CN102012280B - 基于PCF-LPG差分解调的HiBi-FLM温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于PCF-LPG差分解调的HiBi-FLM温度传感器。本发明中3dB耦合器一边的两个端口分别与宽带光源、PCF-LPG的一端光连接，3dB耦合器另一边的两个端口分别与熊猫保偏光纤一端、偏振控制器的一端光连接，熊猫保偏光纤另一端与偏振控制器的另一端光连接；PCF-LPG的另一端与分光计输入端光连接，分光计的两个输出端分别与两个带宽相同而中心波长不同的滤光片的一端光连接，其中一个滤光片的中心波长在PCF-LPG透射谱的负线性区内，且中心波长小于HiBi-FLM谐振峰的波长，另一个滤光片的中心波长在PCF-LPG的正线性区内，且中心波长大于HiBi-FLM谐振峰的波长；两个滤光片的另一端与光电转换器及信号处理单元光连接。3dB耦合器、偏振控制器和熊猫保偏光纤构成HiBi-FLM，HiBi-FLM是传感元；PCF-LPG、分光计、滤光片、光电转换器及信号处理单元构成HiBi-FLM传感器的解调器。本发明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
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于光子晶体光纤长周期光栅(long-period grating written in a photonic crystal fiber，PCF-LPG)差分解调的高双折射光纤环镜(fiber loop mirrors made of highlybirefringent fiber，HiBi-FLM)温度传感器。
背景技术
在科研和生产中，温度测量是一个重要问题。传统的温度传感器包括热电偶，热电阻温度传感器，热敏电阻温度传感器，半导体温度传感器等等。基于光纤的温度传感器是一种新型传感器。与传统的温度传感器相比，它具有体积小，质量轻，易弯曲，抗电磁干扰，安全等优点，特别适用于易燃，易爆，空间狭小和具有腐蚀性，射线性污染等苛刻环境下的温度检测。
光纤传感器通常可以通过检测光的强度、相位、极化、波长等的改变来检测待测量。但有些如波长、极化等参量不易检测，所以有时要在传感系统内引入解调器，把它们转化为易检测量。虽然光纤传感解调方法较多，但精度高的解调单元仍是当今设计的难点。其中需要考虑的一个重要问题是如何减少光源抖动及传感系统各种不稳定因素所带来的干扰，提高系统精度，减少测量误差。
HiBi-FLM传感器是近年来发展的一类新型光纤传感器，由于HiBi-FLM传感器具有较高的灵敏度，如基于HiBi-FLM的温度传感器灵敏度可高达0.94nm/℃，因此这类传感器在高灵敏度检测和传感方面有巨大的应用潜力。然而，目前发展的大部分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传感器同样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
本发明目的就是为了克服现有技术中HiBi-FLM传感器解调单元精度不高的问题，提供了一种基于PCF-LPG差分解调的HiBi-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。
本发明为解决技术问题所采取的技术方案：
基于PCF-LPG差分解调的HiBi-FLM温度传感器，包括宽带光源、3dB耦合器、偏振控制器(PC)、熊猫保偏光纤、PCF-LPG、分光计、光电转换器及信号处理单元、滤光片。
3dB耦合器一边的两个端口分别与宽带光源、PCF-LPG的一端光连接，3dB耦合器另一边的两个端口分别与熊猫保偏光纤一端、偏振控制器的一端光连接，偏振控制器的另一端与熊猫保偏光纤的另一端光连接；PCF-LPG的另一端与分光比为50∶50的分光计输入端光连接，分光计的两个输出端分别与两个带宽相同而中心波长不同的滤光片的一端光连接，其中一个滤光片的中心波长在PCF-LPG透射谱的负线性区内，且中心波长小于HiBi-FLM谐振峰的波长，另一个滤光片的中心波长在PCF-LPG的正线性区内，且中心波长大于HiBi-FLM谐振峰的波长；两个滤光片的另一端分别与光电转换及信号处理单元光连接。3dB耦合器、偏振控制器和熊猫保偏光纤构成HiBi-FLM，HiBi-FLM是传感元；PCF-LPG、分光计、滤光片、光电转换器及信号处理单元构成光纤传感器的解调器。
本发明所具有的有益效果为：
1.以HiBi-FLM作传感头，大大提高了传感器的灵敏度。
2.PCF-LPG具有温度不敏感性，可提供稳定的强度解调。PCF-LPG同时提供两个用于差分处理的光强度信号，PCF-LPG的透射谱具有正负相反的两个线性区，这两个线性区可以同时将HiBi-FLM因温度变化而引起的两个相邻谐振波长的变化有效地转化为光强度变化，并且两波长处光强度的变化趋势相反，这有利于成倍提高传感系统的灵敏度。
3.采用50∶50的分光计和带宽相同而中心波长分别落在PCF-LPG正负线性区域的两个滤光片可以将PCF-LPG提供的两个用于差分的光强度信号有效地分开。
4.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。由于PCF-LPG提供的两个强度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。
