而它们的变化趋势相反，有利于成倍提高传感系统的灵敏度。
3.光电转换及信号处理单元把光强信号转化为电压信号并进行快速差分处理。两个光强信号在系统中经过相同的路径，因此差分后的结果能有效消除光源抖动及传感系统各种不稳定因素所带来的干 扰。
4.本实用新型中解调系统的使用，避免了昂贵的光谱仪等波长监测设备的使用，大大降低了传感器成本。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进一步描述。
如图1所示，基于差分解调的HiBi-PCF-FLM应力传感器，包括宽带光源1、3dB耦合器2、HiBi-PCF3、HiBi-PCF-FLM4、波分复用器5、光电转换及信号处理单元6。3dB耦合器2一边的一个端口与宽带光源1光连接，3dB耦合器2一边的另一个端口与波分复用器5的入射端光连接，波分复用器5的第5信道和第16信道为两个出射端口与光电转换及信号处理单元6光连接，3dB耦合器2另一边的两个端口分别与HiBi-PCF3的两端光连接；3dB耦合器2和HiBi-PCF3构成HiBi-PCF-FLM4。
本实施方式的工作方式为：宽带光源发出的光入射到传感元HiBi-PCF-FLM，经过传感元HiBi-PCF-FLM的作用，传感元HiBi-FLM的透射光入射到波分复用器，波分复用器的出射光进入光电转换及信号处理单元。当HiBi-PCF的长度为79.5mm时，HiBi-PCF-FLM两相邻透射峰的波长间隔为定值35.6nm。通过选择波分复用器的规格和通信信道，使波分复用器出射的两部分波长分别落在HiBi-PCF-FLM的正斜率区和负斜率区。应力的改变会引起传感元HiBi-PCF-FLM透射谱的左右平移，从而引起两部分波长的光强发生的变化且变化趋势相反。光强信号经光电转换后变为电压信号V1和V2，引入差分量，ΔV＝(V1-V2)/(V1+V2)。V1和V2是光源经同一路径到监测设备，V1 和V2中可能包含光源抖动以及系统其它不稳定因素带来的噪声干扰，差分处理后，ΔV仅与应力信号有关，而与噪声信号无关，该装置正是通过ΔV来反映传感元HiBi-PCF-FLM应力的变化。当光源功率变化±10％时，利用差分解调原理测得的温度相对误差约为0.5％，测量精度达99％。
该装置能够实现消除噪声、提高精度的关键技术为：
1.利用波分复用器将特定波长的光提取出来，这样就可以通过监测特定波长的光强度检测应力，避免使用价格昂贵的波长监测设备。
2.HiBi-PCF的长度与波分复用器的规格和通信信道相匹配，使被监测的两部分波长的光强变化趋势相反，在此基础上进行信号差分处理，可以成倍地提高了传感系统的灵敏度。
3.在信号处理单元引入差分运算ΔV＝(V1-V2)/(V1+V2)。
本实施例中HiBi-PCF，在波长为1550nm时折射率差为8.5×10-4，两个正交偏振模场直径为3.6μm和3.1μm。波分复用器为AWG型波分复用器，其信道数为16、信道间隔为1.6nm、起始信道波长为1560.61nm、单信道0.5dB带宽为0.5nm；选用第5信道和第16信道作为两个出射端口，它们的中心波长分别为1552.61nm和1535.01nm。
Claims (2)
1.基于差分解调的HiBi-PCF-FLM应力传感器包括宽带光源、3dB耦合器、HiBi-PCF、波分复用器、光电转换器及信号处理单元；
3dB耦合器一边的两个端口分别与宽带光源、波分复用器的入射端光连接，3dB耦合器另一边的两个端口分别与HiBi-PCF的两端光连接，波分复用器的第5信道和第16信道为两个出射端口与光电转换器及信号处理单元光连接；3dB耦合器和HiBi-PCF构成HiBi-PCF-FLM，HiBi-PCF-FLM是传感元；波分复用器、光电转换器及信号处理单元构成光纤传感器的解调器。
2.根据权利要求1所述的差分解调的HiBi-PCF-FLM应力传感器，波分复用器的特征是信道间隔为1.6nm、单信道0.5dB带宽为0.5nm，作为出射端口的第5信道其波长为1552.61nm，落在HiBi-PCF-FLM的正斜率区；作为出射端口的第16信道其中心波为1535.01nm，落在HiBi-PCF-FLM的负斜率区；当应力改变时，第5信道和第16信道的出射光强变化趋势相反，在此基础上进行信号差分处理，可以成倍地提高了传感系统的灵敏度。
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| CN102095536A (zh) * | 2010-11-19 | 2011-06-15 | 中国计量学院 | 基于强度检测差分解调的HiBi-PCF-FLM应力传感器及装置 |
| CN112484652A (zh) * | 2019-09-12 | 2021-03-12 | 南京林业大学 | 一组相邻的波峰波谷波长实现双折射光纤环镜应变在线测量方法 |
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