CN1059970A - 双波长高精度强度调制型光纤传感器补偿方法 - Google Patents

Abstract

用于高精度强度调制型光纤传感器的补偿。本 发明利用两个带通滤光片。一个截止滤光片和一个 光阑，分别将带通滤光片(3)和带通滤光片(4)的出射 光分时地耦合进光纤(8)和光纤(9)，传感器(2)内截 止滤光片(14)对一种光透过，对另一种光反射。利用 两种光之间的比例关系，可以消除光源功率及功率 谱，光纤损耗，光电探测器响应度等因素的变化对测 量的影响，达到补偿的效果。

Description

本发明涉及双波长高精度强度调制型光纤传感器补偿方法。

为使强度调制型光纤传感器能够长期稳定地工作，必须采用适当的补偿方法以克服各种外界因素诸如光源发光功率，光纤损耗以及光电探测器响应度变化对测量造成的不利影响。双波长补偿法是一种较常用的补偿方法，其基本思想是使不同波长的光在同一路径中传输，只是在传感单元中两种波长的光所受调制不同，这样通过两者比较，可以消除相同路径中光纤损耗及光源发光功率对测量的影响，达到补偿的效果。

现有的双波长光纤传感器补偿方法不仅结构复杂，而且不能对各种主要外界扰动全部进行补偿，因而无法满足高精度测量的要求。例如美国专利4，356，396号所述的补偿方法，采用四个光电探测器，两个光分路器，不仅结构复杂，而且四个光电探测器的响应度，光分路器的分束比以及光源发光光谱的变化对测量产生的影响都无法补偿，因此难以实现高精度测量。

本发明的目的是为了解决现有双波长强度调制型光纤传感器补偿方法之不足，提高光纤传感器的精度。

本发明的实施方案如下：

附图1是双波长高精度强度调制型光纤传感器补偿原理示意图。如附图：宽光谱光源（1）发出的光经带通滤光片（3）或带通滤光片（4），其光谱分别变为中心波长为λ₁或λ₂，带宽为△λ的窄带光谱。步进电机（7）带动转盘（20）和转动光阑（5）将两种波长的光交替地射入光纤（8）和光纤（9）。光阑（5）转动频率为转盘（20）的两倍，（6）为光阑（5）的转轴。其工作时序如下：

状态1时，滤光片（3）位于光源（1）前，透过光的中心波长为λ₁，光阑（5）的通光孔位于光纤（8）前，波长λ₁的光耦合进光纤（8）;

状态2时，滤光片（3）位置不变，将光阑（5）的通光孔转到光纤（9）前，波长为λ₁的光耦合进光纤（9）;

状态3时，将滤光片（4）转至光源（1）前，同时将光阑（5）的通光孔置于光纤（8）前，波长为λ₂的光耦合进光纤（8）;

状态4时，滤光片（4）位置不变，将光阑（5）的通光孔置于光纤（9）前，波长为λ₂的光耦合进光纤（9）。

光纤传感器（2）内截止滤光片（14）对中心波长为λ₁的窄带光透过，对中心波长为λ₂的窄带光反射。状态1时波长为λ₁的光经光纤（8），光纤耦合器（10）和光纤（12）进入光纤传感器（2），经透镜（13）准直，垂直射过截止滤片（14）和传感材料（19），经全反镜（15）反射，沿入射光路返回光纤（12），经光纤耦合器（10）分束，其中一束光进入光电探测器（11）。

状态2时，中心波长为λ₁的窄带光经光纤（9）进入光电探测器（11）。

状态3时，中心波长为λ₂的光经光纤（8），光纤耦合器（10）和光纤（12）进入光纤传感器（2），经透镜（13）准直后，垂直射到截止滤光片（14）上，并由截止滤片（14）反射回光纤（12），经光纤耦合器（10）分束，其中一束进入光电探测器（11）。

状态4时，中心波长为λ₂的窄带光经光纤（9）直接进入光电探测器（11）。

下面介绍补偿原理：

由步进电机（7）带动，补偿***依次经历四个状态，光电探测器（11）接收到相应的四个光信号，输出四个相应的光电信号：

i₁＝I₈f₃（λ₁）K₁₀（λ₁）（1-L（λ₁））R₁₁（λ₁）M₂（x） 〔1〕

i₂＝I₉f₃（λ₁）R₁₁（λ₁） 〔2〕

i₃＝I₈f₄（λ₂）K₁₀（λ₂）（1-L（λ₂））R₁₁（λ₂） 〔3〕

i₄＝I₉f₄（λ₂）R₁₁（λ₂） 〔4〕

〔1〕，〔2〕，〔3〕，〔4〕式中：

f₃（λ₁），f₄（λ₂）-通过带通滤光片（3）和带通滤光片（4）的光的功率谱函数;

