CN108827913A - 一种基于光纤环腔衰荡的多点湿度传感网络 - Google Patents

一种基于光纤环腔衰荡的多点湿度传感网络 Download PDF

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王芳
马涛
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Abstract

本发明公开了一种基于光纤环腔衰荡的多点湿度传感网络，设置于气室内，沿光信号的传输方向依次设置有信号发生器、激光调制器、激光源、隔离器、光纤放大器、耦合器、光纤延迟线、光纤环、光纤合束器、光电探测器及示波器，光纤环有多个，各个光纤环均形成衰荡腔，经光纤放大器放大后的激光源依次进入各个光纤环的衰荡腔内，每个光纤环的输入端和输出端分别设置有第一耦合器和第二耦合器，每个光纤环上均设有湿度传感单元，相邻两个光纤环之间设有光纤延迟线，各个光纤环的长度不同，各个光纤延迟线的长度也不同。本发明利用光纤腔衰荡技术对多个位置的湿度同时进行测量，能够将各通道的湿度传感信号区分开，以达到多点同时测量的目的。

Description

一种基于光纤环腔衰荡的多点湿度传感网络
技术领域
本发明涉及光纤传感网络领域，具体涉及一种基于光纤环腔衰荡的多点湿度传感网络。
背景技术
光纤传感技术是一种利用光纤作为传感介质或传感信号传输介质的传感技术。在这种传感技术应用中，光波为载体，光纤为媒质，因此，这种传感技术具有灵敏度高、体积小、灵巧、易复用、无源、抗电磁干扰、适合各种恶劣环境等优点。这些优点使得光纤传感技术与传统传感技术相比，非常具有竞争力。目前，光纤传感器已经广泛应用于国土安全、建筑物健康监测、电力***安全监测、石油化工、生物医药、环境监测等诸多领域，在国民经济建设中发挥着重要作用。
组网复用被认为是光纤传感器相对于常规传感器的优势之一。光纤传感器组网复用一方面可以实现多传感器共用光源和探测***，甚至是测量处理***，可以大大降低***成本，减小***体积，另一方面是极大满足了应用需求，光纤传感技术在土木工程、化工、能源、建筑、国防、航空航天给等领域的应用都同时多个传感器协同工作，例如大飞机的智能检测往往需要多达上万个点数的传感测量，桥梁及建筑物的结构检测往往需要数百乃至上千个传感器。近三十年来，虽然单点的光纤湿度传感器报道很多，但是对光纤湿度传感网络的报道却不多。然而在湿度传感的实际应用中，仅掌握单一监测点的湿度信息是远远不够的，为了准确的进行检测，必须掌握大范围的湿度分布情况和随时间的变化趋势，因此建立一个可监测大范围湿度分布的光纤传感网络十分必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤环腔衰荡的多点湿度传感网络，能够利用光纤腔衰荡技术对多个位置的湿度同时进行测量，同时能够将各通道的湿度传感信号区分开，以达到多点同时测量的目的。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于光纤环腔衰荡的多点湿度传感网络，设置于气室内，沿光信号的传输方向依次设置有信号发生器、激光调制器、激光源、隔离器、光纤放大器、耦合器、光纤延迟线、光纤环、光纤合束器、光电探测器及示波器，其中，信号发生器、激光调制器和激光源之间由线路连接，光电探测器与示波器之间用线路连接，其它器件之间都由单模光纤连接；所述耦合器、光纤延迟线及光纤环均有多个，各个光纤环均形成衰荡腔，经光纤放大器放大后的激光源依次进入各个光纤环的衰荡腔内，每个光纤环的输入端和输出端分别设置有第一耦合器和第二耦合器，每个光纤环上均设有湿度传感单元，光信号都是从光纤环上的第一耦合器的低分光比端进入，经过湿度传感单元和第二耦合器，经每个光纤环上的第二耦合器的低分光比端输出，进入光纤合束器，相邻两个光纤环之间设有光纤延迟线，各个光纤环的长度不同，各个光纤延迟线的长度也不同，各个光纤环分别设置于气室的不同位置，从而实现对气室不同位置的湿度的测量；
