CN113390441A - 一种折射率变化传感的装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种折射率变化传感的装置及测量方法，属于光纤传感领域，该装置包括：激光器，抑制载波双边带调制模块，微波源，光分束器，折射率敏感模块，移频器，光耦合器，光电探测器，信号采集与数据处理模块。所述激光器、抑制载波双边带调制模块、光分束器、折射率敏感模块、移频器、光耦合器、光电探测器依次光连接；所述抑制载波双边带调制模块、微波源依次电路连接；所述光电探测器、信号采集与数据处理模块依次电路连接。本发明解决了现有光纤传感检测技术中光谱分析精度低以及传统微波光子传感检测中需要宽频范围探测与处理***的缺点，具有测量精度高，实时测量，且只需低频检测及处理***等优点。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术，具体涉及一种基于折射率变化传感的装置及测量方法。
背景技术
光纤传感技术自从光纤技术从理论走向实际以来就是其研究领域的研究重点，随着科学技术的不断发展，对于传感器的要求也越来越高。灵敏，高精度，体积小成为传感器发展的方向。传统的传感器由于其受电磁干扰，不耐高温高压等缺点逐渐无法满足需求，光纤传感器由于其抗电磁干扰，低损耗，高性价比，安全等优势而得到的广泛的应用。光纤传感技术的基本原理是，光在光纤中传输时，由于待测物理参量(如温度、压力、应力、磁场、电场等)会改变光纤中传输的光的特征参量(如频率、相位、波长等)，从而使光纤中光的光学性质(如波长、相位、偏振态等)发生改变，光学性质发生改变的光成为调制光。后续通过光纤传感器解调技术在设计的链路输出端连接光电探测器，通过光电探测器的输出信号解调出所需要的外界物理参量。
解调技术中最简单直接的是光谱分析仪解调法，其原理是通过光谱仪对调制光进行光谱分析直接检测出调制光的相位改变量，进而计算出外界物理参量的变化。这种方法虽然简单，但直接利用光谱仪进行光谱分析精度不高，并且由于其体积大，价格昂贵，不便于同其他***集成，只适用于实验室等场合。为此提出了用光电探测器将光信号转换成电信号并进行数字信号处理的微波光子传感检测技术。基本链路由五部分组成，分别为光源，调制器，光子处理模块，光电探测器，数据处理模块。其原理是将光源发出的光通过光纤送入调制器，使外界物理参量与光源发出的光在调制器中相互作用，使光的光学性质发生改变，称为调制光。调制光进入光子处理模块，在光域中对物理参量进行处理。然后通过光电探测器将光子处理模块输出的光信号转换成电信号，并送入数据处理模块进行数字信号处理。但该检测技术需要使用宽带光电探测器及处理***。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种折射率变化传感的装置及测量方法。本发明的技术方案如下：
一种折射率变化传感的装置，其包括：激光器(1)、抑制载波双边带调制模块(2)、微波源(3)、光分束器(4)、折射率敏感模块(5)、移频器(6)、光耦合器(7)、光电探测器(8)及信号采集与数据处理模块(9)，
所述激光器(1)、抑制载波双边带调制模块(2)、光分束器(4)、折射率敏感模块(5)、移频器(6)、光耦合器(7)、光电探测器(8)依次光连接；所述抑制载波双边带调制模块(2)、微波源(3)依次电路连接；所述光电探测器(8)、信号采集与数据处理模块(9)依次电路连接，其中激光器(1)输出频率为f0的光波进入到抑制载波双边带调制模块(2)，微波源(3)发出频率为f1的微波信号通过抑制载波双边带调制模块(2)加载到光波上，产生频率为f0-f1和f0+f1的抑制载波双边带光信号，抑制载波双边带调制模块(2)输出的抑制载波双边带光信号通过光分束器(4)之后被分为完全相同的两条支路，分别为支路1和支路2；在支路1中，抑制载波双边带光信号通过折射率敏感模块(5)，利用折射率敏感模块(5)来敏感外界物理参量改变所造成的折射率变化，使两个光边带相位差发生改变，在支路2中，抑制载波双边带光信号通过移频器(6)产生频率为fs的移频，使得频率为f0-f1和f0+f1的光信号分别为f0+f1+fs和f0-f1+fs，两支路输出的光信号通过光耦合器(7)耦合后进入光电探测器(8)外差探测输出电信号；光电探测器(8)输出的电信号经信号采集与数据处理模块(9)采集和数据处理分析后，获得频率为fs处信号功率P(M)。
