專利名稱：一種基于光纖光柵反射光偏振參量的實時壓力傳感方法
技術領域：
本發明是一種利用光纖光柵反射光的偏振參量對壓力進行實時監測的光纖傳感設備。
背景技術：
當光纖受到外界環境(溫度、應力、磁場、壓力等)影響時，光纖中傳輸光的強度、相位、頻率、偏振態等參量會相應的發生變化。通過檢測傳輸光的這些參量便可獲知相應物理量的變化，這種技術稱為光纖傳感技術。光纖光柵作為一種成熟的全光纖器件，由于其本身具有的體積小，插入損耗低，易于與其他光纖器件集成等特點，在光纖通信和光纖傳感領域中有著非常重要的應用，目前多數是利用波長偏移量進行溫度傳感和應力傳感。其測量原理主要是利用外界參量變化引起的光纖光柵的折射率或光柵周期的變化從而導致布拉格波長發生偏移，通過測量偏移量達到傳感的目的。現有利用光纖光柵對壓力的測量主要是光纖布拉格光柵在壓力負載條件下的諧振波長分裂，通過對X偏振光和y偏振光幅度譜中心波長的偏移量檢測外在壓力。這種方法在壓力較小時，總幅度譜很難察覺到兩種本征模中心波長的差別，檢測較為困難。

發明內容
技術問題本發明的目的是提供一種新穎的基于偏振參量測量的、靈敏度和動態范圍可調節的基于光纖光柵反射光偏振參量的實時壓力傳感方法。技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種基于光纖光柵反射光偏振參量的實時壓力傳感方法；該實時壓力傳感方法基于一個實時壓力傳感器，該實時壓力傳感器包括可調諧激光器、光隔離器、在線起偏器、偏振控制器a、環形器、傳感用光纖光柵、偏振控制器b、偏振檢測模塊、模/數轉換模塊、信號處理和顯示單元；可調諧激光器發出的激光經過光隔離器進入在線起偏器，輸出的線偏振光經可旋轉光纖連接端口和偏振控制器a后進入環形器第一端口，第二端口連接傳感光纖光柵，從光纖光柵中反射的光從第三端口輸出經偏振控制器b進入在線偏振檢測模塊，從檢測模塊輸出四路包含偏振信息的模擬電壓信號V1, V2, V3, V4，經過模/數轉換模塊將四路模擬電壓信號轉換成數字信號，進入信號處理和顯示模塊，經過信號處理從模擬電壓信號V1, V2, V3, V4中得到反射光偏振態的四個斯托克斯參量Stl, S1, S2, S3以及其它偏振相關參量，通過實時監測歸一化第一斯托克斯參量數值S1=S1/
S。，對傳感光纖光柵上所受壓力進行傳感；加載在光纖光柵上的壓力導致反射光信號的歸一化第一斯托克斯參量數值隨外加壓力大小發生變化；通過在線偏振檢測模塊檢測歸一化第一斯托克斯參量即可對外加壓力進行實時監測。所述的光隔離器用來隔離并減少光纖光柵和各光器件接頭上的反射信號的影響。采用偏振控制器a和偏振控制器b來調節和補償光路中普通單模光纖引入的相位差。旋轉光纖連接端口的相對位置，用來調節在線起偏器輸出的線偏振光的入射角度，從而帶來不同的靈敏度、動態范圍和線性度。采用固定波長點實現實時監測；可調諧激光器發出的激光波長位于光纖光柵中心波長兩邊的通帶內，不同波長點的選擇帶來不同靈敏度、動態范圍和線性度。所述的光纖光柵，改變其長度、折射率調制系數，用以調節壓力測量的靈敏度和動態范圍。選取合適的光纖光柵物理參量、可調諧激光器的波長或者調節在線起偏器輸出的線偏振光的角度，可以使反射光歸一化第一斯托克斯參量值和外加壓力之間具有良好的線性關系，并且靈敏度和動態范圍均可進行調節。 有益效果本發明利用光纖光柵在外加壓力作用下產生線雙折射，導致反射光的斯托克斯參量發生變化，采用單波長源實現對壓力大小的實時傳感，同時靈敏度和動態范圍均可進行調節。克服了傳統的基于幅度譜波長偏移測量的光柵壓力傳感方法不適合小壓力傳感的缺點。


