CN2172863Y - 高双折射光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于光纤传感器技术领域。本装置
由单色光源、聚焦元件、起偏器、高双折射元件、检偏
器、光探测器所组成。其特点是在高双折射元件出射
端设置分光元件，其中一光路设有检偏器，另一光路
设有1/4波片、检偏器，两路光分别经两光探测器
接收后同时送入一信号检测单元。本装置既能检测
被测量的变化，还能判断其变化方向。可用于储油
罐、煤气罐、化学反应罐内及其他液态、气态环境中的
温度测量。
Description
本实用新型属于物理量的测量及传感器技术领域。
利用高双折射材料作敏感元件可以构成对某些物理量探测的传感器，例如温度传感器、应力传感器等。其原理是利用高双折射材料两正交模的传播常数随外界因素（温度、应力等）变化而变化的特性，测量偏振光通过处于温度、应力、变化场中的高双折射材料后偏振态的变化即可计算出相应的温度变化或应力的变化值。
已报导的一种高双折射光纤传感器，其构成如图1所示，主要由一根高双折射光纤构成测温敏感元件1，还包括光源2发出的光经聚焦元件3聚焦后通过起偏器4变成偏振光耦合进入高双折射光纤1，出射后经检偏器5再由聚焦元件6聚焦后由光探测器7接收。该高双折射光纤传感器的不足之处是无法确定所测温度或应力变化的方向，只能测出其变化的数值，因此还不能满足实用的要求。
本实用新型的目的在于克服已有技术的不足之处，设计出一种新型高双折射温度／力传感器，使其不但能测出被测量的变化值，而且还能判断变化的方向。
本实用新型所述的高双折射温度／力传感器，由单色光源、聚焦元件、起偏器、高双折射元件、检偏器、光探测器所组成，其特征在于在高双折射元件的光束出射端设置一分光元件，将光束分成两路，其中一光路设置有检偏器，另一光路设置有1／4波片、检偏器，上述两路光分别经两个光探测器接收后同时送入一信号检测单元进行处理显示。
本实用新型的工作原理简述如下：单色光源发射出一束光经聚焦后通过起偏器变成偏振光，耦合进入高双折射元件，该双折射元件置于被测环境中，该光束从高双折射元件输出端射出，经分光元件分为二束光，其中一光路中设有1／4波片，使两光路之间产生一个90°的相位差。同时检测出两路光信号则不但可求出温度／力的变化值，而且根据一路光信号相位超前还是落后于另一路光信号，判断出温度或力的变化方向。
本实用新型所述的高双折射元件可采用高双折射晶体，或高双折射光纤，利用光纤的可挠性，可构成不同形状的传感头以测量不同空间范围的值。单色光源的光波长还应与高双折射元件的响应频率相匹配。单色光源最好采用激光光源，以提高效率。
本实用新型可用于储油罐、煤气罐及化学反应罐内大空间范围平均温度的测量也可应用于其他液态、气态局部环境中的温度测量。
附图简要说明：
图1为已有的高双折射光纤传感器结构原理图。
图2为本实用新型实施例光纤传感器结构原理图。
图3为本实用新型实施例光纤传感器结构原理图。
本实用新型提供两种实施例，具体描述如下：
实施例1为高双折射光纤温度传感器，其结构原理如图2所示。由激光器21发出的单色光经透镜220成平行光，平行光通过起偏器23后再经透镜221会聚到高双折射光纤24，该光纤置于被测温度环境中。从光纤射出的光经透镜222准直后，由1：1分束镜25分成两束，一束（测量光）通过检偏器261后经透镜223由光探测器271接收，另一束（参考光）通过1／4波
片28和检偏器262后经透镜224由光探器272接收。两路信号同时送到信号检测单元28进行处理显示。这些偏振元件的取向如下：起偏器23，检偏器261和高双折射光纤特征轴之间夹角为45°。检偏器261和262取向一致，1／4波片28和检偏器262之间取向为45°。
如果没有分束镜25，即采取单光路（由光纤输出的光通过检偏器261进入光探测器271），检测时，输出光强是由高双折射光纤产生的相位差
的周期变化函数，而且当起偏器23与检偏器261，高双折射光纤的特征轴之间严格成45°时，可得调制度最佳的信号，当高双折射光纤所处的环境温度改变时，由此产生的双折射相位差
也随之发生变化，记录光强变化的周期即可得知温度的变化值。但这时由于输出的光信号都是周期变化，无法区别温度变化的方向，即无法区别升温、降温。
若用本实施例双光路输出结构，在参考光路中插入一块1／4波长片。使两光路之间保持一固定相位差，则可以两光路（测量光路和参数光路）的相对相位变化，区别温度／力变化的方向。
本实施例测温时采用英国York公司HB600高双折光纤，光纤长约10米。光源用波长为0.63米的氦氖激光，测得灵敏度为0.081℃／周期，即输出光强每变化一个周期，相应于温度改变0.081℃，此值随温度场中光纤长度和光纤种类而变。当此高双折射光纤置于力场中时，则可根据输出光强的变化测量力的变化。
实施例2为双折射式光纤温度传感器：采用双折射晶体作为测温元件，用光纤作为传输元件，其余部分（光源和双光路光检测部分）与实施例1（高双折射光纤温度传感器）相同。具体结构如图3。由激光器31发出的单色光经透镜321成平行光，平行光通过起偏器331后再经透镜322会聚到输入光纤341，经过光纤341的光送入由透镜323，324及一块测温元件35（双折射晶片）组成的测温探头，其中由透镜323变成平行光，通过测温元件－－双折射晶片35后，再由透镜324聚入输出光纤342，从光纤342输出的偏振光，经透镜325变成平行光后由分束镜36分成两束，一束测量光经检偏器332、透镜326入射到光探测器371，另一路经1／4波片333和检偏器334、透镜327入射到光探测器372，双路信号同时送到信号检测单元38进行处理显示。这些偏振元件的取向如下：起偏器331、检偏器332和双折射的晶片特征轴之间夹角为45°，检偏器332和334取向一致，1／4波片333和检偏器334之间取向为45°。为使传输过程中偏振态保持不变，输入和输出光纤341、342需用保偏光纤（即高双折射光纤，其中输入光纤341特征方向的取向和起偏器331相同，输出光纤342的特征方向的取向和检偏器332相同。加入有1／4波长片的参考光路后，此温度传感器则有区别温度变化方向的功能，原理同实施例1。
本实施例采用石英晶片为测温双折射晶片，光源用波长为0.6328微米的氦氖激光。晶片厚为20.0mm时，测得灵敏度为36℃／周期，即输出光强每变化一个周期，相应于温度改变36℃。此值随温度场中晶片厚度和晶片种类而变。
实施例1适用于对较大范围内的平均温度／力的测量，实施例2适用于对较小区域的温度测量。
Claims (3)
1、一种高双折射温度/力传感器，由单色光源、聚焦元件、起偏器、高双折射元件、检偏器、光探测器所组成，其特征在于在高双折射元件的光束出射端设置一分光元件，将光束分成两路，其中一光路设置有检偏器，另一光路设置有1/4波片、检偏器，上述两路光分别经两个光探测器接收后同时送入一信号检测单元进行处理显示。
2、如权利要求1所述的传感器，其特征在于所说的高双折射元件为高双折射光纤。
3、如权利要求1所述的传感器，其特征在于所说的高双折射元件为高双折射晶体。
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