所述耦合器的分光比为99％：1％，被光纤放大器放大的脉冲激光经第一光纤环上的第一耦合器分成两路，一路经第一光纤环上的第一耦合器的1％功率输出端口进入第一光纤环的衰荡腔中，经过湿度传感单元后，经第一光纤环上的第二耦合器的1％端输出，第一光纤环上的第一耦合器和第一光纤环上的第二耦合器的99％功率端口熔接在一起；另一路依次经第一光纤环上的第一耦合器的99％功率端口和第一光纤延迟线进入第二光纤环上的第一耦合器中，与第一光纤环一样，经由湿度传感单元和第二光纤环上的第二耦合器的1％端输出，第二光纤环上的第一耦合器和第二光纤环上的第二耦合器的99％功率端口熔接在一起，以此类推，光信号分别接入各个传感单元，相邻两个光纤环之间接入光纤延迟线，每个光纤环的输出均接入光纤合束器，再由光电探测器转换成电信号，显示在示波器上。
优选地，每个光纤延迟线均由单模光纤构成，各个光纤延迟线的长度各不相同。
优选地，所述光纤延迟线的长度L0由公式L0＝tc/neff决定，其中t为脉冲激光在长度为L0的光纤内的传播时间，c为光速，neff为光纤的有效折射率，第一个光纤延迟线的长度为：L1＝5·τ1·c/neff，第二个光纤延迟线的长度为：L2＝5·(τ1+τ2)·c/neff，第三个光纤延迟线的长度为：L3＝5·(τ1+τ2+τ3)·c/neff，τ1、τ2和τ3分别为第一个光纤环、第二个光纤环及第三个光纤环内脉冲激光的衰荡时间，依次类推可得到每个光纤延迟线的长度。
优选地，所述激光源采用波长为1550nm的激光源。
优选地，所述光纤放大器采用掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器由一段2m的掺铒光纤和980nm泵浦光源通过一个980/1550波分复用器制成。
优选地，所述的湿度传感元件采用错位干涉结构、光纤对准气室，或法布里-珀罗光纤腔。
优选地，各个所述光纤环的长度不同，即每个环腔的腔长不同。
本发明通过在气室的不同位置设置光纤环，并将各个湿度传感单元分别设置于不同光纤环所形成的衰荡腔内，来组成多点湿度光纤传感网络，能够同时实现各个位置的湿度的同时测量，利用光时分复用技术，将多路光信号复用后在同一根光纤中传输，各个光纤环的长度不同，能够使得混合在一起的多个湿度信号可以通过快速傅里叶变换将其分辨出来；相邻两个光纤环之间设有光纤延迟线，各个光纤延迟线的长度不同，利用光纤延迟线可以使输出的衰荡信号在时域上区分开，以区别出不同点的湿度信号，达到多点同时测量的目的。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为三个测量点的相对湿度的FFT谱图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明所述的一种基于光纤环腔衰荡的多点湿度传感网络，设置于气室内，沿光信号的传输方向依次设置有信号发生器1、激光调制器2、激光源3、隔离器4、光纤放大器5、耦合器、光纤延迟线、光纤环、光纤合束器11、光电探测器12及示波器13，其中，信号发生器1、激光调制器2和激光源3之间由线路14连接，光电探测器12与示波器13之间用线路14连接，其它连接都由单模光纤15连接；在本实施例中，激光源3采用波长为1550nm的激光源，光纤放大器5采用掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器由一段2m的掺铒光纤和980nm泵浦光源通过一个980/1550波分复用器制成，光纤环有多个，在本实施例中，采用三个光纤环，分别为第一光纤环7-1、第二光纤环7-2及第三光纤环7-3，各个光纤环均形成衰荡腔，各个光纤环分别设置于气室的不同位置，经光纤放大器5放大后的激光源一级一级分光进入第一光纤环7-1、第二光纤环7-2和第三光纤环7-3的衰荡腔内，每个光纤环的输入端和输出端分别设置有第一耦合器和第二耦合器，各个光纤环上依次设有第一湿度传感单元8-1、第二湿度传感单元8-2及第三湿度传感单元8-3，湿度传感单元用于检测气室内不同位置的湿度信息，光信号从光纤环上的第一耦合器的低分光比端进入，经过湿度传感单元和第二耦合器后，经第二耦合器的低分光比端输出，进入光纤合束器11，相邻两个光纤环之间设有光纤延迟线。
