CN205538041U - 一种基于光纤光栅斯托克斯参量的动态压力检测系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于光纤光栅斯托克斯参量的动态压力检测系统，它包括可调谐激光器、电动偏振控制器、传感光纤光栅、偏振检测模块、信号处理模块、反馈模块和显示单元，可调谐激光器发出一定波长的激光送入电动偏振控制器进入传感光纤光栅，在线偏振检测模块采集从传感光纤光栅中透射的光，输出至信号处理模块，得到透射光偏振态的三个斯托克斯参量，信号处理模块反馈至电动偏振控制器调整入射光偏振态。本实用新型利用光纤光栅在外加压力作用下产生线双折射，导致透射光的三个参量发生变化，采用单波长源实现对动态压力大小的实时传感，克服了传统系统不适合小压力传感的缺点，以及基于光栅偏振参量最大值传感方法不适合于动态压力传感的缺点。
Description
技术领域
本实用新型涉及为光纤传感技术领域，尤其是一种利用光纤光栅透射光的斯托克斯参量对压力进行实时监测的光纤传感设备。
背景技术
当光纤受到外界环境(温度、应力、磁场、压力等)影响时，光纤中传输光的强度、相位、频率、偏振态等参量会相应的发生变化。通过检测传输光的这些参量便可获知相应物理量的变化，这种技术称为光纤传感技术。
光纤光栅作为一种成熟的全光纤器件，由于其本身具有的体积小，插入损耗低，易于与其他光纤器件集成等特点，在光纤通信和光纤传感领域中有着非常重要的应用，目前多数是利用波长偏移量进行温度传感和应力传感。其测量原理主要是利用外界参量变化引起的光纤光栅的折射率或光栅周期的变化从而导致布拉格波长发生偏移，通过测量偏移量达到传感的目的。
现有利用光纤光栅对压力的测量主要是光纤布拉格光栅在压力负载条件下的谐振波长分裂，通过对x偏振光和y偏振光幅度谱中心波长的偏移量检测外在压力。这种方法在压力较小时，总幅度谱很难察觉到两种本征模中心波长的差别，检测较为困难。而一般基于偏振参量的测量方法主要是通过检测偏振参量谱在光栅阻带波长范围内的最大值，实时性较差。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种新颖的基于三个斯托克斯参量测量的、灵敏度和动态范围可调节的动态压力检测系统。
本实用新型的技术方案是：
一种基于光纤光栅斯托克斯参量的动态压力检测系统，它包括可调谐激光器、电动偏振控制器、传感光纤光栅、偏振检测模块、信号处理模块、反馈模块和显示单元，所述的可调谐激光器发出一定波长的激光送入电动偏振控制器，电动偏振控制器输出一定偏振态的光进入传感光纤光栅，在线偏振检测模块采集从传感光纤光栅中透射的光，在线偏振检测模块的信号输出端与信号处理模块的信号输入端相连，得到透射光偏振态的三个斯托克斯参量s1，s2和s3，信号处理模块的显示信号端与显示模块的信号输入端相连，同时信号处理模块的反馈信号输出端与反馈模块的信号输入端相连，反馈模块的信号输出端与电动偏振控制器的对应信号输入端相连，用于调整入射光偏振态。
本实用新型的可调谐激光器和电动偏振控制器之间串接光隔离器，所述的光隔离器用于隔离并减少传感光纤光栅和各光器件接头上的反射信号的影响。
本实用新型的传感光纤光栅的长度、折射率调制系数均可调，长度范围是5毫米到5厘米，折射率调制系数由光纤光栅制作过程的曝光时间确定。
本实用新型的有益效果：
本实用新型利用光纤光栅在外加压力作用下产生线双折射，导致透射光的三个斯托克斯参量发生变化，采用单波长源实现对动态压力大小的实时传感，同时灵敏度和动态范围均可进行调节，三个斯托克斯参量值之间性能可以互补。克服了传统的基于幅度谱波长偏移测量的光栅压力传感方法不适合小压力传感的缺点，以及基于光栅偏振参量最大值传感方法不适合于动态压力传感的缺点。
附图说明
图1-a是本实用新型提供的一种基于光纤光栅透射光斯托克斯参量的动态压力传感器结构图。
图1-b是波长点选择方案示意图。
图2是实例1中的第一，二、三斯托科斯参量(s1，s2和s3)与外加压力的关系曲线。压力范围[0-20N]。光栅参数：光栅周期Λ＝535nm，光纤纤芯折射率neff＝1.448，长度L＝10mm，折射率调制系数δn＝1×10-4，波长点位于透射谱阻带内，λ＝1549.3nm，入射光偏振态为45°的线偏振光。
图3是实例2中的第一，二、三斯托科斯参量变化量(Δs1，Δs2Δs3)与外加压力的关系曲线。光栅参数：光栅周期Λ＝535nm，光纤纤芯折射率neff＝1.448，长度L＝20mm，折射率调制系数δn＝1×10-4，可调谐激光器波长λ＝1549.3nm，入射线偏振光的起偏角分别为30°，45°和60°。
图4是实例3中第一，二、三斯托科斯参量(s1，s2和s3)随外在动态压力的实验变化曲线。光栅参数：长度L＝10mm，中心波长1550.06nm，最大插入损耗9dB。可调谐激光器波长λ＝1549.7nm。初始入射偏振态(0.541,0.244，0.822)。振动源振动周期4.5ms，频率约222Hz。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
如图1-a所示，一种基于光纤光栅斯托克斯参量的动态压力检测系统，它包括可调谐激光器、电动偏振控制器、传感光纤光栅、偏振检测模块、信号处理模块、反馈模块和显示单元，所述的可调谐激光器发出一定波长的激光送入电动偏振控制器，电动偏振控制器输出一定偏振态的光进入传感光纤光栅，在线偏振检测模块采集从传感光纤光栅中透射的光，在线偏振检测模块的信号输出端与信号处理模块的信号输入端相连，得到透射光偏振态的三个斯托克斯参量s1，s2和s3，信号处理模块的显示信号端与显示模块的信号输入端相连，同时信号处理模块的反馈信号输出端与反馈模块的信号输入端相连，反馈模块的信号输出端与电动偏振控制器的对应信号输入端相连，用于调整入射光偏振态。