圖I是本發明提供的一種基于光纖光柵反射光偏振參量的實時壓力傳感器結構圖。圖2是實例I中的第一斯托科斯參量變化量(As1)與外加壓力的關系曲線。光柵參數光柵周期A=535nm，光纖纖芯折射率neff=l. 448，長度L=IOmm,折射率調制系數6 n=l X 10_4，可調諧激光器波長入p=1549. 54nm,入射起偏角45°。圖3是實例2中的第一斯托科斯參量變化量(As1)與外加壓力的關系曲線。光柵參數光柵周期A =535nm，光纖纖芯折射率neff=l 448，長度L=5mm，折射率調制系數Sn=O. 5 X 10_4，可調諧激光器波長Ap=1549.45nm，入射起偏角45°。
具體實施例方式本發明的基于光纖光柵反射光偏振參量的實時壓力傳感方法基于一個實時壓力傳感器，該實時壓力傳感器包括可調諧激光器I、光隔離器2、在線起偏器3、偏振控制器a4、環形器5、傳感用光纖光柵6、偏振控制器b7、偏振檢測模塊8、模/數轉換模塊9、信號處理和顯示單元10 ;可調諧激光器I發出的激光經過光隔離器2進入在線起偏器3，輸出的線偏振光經可旋轉光纖連接端口 A、B和偏振控制器a4后進入環形器5第一端口①，第二端口②連接傳感光纖光柵6,從光纖光柵6中反射的光從第三端口③輸出經偏振控制器b7進入在線偏振檢測模塊8，從檢測模塊輸出四路包含偏振信息的模擬電壓信號V1, V2, V3, V4,經過模/數轉換模塊9將四路模擬電壓信號轉換成數字信號，進入信號處理和顯示模塊10，經過信號處理從模擬電壓信號V1, V2, V3, V4中得到反射光偏振態的四個斯托克斯參量Stl, S1, S2, S3以及其它偏振相關參量，通過實時監測歸一化第一斯托克斯參量數值S1=S1ZX，對傳感光纖光柵上所受壓力進行傳感；加載在光纖光柵6上的壓力導致反射光信號的歸一化第一斯托克斯參量數值隨外加壓力大小發生變化；通過在線偏振檢測模塊8檢測歸一化第一斯托克斯參量即可對外加壓力進行實時監測。基于光纖光柵反射光偏振參量的實時壓力傳感器結構圖如圖I所不，其對壓力進行測量的具體實施步驟如下所示I)制作光纖光柵，測量其反射譜，在通帶范圍內選擇測量波長Ap ;2)可調諧激光器I發出波長為\ p的激光經過光隔離器2進入在線起偏器3 ；3)輸出的線偏振光經偏振控制器a4后進入環形器5第一端口①，環形器第二端口②連接傳感光纖光柵6 ；4)調整偏振控制器a4和偏振控制器b7用于調節和補償光路中普通單模光纖引入的相位差；
5)旋轉光纖連接端口 A和B的相對位置調節入射線偏振光的起偏角度；6)加載在傳感光纖光柵6上的外在壓力導致反射光的斯托科斯參量發生變化；7)反射光從環形器5的第三端口③輸出經偏振控制器b7進入在線偏振檢測模塊8，輸出模擬電壓信號；8)模/數轉換模塊9將模擬電壓信號轉換成數字信號，進入信號處理和顯示模塊10，得到反射光偏振態的斯托克斯參量。實例I設計光柵參數周期A=535nm,光纖纖芯折射率neff=l. 448,長度L=IOmm,折射率調制系數Sn=IXlO'調節偏振控制器a4和偏振控制器b7進行相位補償。旋轉光纖連接端口 A和B的相對位置使入射線偏振光起偏角度為45°。選擇可調諧激光器波長Ap=1549. 54nm。當傳感光纖光柵6受到外在壓力的影響,會使線雙折射發生變化,從而導致反射光的第一斯托科斯參量發生變化。反射光經線偏振檢測模塊8檢測出偏振參量的變化，經過模/數轉換模塊9,在信號處理和顯不模塊10中實時顯不歸一化第一斯托科斯參量數值，實時監測所受壓力的大小。在此例中，歸一化第一斯托科斯參量變化量As1與外在壓力的理論關系如圖2所示，其中動態范圍約為6N，靈敏度約為0. 1667/N。實例2設計光柵參數周期A=535nm,光纖纖芯折射率neff=l. 448，長度L=5mm，折射率調制系數Sn=0.5Xl(T4。調節偏振控制器a4和偏振控制器b7進行相位補償。旋轉光纖連接端口 A和B的相對位置使入射線偏振光起偏角度為45°。選擇可調諧激光器波長Ap=1549. 45nm。在此例中，歸一化第一斯托科斯參量變化量A S1與外在壓力的理論關系如圖3所示，此例中動態范圍約為15N，靈敏度約為0. 0667/N。