进一步的，所述抑制载波双边带调制模块(2)通过马赫曾德尔调制器工作于最低偏置点实现抑制载波双边带调制产生或通过电光调制器与光带阻滤波器组合滤除中心载波产生。
进一步的，所述折射率敏感模块(5)包括所有能因外界待测物理参量(如温度、压力、应力、磁场、电场、浓度、振动等)改变而造成折射率发生改变的模块，同时不同光波折射率改变量不同。
进一步的，移频器(6)产生的频移量fs为MHz量级，只需低频带宽的光电探测及信号处理***即可。
进一步的，改变外界物理参量，获得频率为fs处信号功率P(M)随外界待测物理参量M变化的功率函数P(M)with为：
其中，其中R为光电探测器的响应度；A1和A2分别为支路1和支路2光信号幅度值；J1(m)为一类贝塞尔函数；m为抑制载波双边带调制模块中调制器的调制系数；
为支路1和支路2的初始相位差；fs为移频器的频移量；D(M)为外界物理参量引起的折射率变化量；λ0为激光器激射激光的波长；f1为微波源发出的微波信号频率；c为光波在真空中的速度；t为时间参量。
一种基于所述装置的折射率变化传感测量方法，其包括以下步骤：
1)、激光器(1)输出频率为f0的光波进入到抑制载波双边带调制模块(2)，微波源(3)发出频率为f1的微波信号通过抑制载波双边带调制模块(2)加载到光波上，产生频率为f0-f1和f0+f1的抑制载波双边带光信号，抑制载波双边带调制模块(2)输出的抑制载波双边带光信号通过光分束器(4)之后被分为完全相同的两条支路，分别为支路1和支路2；
2)、在支路1中，抑制载波双边带光信号通过折射率敏感模块(5)，利用折射率敏感模块(5)来敏感外界物理参量改变所造成的折射率变化，使两个光边带相位差发生改变，在支路2中，抑制载波双边带光信号通过移频器(6)产生频率为fs的移频，使得频率为f0-f1和f0+f1的光信号分别为f0+f1+fs和f0-f1+fs，两支路输出的光信号通过光耦合器(7)耦合后进入光电探测器(8)外差探测输出电信号；
3)、光电探测器(8)输出的电信号经信号采集与数据处理模块(9)采集和数据处理分析后，获得频率为fs处信号功率P(M)，改变外界物理参量获得频率为fs处信号功率P(M)随外界待测物理参量M变化的功率函数P(M)with；
4)、其他条件保持不变，设置微波源(3)发出的微波信号频率f1为零，重复上述步骤1-3得到新的频率为fs处信号功率P(M)随外界待测物理参量M变化的功率函数P(M)without；
5)、将两次获得的功率函数的比值构建随外界物理参量M变化的传输函数(ACF)F(M)＝P(M)without/P(M)with，后续只需测量出外界待测物理参量所对应的ACF值，运算结果与所预存的ACF曲线参数比较进而得到外界物理参量的大小。
进一步的，改变外界物理参量获得频率为fs处信号功率P(M)随外界待测物理参量M变化的功率函数P(M)with，具体包括：
功率函数P(M)with为：
其中，其中R为光电探测器的响应度；A1和A2分别为支路1和支路2光信号幅度值；J1(m)为一类贝塞尔函数；m为抑制载波双边带调制模块中调制器的调制系数；
为支路1和支路2的初始相位差；fs为移频器的频移量；D(M)为外界物理参量引起的折射率变化量。λ0为激光器激射激光的波长；f1为微波源发出的微波信号频率；c为光波在真空中的速度；t为时间参量。
