CN108240827A - 一种基于拉锥保偏光纤光栅光电振荡器的多参量测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于拉锥保偏光纤光栅光电振荡器的多参量测量装置包括如下依次连接的器件：激光器、第一偏振控制器、相位调制器、光纤、第二偏振控制器、环形器、光电探测器、电放大器、耦合器、信号采集及处理单元，其中激光器光源发出的激光信号通过第一偏振控制器进入相位调制器，从相位调制器输出的信号进入光纤中传输，在光纤的输出端连接第二偏振控制器，从第二偏振控制器输出的信号进入环形器1#端口，设有拉锥保偏光纤光栅传感器，环形器2#端口输出的信号进入拉锥保偏光纤光栅传感器，拉锥保偏光纤光栅传感器将会反射部分信号，被反射的信号经环形器2#端口进入环形器，从环形器3#端口输出的信号进入光电探测器。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电振荡器的应变和温度测量装置及方法，具体涉及一种基于拉锥保偏光纤光栅光电振荡器的多参量测量装置及方法
背景技术
与传统的传感技术相比，光纤传感器由于具有传输损耗低、结构紧凑、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、制备工艺简单等优点，特别是频带宽、信息容量大、传输损耗低可以实现长距离和分布式测量，近年来备受研究人员的高度重视。目前，微波技术与光子技术交叉融合出现了微波光子学，该方向充分发挥了光子和微波技术的优点，成为近年来一个新的研究方向。微波技术具有高分辨率、响应速度快、集成化等特点，将光信号参量转换为微波信号，利用数字信号处理技术可以获得高精度快速的光信号参数。因此，微波光子技术在光信号检测和光纤传感解调方面具有潜在的技术优势，有望解决当前光纤传感技术面临的难题。基于微波光子的光纤传感器技术的基本工作原理是利用光纤传感单元将被测物理量变化转换为光信号参量变化，然后经过光纤传输后利用微波光子技术和光电变换技术进一步将微波光子信号转换至微波信号进行检测。如2013年，李明等研究人员提出了基于光电振荡器的相移光纤布拉格光栅应变传感系统，申请号为CN201310300760.X，通过提高微波功率放大器、相位调制器、光电探测器以及相移布拉格光纤光栅的带宽，可以使得其测量范围达到几十吉赫兹，克服了分辨率与测量范围之间的相互制约。2015年，祝艳宏等研究人员提出了一种基于光电振荡器的振动传感装置，申请号CN201510277508.0，本发明采用光纤马赫增德尔调制器的一臂作为传感头，能够提高振动信号检测的灵敏度，提高检测精度。2017年，王目光等研究人员申请了发明专利基于光电振荡器的角速度测量方法和装置，申请号为CN201710383422.5，该发明通过将Sagnac环嵌入到光电振荡器中，将角速度导致的Sagnac环的相位变化映射到光电振荡器的振荡频率变化，结合光电振荡器产生高质量微波信号和高分辨率微波测量的优势，大大提高了角速度测量的灵敏度和分辨率。因此，将微波光子技术引入到光纤传感领域，大大提升现有光纤传感系统的性能，拓展光纤传感技术的应用空间。但是，目前报道的研究成果并没有利用光电振荡器的高精度等性能的优点实现多参量的同时检测。
发明内容
本发明目的在于，提供一种基于拉锥保偏光纤光栅光电振荡器的多参量测量装置及方法，不仅能够准确获得待测物体的应变和温度的多参量信息，而且能够实现快速高精度的测量要求，且具有结构简单，易于实现等优点。