具体检测步骤如下：
制作光纤光栅，测量其反射谱，在通带附近选择测量波长λp；
可调谐激光器1发出波长为λp的激光经过隔离器2进入电动偏振控制器3；
电动偏振控制器3连接传感光纤光栅4；
线偏振检测模块5和信号处理模块6中测量出的偏振态数据通过反馈模块7控制电动偏振控制器3，从而将入射光偏振态调整到目标态；
加载在传感光纤光栅4上的外在压力导致透射光的三个斯托科斯参量发生变化；
透射光输出进入在线偏振检测模块5，输出模拟电压信号；
信号处理模块6将模拟电压转换成三个斯托克斯参量，存储并显示在显示模块8上，实时监测压力大小。
【实例1】设计光栅参数：周期Λ＝535nm，光纤纤芯折射率neff＝1.448，长度L＝10mm，折射率调制系数δn＝1×10-4。通过反馈模块7调整电动偏振控制器3使入射光偏振态为45°的线偏振光。选择可调谐激光器波长λ＝1549.3nm。当传感光纤光栅4受到外在压力的影响，会使线双折射发生变化，从而导致透射光的三个斯托科斯参量发生变化。透射光经在线检偏模块5检测出偏振参量的变化，经过信号处理模块6，在显示模块8中显示三个斯托科斯参量数值，实时监测所受动态压力。在此例中，三个斯托科斯参量与外在压力的理论关系如图2所示，其中s1动态范围约为0-5N，灵敏度约为0.129/N。s2在2-8N之间有较好的线性，灵敏度约为0.227/N，在11-18N之间单调递增，灵敏度为约0.159/N。s3在0-3N之间线性灵敏度为0.225/N，在6-12N之间线性变化灵敏度约为0.187/N。
【实例2】设计光栅参数：周期Λ＝535nm，光纤纤芯折射率neff＝1.448，长度20mm，折射率调制系数δn＝1×10-4。调整电动偏振控制器3选择多个入射线偏振角度，分别为30°，45°和60°。在此例中，三个斯托科斯参量变化量在不同入射偏振态下与外在压力的理论关系如图3所示，三个斯托科斯参量的灵敏度、动态范围、线性度均随入射角的不同而变化。
【实例3】实际光栅参数：长度L＝10mm，中心波长1550.06nm，最大插入损耗9dB。可调谐激光器波长λ＝1549.7nm。初始入射偏振态(0.541,0.244，0.822)。在此例中，压在光栅上的振动源振动周期4.5ms，频率约222Hz。在此例中，监测到得三个斯托科斯参量随动态压力变化如图4所示，三个斯托克斯参量均对动态压力有较好响应。
本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (3)
1.一种基于光纤光栅斯托克斯参量的动态压力检测系统，其特征是它包括可调谐激光器(1)、电动偏振控制器(3)、传感光纤光栅(4)、偏振检测模块(5)、信号处理模块(6)、反馈模块(7)和显示单元(8)，所述的可调谐激光器(1)发出一定波长的激光送入电动偏振控制器(3)，电动偏振控制器(3)输出一定偏振态的光进入传感光纤光栅(4)，在线偏振检测模块(5)采集从传感光纤光栅(4)中透射的光，在线偏振检测模块(5)的信号输出端与信号处理模块(6)的信号输入端相连，得到透射光偏振态的三个斯托克斯参量s1，s2和s3，信号处理模块(6)的显示信号端与显示模块(8)的信号输入端相连，同时信号处理模块(6)的反馈信号输出端与反馈模块(7)的信号输入端相连，反馈模块(7)的信号输出端与电动偏振控制器(3)的对应信号输入端相连，用于调整入射光偏振态。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅斯托克斯参量的动态压力检测系统，其特征是可调谐激光器(1)和电动偏振控制器(3)之间串接光隔离器(2)，所述的光隔离器(2)用于隔离并减少传感光纤光栅(4)和各光器件接头上的反射信号的影响。
3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅斯托克斯参量的动态压力检测系统，其特征是传感光纤光栅(4)的长度、折射率调制系数均可调，长度范围是5毫米到5厘米，折射率调制系数由光纤光栅制作过程的曝光时间确定。
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| CN201620207898.4U CN205538041U (zh) | 2016-03-17 | 2016-03-17 | 一种基于光纤光栅斯托克斯参量的动态压力检测系统 |
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| CN105698986A (zh) * | 2016-03-17 | 2016-06-22 | 中国人民解放军理工大学 | 一种基于光纤光栅斯托克斯参量的动态压力检测系统以及方法 |
| CN106989852A (zh) * | 2017-04-11 | 2017-07-28 | 北京交通大学 | 一种测量应力方向的光纤传感器 |
| CN110836740A (zh) * | 2019-11-05 | 2020-02-25 | 南京理工大学 | 一种玻璃材料应力的在线实时测量系统及其测量方法 |
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