R₁₁（λ₁），R₁₁（λ₂）-光电探测器（11）对波长λ₁和波长λ₂的光的响应度;

L（λ₁），L（λ₂）-光纤对波长为λ₁和λ₂的光的损耗;

K₁₀（λ₁），K₁₀（λ₂）-光纤耦合器（10）对波长为λ₁和λ₂的光的分束比;

I₈，I₉-光源（1）耦合进光纤（8）和光纤（9）的全谱光功率;

M₂（x）-光纤传感器（2）的调制函数。

对于波长相差不大的两种光，可以认为光纤损耗及光纤耦合器（10）的分束比对两种波长相等，即：

L（λ₁）＝L（λ₂） 〔5〕

k₁₀（λ₁）＝k₁₀（λ₂） 〔6〕

对i₁，i₂，i₃，i₄作如下运算：

S＝（i₁i₄）/（i₂i₃）

＝M₂（x） 〔7〕

可见S与光源光强，光纤损耗，光源光谱，光电探测器响应度以及光纤耦合器分束比等因素无关，而只与传感器（2）的调制函数M₂（x）有关，从而保证了采用双波长补偿法的光纤传感器长期稳定性，提高了测量精度。

由上面分析可以看出，光纤（9）的作用是引参考光信号进光电探测器（11），产生两个光电信号i₂和i₄用以克服光源（1）发光光谱变化对测量的影响。如采用发光功率谱稳定的标准光源作光源，则光纤（9）和光阑（5）可以省略，只剩下两个工作状态i₁和i₃，S可写为;

S＝i₁/i₃

＝f₃（λ₁）/f₄（λ₄）M₂（x） 〔8〕

本发明的实施例：

附图2为光纤压力传感器原理图。如附图：经透镜（13）准直后的平行光经偏振片（16）起偏，中心波长为λ₁的窄带光透过截止滤光片（14），光弹材料（17），λ/8波片（18）后被全反镜（15）沿原光路反射回来，经偏振片（16）检偏后返回光纤（12）;中心波长为λ₂的窄带光被截止滤片（14）反射回光纤（12）。偏振片（16）的偏振方向与压力方向成45°角，λ/8波片（18）的慢轴方向与压力P的方向一致，则传感器（2）的调制函数为：

$M_2\left(P\right)=\frac{1}{2}(1+\sin \left(\frac{2\mathrm{\πclp}}{s{\mathrm{\λ}}_1}\right))---\mathrm{(9)}$

〔9〕式中：

c-光弹材料的弹光系数;

l-光弹材料通光方向长度;

p-光弹材料所受压力;

s-光弹材料受压方面截面面积。

实际使用时，选石英玻璃作为光弹材料，c值为0.17×10^-6/MPa，所用光源为卤钨灯，两个带通滤光片的中心波长分别为0.78μm和0.85μm，带宽为500 ，截止滤光片的截止波长为0.815μm，截止滤光片（14）镀在光弹材料立方体的入射面上，全反镜（15）镀在λ/8波片的出射面上。

根据〔7〕，〔9〕式算出S，便可求出相应的压力值p。

Claims (2)

1、一种双波长高精度强度调制型光纤传感器补偿方法，其特征在于：采用单光源单探测器分时工作方式，用中心波长为λ₁的带通滤片(3)和中心波长为λ₂的带通滤光片(4)对宽谱带光源(1)进行滤光，通过与光阑(5)不同位置的组合，使来自光源(1)经两种滤光片滤光后的两种波长的光按分时方式进入光纤(8)和(9)；进入光纤(8)的光由光纤(12)导入光纤传感器(2)，光纤传感器(2)内的截止滤光片(14)对中心波长为λ₁的窄带光透过，对中心波长为λ₂的窄带光反射；波长为λ₁的光透过截止滤光片(14)，传感单元(19)，被全反镜(15)反射回光纤(12)；分别由截止滤光片(14)和全反镜(15)反射回去的两种波长的光经光纤(12)和光纤耦合器(10)后，依次进入光电探测器(11)；依次进入光纤(9)的两种波长的光依次直接传入光电探测器(11)。

2、根据权利要求1所述双波长高精度强度调制型光纤传感器补偿方法，其特征在于：光纤传感器（2）内采用石英玻璃立方体（17）作敏感材料，所述光纤传感器（2）为光纤压力传感器。

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