为了达到上述目的，本发明技术方案是，一种基于拉锥保偏光纤光栅光电振荡器的多参量测量装置，包括如下依次连接的器件：激光器、第一偏振控制器、相位调制器、光纤、第二偏振控制器、环形器、光电探测器、电放大器、耦合器、信号采集及处理单元，其中激光器发出的激光信号通过第一偏振控制器进入相位调制器，从相位调制器输出的信号进入光纤中传输，在光纤的输出端连接第二偏振控制器，从第二偏振控制器输出的信号进入环形器1#端口，设有拉锥保偏光纤光栅传感器，环形器2#端口输出的信号进入拉锥保偏光纤光栅传感器，拉锥保偏光纤光栅传感器将会反射部分信号，被反射的信号经环形器2#端口进入环形器，从环形器3#端口输出的信号进入光电探测器，光电探测器将输出的信号转换成电信号，电信号经电放大器放大后进入耦合器，耦合器将放大的电信号分成两束信号，第一束信号驱动相位调制器，第二束信号经信号采集及处理单元进行处理获得拉锥保偏光纤光栅传感器上的测量信息。
利用耐高温粘合剂把拉锥保偏光纤光栅传感器(207)粘贴在被测物体上，拉锥保偏光纤光栅传感器(207)的工作原理与普通FBG基本相同，但是外界应变和温度物理量的变化会改变拉锥保偏光纤光栅x轴和y轴偏振方向上反射谱中心波长，且两个方向上波长变化量不相同，同时测量x轴和y轴偏振方向上反射谱的中心波长变化，就可以计算出应变和温度信息，实现多参量传感，由于是拉锥光纤光栅，相比于普通光纤光栅可以大大提高测量精度。
进一步，其中上述所述激光器为可调谐激光器，所述光纤为普通单模光纤、色散位移光纤中的一种。尤其是所述光纤(204)为长度为1.0km的普通单模光纤，光纤(204)的输出端连接第二偏振控制器(205)；拉锥保偏光纤光栅传感器(207)的是利用保偏光纤拉制成直径为6.2μm的微纳光纤，刻制20个周期的光纤光栅，总的长度为6cm。
光电探测器(208)为50GHz的Finisar XPDV21x0RA，响应波长为1528～1564nm，光电探测器(208)把输出的信号转换成电信号，电信号经电放大器(209)放大后进入耦合器(210)，耦合器(210)将放大的电信号分成两路信号，一路电信号驱动相位调制器(202)，另一路电信号经信号采集及处理单元(211)进行处理获得拉锥保偏光纤光栅传感器(207)上的测量信息。
首先利用事先定标的方法标定出应变和温度分别与输出微波信号的频率关系，测量的应变与输出微波信号的关系如图4所示，从图中可以看出，微波信号的频率变化和应变的变化呈现线性关系，斜率约为10MHz/με，测量的温度与输出微波信号的关系如图5所示，微波信号的频率变化和温度的变化呈现线性关系，斜率约为9.4MHz/℃。
进一步，其中所述光电探测器是平衡探测器，所述拉锥保偏光纤光栅传感器为一个拉锥保偏光纤光栅传感器，也可以是多个拉锥保偏光纤光栅传感器，拉锥保偏光纤光栅传感器利用表面粘贴或内部埋入的方法安装到被测物体的待测点。
为达上述目的，一种基于拉锥保偏光纤光栅光电振荡器的多参量测量方法，包括下列步骤：
将激光器发出的激光信号通过相位调制器调制成多频信号，多频信号经光纤和第二偏振控制器后进入环形器1#端口，多频信号经环形器2#端口输出后进入拉锥保偏光纤光栅传感器。光电振荡器输出信号的中心频率为ωm＝|ω0-ωg|，ω0为激光信号中心频率，ωg为拉锥保偏光纤光栅传感器的中心频率，拉锥保偏光纤光栅传感器的中心频率随外界参量变化而发生漂移，光电振荡器输出的中心频率也随之漂移，从而建立被测参量-光域频率-光电振荡器输出信号频率的映射关系，由于使用的是拉锥保偏光纤光栅传感器作为传感单元，其不同偏振方向对应变和温度的灵敏度不同，因此，可以实现应变和温度的同时测量；
将耦合器输出的信号分成第一束信号和第二束光信号；将第一束信号连接到相位调制器的电输入端，作为相位调制器的驱动信号；将第二束信号连接到信号采集及处理单元，通过信号采集及处理单元进行比较处理并显示，得出拉锥保偏光纤光栅传感器上测量的应变和温度信息。
本发明的有益效果是：本发明利用拉锥保偏光纤光栅传感器在两个偏振方向对应变和温度的灵敏度不同，实现应变和温度的同时测量，监测系统结构简单、结果精确度高，仪器稳定性好。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意框图；