權利要求
1.一種基于光纖光柵反射光偏振參量的實時壓力傳感方法，其特征是該實時壓力傳感方法基于一個實時壓力傳感器，該實時壓力傳感器包括可調諧激光器(I)、光隔離器(2)、在線起偏器(3)、偏振控制器a (4)、環形器(5)、傳感用光纖光柵(6)、偏振控制器b (7)、偏振檢測模塊(8)、模/數轉換模塊(9)、信號處理和顯示單元(10);可調諧激光器(I)發出的激光經過光隔離器(2)進入在線起偏器(3)，輸出的線偏振光經可旋轉光纖連接端口(A、B)和偏振控制器a (4 )后進入環形器(5 )第一端口(①)，第二端口(②)連接傳感光纖光柵(6 )，從光纖光柵(6)中反射的光從第三端口(③)輸出經偏振控制器b (7)進入在線偏振檢測模塊(8)，從檢測模塊輸出四路包含偏振信息的模擬電壓信號V1, V2, V3, V4,經過模/數轉換模塊(9)將四路模擬電壓信號轉換成數字信號，進入信號處理和顯示模塊(10)，經過信號處理從模擬電壓信號V1, V2, V3, V4中得到反射光偏振態的四個斯托克斯參量Stl, S1, S2, S3以及其它偏振相關參量，通過實時監測歸一化第一斯托克斯參量數值S1=S1Z^，對傳感光纖光柵上所受壓力進行傳感； 加載在光纖光柵(6)上的壓力導致反射光信號的歸一化第一斯托克斯參量數值隨外加壓力大小發生變化；通過在線偏振檢測模塊(8)檢測歸一化第一斯托克斯參量即可對外加壓力進行實時監測。
2.根據權利要求I所述的基于光纖光柵反射光偏振參量的實時壓力傳感方法，其特征在于所述的光隔離器(2)用來隔離并減少光纖光柵和各光器件接頭上的反射信號的影響。
3.根據權利要求I所述的基于光纖光柵反射光偏振參量的實時壓力傳感方法，其特征在于采用偏振控制器a (4)和偏振控制器b (7)來調節和補償光路中普通單模光纖引入的相位差。
4.根據權利要求I所述的基于光纖光柵反射光偏振參量的實時壓力傳感方法，其特征在于旋轉光纖連接端口(A、B)的相對位置，用來調節在線起偏器(3)輸出的線偏振光的入射角度，從而帶來不同的靈敏度、動態范圍和線性度。
5.根據權利要求I所述的基于光纖光柵反射光偏振參量的實時壓力傳感方法，其特征在于采用固定波長點實現實時監測；可調諧激光器(I)發出的激光波長位于光纖光柵(6)中心波長兩邊的通帶內，不同波長點的選擇帶來不同靈敏度、動態范圍和線性度。
6.根據權利要求I所述的基于光纖光柵反射光偏振參量的實時壓力傳感方法，其特征在于所述的光纖光柵(6)，改變其長度、折射率調制系數，用以調節壓力測量的靈敏度和動態范圍。
全文摘要
本發明是一種光柵反射光偏振參量的實時壓力傳感方法，可調諧激光器(1)發出的激光順序經隔離器(2)、在線起偏器(3)、可旋轉光纖連接端口(A、B)和偏振控制器a(4)后進入環形器(5)第一端口(①)，第二端口(②)連接傳感光纖光柵(6)，從光纖光柵(6)中反射的光從第三端口(③)輸出經偏振控制器b(7)進入在線偏振檢測模塊(8)，輸出四路包含偏振信息的模擬電壓信號V1,V2,V3,V4，經過模/數轉換模塊(9)將四路模擬電壓信號轉換成數字信號，進入信號處理和顯示模塊(10)，得到反射光偏振態的四個斯托克斯參量S0，S1,S2,S3以及其它偏振相關參量，通過實時監測歸一化第一斯托克斯參量s1=S1/S0數值對傳感光纖光柵上所受壓力進行傳感。
文檔編號G01L1/24GK102706494SQ20121018485
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月6日 優先權日2012年6月6日
發明者葉振興, 彭暉, 朱勇, 蘇洋 申請人:中國人民解放軍理工大學