在本实施例中，各个耦合器均为2*2的光纤耦合器，其分光比为99％：1％，湿度传感单元采用错位干涉结构、光纤对准气室，或法布里-珀罗光纤腔。
被光纤放大器5放大的脉冲激光经由第一光纤环7-1上的第一耦合器6-11分成两路，其中一路经第一光纤环7-1上的第一耦合器6-11的1％功率输出端口进入第一光纤环7-1的衰荡腔中，经过第一湿度传感单元8-1后，经第一光纤环7-1上的第二耦合器6-12的1％端输出，第一光纤环7-1上的第一耦合器6-11和第一光纤环7-1上的第二耦合器6-12的99％功率端口熔接在一起；另一路依次经第一光纤环7-1上的第一耦合器6-11的99％功率端口和第一光纤延迟线10-1进入第二光纤环7-2上的第一耦合器6-21中，与第一光纤环7-1一样，经由第二湿度传感单元8-2和第二光纤环7-2上的第二耦合器6-22输出，第二光纤环7-2上的第一耦合器6-21和第二光纤环7-2上的第二耦合器6-22的99％功率端口熔接在一起；第二光纤环7-2上的第一耦合器6-21的99％功率端口经过第二光纤延迟线10-2进入第三光纤环7-3上的第一耦合器6-31中，与第二光纤环7-2一样，经由第三湿度传感单元8-3和第三光纤环7-3上的第二耦合器6-32输出；依次类推，光信号分别接入多个湿度传感单元，相邻两个光纤环之间接入光纤延迟线，每个光纤环的输出均接入光纤合束器11，再由光电探测器12转换成电信号，显示在示波器13上；进入每个光纤环的衰荡腔内的光分别为100％、99％、98％、97％，脉冲激光强度相等，便于与光电探测器12的探测能力相匹配。
每段光纤延迟线均由单模光纤构成，各个光纤延迟线的长度各不相同，即延迟时间不同，从而从时域上区分每个参量的衰荡曲线，光纤延迟线的长度L0由公式L0＝tc/neff决定，其中t为脉冲激光在长度为L0的光纤内的传播时间，c为光速，neff为光纤的有效折射率，第一光纤延迟线10-1的长度为：L1＝5·τ1·c/neff，第二光纤延迟线10-2的长度为：L2＝5·(τ1+τ2)·c/neff，第三光纤延迟线10-3的长度为：L3＝5·(τ1+τ2+τ3)·c/neff，其中，τ1、τ2和τ3分别为第一光纤环7-1、第二光纤环7-2及第三光纤环7-3内脉冲激光的衰荡时间，依次类推可得到每个光纤延迟线的长度，这样使得输出的信号能在时域上分开，多个衰荡信号依次输出，相互不重叠。
此外，各个光纤环的长度不同，即每个环腔的腔长不同，以便后续的数据处理。在使用时，可以根据需要增加和减少光纤环和湿度传感单元的数量，也可以加入光纤放大器，以扩大传感器复用量，满足实际需要。
在对湿度传感单元的数据进行处理时，一般利用时分复用解调技术，时分复用解调技术属于光强度解调，受解调精度较低，实用性不强。为了解决这一问题，在时分复用的基础上结合频分复用技术，使每个光纤环的长度不同，即让每个环腔的腔长不同，频率不同，这样混在一起的多个湿度信号可以通过快速傅立叶变换(FFT)将其分辨出来。如图2所示，通过每个峰的中心频率可判断出待测量。随着每个环腔参量的变化，每个峰的宽度也随之变化。取每个峰的3db带宽作为衡量每个参量变化的标准，既每个参量变化对应的衰荡时间，即可以实现多个点的湿度信号的同时测量。
本发明利用光纤腔衰荡技术对多个位置的湿度同时进行测量，能够将各通道的湿度传感信号区分开，以达到多点同时测量的目的。