图2为本发明的相位调制器输出的多频信号示意图。
图3为本发明的拉锥保偏光纤光栅传感器的结构示意图。
图4为本发明的被测物体所受的应变与输出微波信号之间的关系图。
图5为本发明的被测物体所受的温度与输出微波信号之间的关系图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
为了更了解本发明的技术内容，特举实施例并配合所附图式说明如下。
激光器(201)(Agilent lightwave measurement system 8164B)发出功率为5dBm的激光信号通过第一偏振控制器(202)进入相位调制器(203)(Photoline)，经过相位调制器(203)调制以后，信号产生了多频信号，如图2所示，从相位调制器(203)输出的信号进入光纤(204)(长度为1.0km的普通单模光纤)中传输，光纤(204)的输出端连接第二偏振控制器(205)，从第二偏振控制器(205)输出的信号进入环形器(206)1#端口，由环形器(206)2#端口输出的信号进入拉锥保偏光纤光栅传感器(207)，拉锥保偏光纤光栅传感器(207)的是利用保偏光纤拉制成直径为6.2μm的微纳光纤，刻制20个周期的光纤光栅，总的长度为6cm，其结构如图3所示，利用耐高温粘合剂把拉锥保偏光纤光栅传感器(207)粘贴在被测物体上，拉锥保偏光纤光栅传感器(207)的工作原理与普通FBG基本相同，但是外界物理量的变化会改变拉锥保偏光纤光栅x轴和y轴偏振方向上反射谱中心波长，且两个方向上波长变化量不相同，同时测量x轴和y轴偏振方向上反射谱的中心波长变化，就可以计算出应变和温度信息，实现多参量传感，由于是拉锥光纤光栅，相比于普通光纤光栅可以大大提高测量精度。被拉锥保偏光纤光栅传感器(207)反射的信号经环形器(206)2#端口进入环形器(206)，从环形器(206)3#端口输出的信号进入光电探测器(208)，光电探测器(208)为50GHz的Finisar XPDV21x0RA，响应波长为1528～1564nm，光电探测器(208)把输出的信号转换成电信号，电信号经电放大器(209)放大后进入耦合器(210)，耦合器(210)将放大的电信号分成两路信号，一路电信号驱动相位调制器(202)，另一路电信号经信号采集及处理单元(211)进行处理获得拉锥保偏光纤光栅传感器(207)上的测量信息。首先利用事先定标的方法标定出应变和温度分别与输出微波信号的频率关系，测量的应变与输出微波信号的关系如图4所示，从图中可以看出，微波信号的频率变化和应变的变化呈现线性关系，斜率约为10MHz/με，测量的温度与输出微波信号的关系如图5所示，微波信号的频率变化和温度的变化呈现线性关系，斜率约为9.4MHz/℃。
综上所述，本发明利用拉锥保偏光纤光栅传感器不同偏振方向对应变和温度的灵敏度不同，各个偏振方向上中心频率随外界参量变化而发生漂移，光电振荡器输出的中心频率也随之漂移，从而建立被测参量-光域频率-光电振荡器输出信号频率的映射关系，因此，实现了应变和温度的同时测量；
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (7)
1.一种基于拉锥保偏光纤光栅光电振荡器的多参量测量装置，其特征是包括如下依次连接的器件：激光器、第一偏振控制器、相位调制器、光纤、第二偏振控制器、环形器、光电探测器、电放大器、耦合器、信号采集及处理单元，其中激光器发出的激光信号通过第一偏振控制器进入相位调制器，从相位调制器输出的信号进入光纤中传输，在光纤的输出端连接第二偏振控制器，从第二偏振控制器输出的信号进入环形器1#端口，设有拉锥保偏光纤光栅传感器，环形器2#端口输出的信号进入拉锥保偏光纤光栅传感器，拉锥保偏光纤光栅传感器将会反射部分信号，被反射的信号经环形器2