5.本发明中解调系统的使用，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为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
如图1所示，基于PCF-LPG差分解调的HiBi-FLM温度传感器，包括宽带光源1、3dB耦合器2、偏振控制器3(PC)、熊猫保偏光纤4、HiBiFLM 5、PCF-LPG 6、分光计7、滤光片8、滤光片9、光电转换及信号处理单元10。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PCF-LPG 6一端光连接，PCF-LPG 6另一端与分光计7输入端光连接，3dB耦合器2另一边的一个端口与熊猫保偏光纤4一端光连接，3dB耦合器2另一边的另一个端口与偏振控制器3一端口光连接，偏振控制器3另一端口与熊猫保偏光纤4另一端光连接，分光比为50∶50的分光计7的两个输出端与滤光片8和滤光片9的一端光连接，滤光片8和滤光片9的另一端与光电转换及信号处理单元10光连接；3dB耦合器2、偏振控制器3和熊猫保偏光纤4构成HiBi-FLM 5。
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-FLM，经过传感元HiBi-FLM的作用，传感元HiBi-FLM的透射光经PCF-LPG入射到分光计，从分光计出射的光经不同中心波长但带宽相同的滤光片后进入光电转换及信号处理单元。温度增加或减小会引起传感元HiBi-FLM透射谱左右移动。通过选择合适长度的熊猫保偏光纤并调节PC的状态，使HiBi-FLM两个相邻透射峰分别落在PCF-LPG透射谱正负斜率线性区域内。由于PCF-LPG为不同波长的光信号提供了不同的透射率，在PCF-LPG的正斜率线性区，经PCF-LPG透射的光强度随入射光信号的波长增长而增大，在PCF-LPG的负斜率线性区，经PCF-LPG透射的光强度随入射光信号的波长增长而减小，因此入射光信号的波长变化可以有效地转化为光强度的变化。同时，PCF-LPG具有良好的温度稳定性，因此它所提供的波长信息到光强度信息的转化关系非常的稳定，即稳定的强度解调。采用50∶50的分光计和两个中心波长不同而带宽相同的滤光片可以对PCF-LPG正负线性区的光强同时监测而互不影响。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仅与温度信号有关，而与噪声信号无关，该装置正是通过ΔV来反映传感元HiBi-FLM温度的变化。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0.7％，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.PCF-LPG的温度不敏感性、宽谱滤波特性和具有正负相反的线性区域，可以稳定的将HiBi-FLM因温度变化而引起的两个相邻谐振波长的变化有效地转化为光强度变化，并且光强度的变化趋势相反，在此基础上进行信号差分处理，不仅实现了强度解调而且有效地消除了各种噪声干扰、成倍地提高了传感系统的灵敏度。
2.HiBi-FLM的两相邻透射峰必须分别在PCF-LPG的正负线性区内。
3.滤光片8的中心波长在PCF-LPG的负线性区内，且中心波长小于HiBi-FLM谐振峰的波长；滤光片9的中心波长在PCF-LPG的正线性区内，且中心波长大于HiBi-FLM谐振峰的波长。
4.采用50∶50的分光计。
5.在信号处理单元引入差分运算ΔV＝(V1-V2)/(V1+V2)。
本实施例中熊猫保偏光纤的长度为30.5cm，波长为1550nm，折射率差为6.24×10-4；PCF模场直径6.4μm，空气孔直径3.55μm，孔间距7.78μm，包层直径125μm，PCF总长5cm。PCF-LPG的栅格周期为467μm，周期数为40。滤光片8的中心波长为1545.44nm，3dB带宽6.66nm。滤光片9的中心波长为1560.77nm，3dB带宽6.66nm。
Claims (1)
1.基于PCF-LPG差分算法解调的HiBi-FLM温度传感器，包括宽带光源、3dB耦合器、偏振控制器(PC)、熊猫保偏光纤、PCF-LPG、分光计、光电转换器及信号处理单元和滤光片，其特征在于：
3dB耦合器一边的两个端口分别与宽带光源、PCF-LPG的一端光连接，3dB耦合器另一边的两个端口分别与熊猫保偏光纤一端、偏振控制器的一端光连接，偏振控制器的另一端与熊猫保偏光纤的另一端光连接；PCF-LPG的另一端与分光比为50∶50的分光计输入端光连接，分光计的两个输出端分别与两个带宽相同而中心波长不同的滤光片的一端光连接，其中一个滤光片的中心波长在PCF-LPG透射谱的负线性区内，且中心波长小于HiBi-FLM谐振峰的波长，另一个滤光片的中心波长在PCF-LPG的正线性区内，且中心波长大于HiBi-FLM谐振峰的波长；两个滤光片的另一端分别与光电转换器及信号处理单元光连接；3dB耦合器、偏振控制器和熊猫保偏光纤构成HiBi-FLM，HiBi-FLM是传感元；PCF-LPG、分光计、滤光片、光电转换及信号处理单元构成光纤传感器的解调器。
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