Claims (7)

1.一种基于光纤环腔衰荡的多点湿度传感网络，设置于气室内，其特征在于：沿光信号的传输方向依次设置有信号发生器、激光调制器、激光源、隔离器、光纤放大器、耦合器、光纤延迟线、光纤环、光纤合束器、光电探测器及示波器，其中，信号发生器、激光调制器和激光源之间由线路连接，光电探测器与示波器之间用线路连接，其它器件之间都由单模光纤连接；所述耦合器、光纤延迟线及光纤环均有多个，各个光纤环均形成衰荡腔，经光纤放大器放大后的激光源依次进入各个光纤环的衰荡腔内，每个光纤环的输入端和输出端分别设置有第一耦合器和第二耦合器，每个光纤环上均设有湿度传感单元，光信号都是从光纤环上的第一耦合器的低分光比端进入，经过湿度传感单元和第二耦合器，经每个光纤环上的第二耦合器的低分光比端输出，进入光纤合束器，相邻两个光纤环之间设有光纤延迟线，各个光纤环的长度不同，各个光纤延迟线的长度也不同，各个光纤环分别设置于气室的不同位置，从而实现对气室不同位置的湿度的测量；
所述耦合器的分光比为99％：1％，被光纤放大器放大的脉冲激光经第一光纤环上的第一耦合器分成两路，一路经第一光纤环上的第一耦合器的1％功率输出端口进入第一光纤环的衰荡腔中，经过湿度传感单元后，经第一光纤环上的第二耦合器的1％端输出，第一光纤环上的第一耦合器和第一光纤环上的第二耦合器的99％功率端口熔接在一起；另一路依次经第一光纤环上的第一耦合器的99％功率端口和第一光纤延迟线进入第二光纤环上的第一耦合器中，与第一光纤环一样，经由湿度传感单元和第二光纤环上的第二耦合器的1％端输出，第二光纤环上的第一耦合器和第二光纤环上的第二耦合器的99％功率端口熔接在一起，以此类推，光信号分别接入各个传感单元，相邻两个光纤环之间接入光纤延迟线，每个光纤环的输出均接入光纤合束器，再由光电探测器转换成电信号，显示在示波器上。
2.如权利要求1所述的一种基于光纤环腔衰荡的多点湿度传感网络，其特征在于：每个光纤延迟线均由单模光纤构成，各个光纤延迟线的长度各不相同。
3.如权利要求2所述的一种基于光纤环腔衰荡的多点湿度传感网络，其特征在于：所述光纤延迟线的长度L0由公式L0＝tc/neff决定，其中t为脉冲激光在长度为L0的光纤内的传播时间，c为光速，neff为光纤的有效折射率，第一个光纤延迟线的长度为：L1＝5·τ1·c/neff，第二个光纤延迟线的长度为：L2＝5·(τ1+τ2)·c/neff，第三个光纤延迟线的长度为：L3＝5·(τ1+τ2+τ3)·c/neff，τ1、τ2和τ3分别为第一个光纤环、第二个光纤环及第三个光纤环内脉冲激光的衰荡时间，依次类推可得到每个光纤延迟线的长度。
4.如权利要求1所述的一种基于光纤环腔衰荡的多点湿度传感网络，其特征在于：所述激光源采用波长为1550nm的激光源。
5.如权利要求1所述的一种基于光纤环腔衰荡的多点湿度传感网络，其特征在于：所述光纤放大器采用掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器由一段2m的掺铒光纤和980nm泵浦光源通过一个980/1550波分复用器制成。
6.如权利要求5所述的一种基于光纤环腔衰荡的多点湿度传感网络，其特征在于：所述的湿度传感元件采用错位干涉结构、光纤对准气室，或法布里-珀罗光纤腔。
7.如权利要求6所述的一种基于光纤环腔衰荡的多点湿度传感网络，其特征在于：各个所述光纤环的长度不同，即每个环腔的腔长不同。
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