#端口进入环形器，从环形器3#端口输出的信号进入光电探测器，光电探测器将输出的信号转换成电信号，电信号经电放大器放大后进入耦合器，耦合器将放大的电信号分成两束信号，第一束信号驱动相位调制器，第二束信号经信号采集及处理单元进行处理获得拉锥保偏光纤光栅传感器上的测量信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于拉锥保偏光纤光栅光电振荡器的多参量测量装置，其特征在于，所述激光器为可调谐激光器，所述光纤为普通单模光纤、色散位移光纤中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于拉锥保偏光纤光栅光电振荡器的多参量测量装置，其特征在于，所述光纤(204)为长度为1.0km的普通单模光纤，光纤(204)的输出端连接第二偏振控制器(205)；拉锥保偏光纤光栅传感器(207)的是利用保偏光纤拉制成直径为6.2μm的微纳光纤，刻制20个周期的光纤光栅，总的长度为6cm。
4.根据权利要求1所述的一种基于拉锥保偏光纤光栅光电振荡器的多参量测量装置，其特征在于，光电探测器(208)为50GHz的Finisar XPDV21x0RA，响应波长为1528～1564nm，光电探测器(208)把输出的信号转换成电信号，电信号经电放大器(209)放大后进入耦合器(210)，耦合器(210)将放大的电信号分成两路信号，一路电信号驱动相位调制器(202)，另一路电信号经信号采集及处理单元(211)进行处理获得拉锥保偏光纤光栅传感器(207)上的测量信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于拉锥保偏光纤光栅光电振荡器的多参量测量装置，其特征在于，其中所述光电探测器是平衡探测器，所述拉锥保偏光纤光栅传感器为一个拉锥保偏光纤光栅传感器，也可以是多个拉锥保偏光纤光栅传感器，拉锥保偏光纤光栅传感器利用表面粘贴或内部埋入的方法安装到被测物体的待测点。
6.一种基于拉锥保偏光纤光栅光电振荡器的多参量测量方法，包括下列步骤：将激光器发出的激光信号通过相位调制器调制成多频信号，多频信号经光纤和第二偏振控制器后进入环形器1#端口，多频信号经环形器2#端口输出后进入拉锥保偏光纤光栅传感器；光电振荡器输出信号的中心频率为ωm＝|ω0-ωg|，ω0为激光信号中心频率，ωg为拉锥保偏光纤光栅传感器的中心频率，拉锥保偏光纤光栅传感器的中心频率随外界参量变化而发生漂移，光电振荡器输出的中心频率也随之漂移，从而建立被测参量-光域频率-光电振荡器输出信号频率的映射关系，拉锥保偏光纤光栅传感器作为传感单元，其不同偏振方向对应变和温度的灵敏度不同，因此，实现应变和温度的同时测量；
将耦合器输出的信号分成第一束信号和第二束光信号；将第一束信号连接到相位调制器的电输入端，作为相位调制器的驱动信号；将第二束信号连接到信号采集及处理单元，通过信号采集及处理单元进行比较处理并显示，得出拉锥保偏光纤光栅传感器上测量的应变和温度信息。
7.根据权利要求6所述的一种基于拉锥保偏光纤光栅光电振荡器的多参量测量方法，其特征在于，首先利用事先定标的方法标定出应变和温度分别与输出微波信号的频率关系，测量的应变与输出微波信号的关系；微波信号的频率变化和应变的变化呈现线性关系，斜率为10MHz/με；微波信号的频率变化和温度的变化呈现线性关系，斜率约为9.4MHz/℃。
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-
2018
- 2018-02-09 CN CN201810136138.2A patent/CN108240827A/zh active Pending
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