进一步的，所述步骤4)具体为：其他条件保持不变，设置微波源(3)发出的微波信号频率f1为零，重复上述步骤1)-3)得到新的频率为fs处信号功率P(M)随外界待测物理参量M变化的功率函数P(M)without为：
将两次获得的功率函数的比值构建随外界待测物理参量M变化的传输函数ACF为：
只需测量出外界待测物理参量所对应的ACF值，运算结果与所预存的ACF曲线参数比较，进而得到外界待测物理参量的大小。
本发明的优点及有益效果如下：
一、本发明基于折射率变化传感的装置及测量方法，采用抑制载波双边带调制信号分别通过折射率敏感模块和微小移频量的移频器，通过探测折射率变化光信号与移频光信号的外差拍频，只需检测固定低频频率成分信号，即可实现大范围外界物理参量通过折射率敏感模块产生的功率衰弱传输函数的测量，大大降低了微波光子传感检测的检测要求，这是现有技术人员不容易想到的方法。
二、本发明采用移频外差结构，可以有效克服激光器频率漂移以及抖动问题，并通过构建传输函数，实现高精度，宽范围的外界物理参量测量。而且通过改变微波源发出的微波信号f1，可以构建出不同精度和范围的外界物理参量映射函数曲线。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例基于折射率变化传感的装置结构示意图。
图中：1-激光；2-抑制载波双边带调制模块；3-微波源；4-光分束器；5-折射率敏感模块；6-移频器；7-光耦合器；8-光电探测器；9-信号采集与数据处理模块。
图2是通过本发明得到的折射率变化量与微波功率变化量的关系曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本发明提供了一种基于折射率变化传感装置包括：激光器1、抑制载波双边带调制模块2、微波源3、光分束器4、折射率敏感模块5、移频器6、光耦合器7、光电探测器8、信号采集与数据处理模块9。
本发明一种基于折射率变化传感装置及测量方法的工作原理为：
激光器1输出频率为f0的光波进入到抑制载波双边带调制模块2，微波源3发出频率为f1的微波信号通过抑制载波双边带调制模块2加载到光波上，产生频率为f0-f1和f0+f1的抑制载波双边带光信号，抑制载波双边带调制模块2输出的抑制载波双边带光信号通过光分束器4之后被分为完全相同的两条支路，分别为支路1和支路2；在支路1中，抑制载波双边带光信号通过折射率敏感模块5，利用折射率敏感模块5来敏感外界物理参量改变所造成的折射率变化，使两个光边带相位差发生改变，在支路2中，抑制载波双边带光信号通过移频器6产生频率为fs的移频，使得频率为f0-f1和f0+f1的光信号分别为f0+f1+fs和f0-f1+fs，两支路输出的光信号通过光耦合器7耦合后进入光电探测器8外差探测输出电信号；光电探测器8输出的电信号经信号采集与数据处理模块9采集和数据处理分析后，获得频率为fs处信号功率P(M)。改变外界物理参量获得频率为fs处信号功率P(M)随外界物理参量M变化的功率函数P(M)with为：
其中，其中R为光电探测器的响应度；A1和A2分别为支路1和支路2光信号幅度值；J1(m)为一类贝塞尔函数；m为抑制载波双边带调制模块中调制器的调制系数；
为支路1和支路2的初始相位差；fs为移频器的频移量；D(M)为外界物理参量引起的折射率变化量。
其他条件保持不变，设置微波源3发出的微波信号频率f1为零，重复上述步骤1-3得到新的获得频率为fs处信号功率P(M)随外界物理参量M变化的功率函数P(M)without为：
将两次获得的功率函数的比值构建随外界物理参量M变化的传输函数ACF为：
只需测量出外界待测物理参量所对应的ACF值，运算结果与所预存的ACF曲线参数比较，进而得到外界待测物理参量的大小。
实施例
图1是本发明的基于折射率变化传感装置结构示意图。激光器1输出的光载波输入到抑制载波双边带调制模块2中，微波源3发出的微波信号通过抑制载波双边带调制模块2加载到光载波上，抑制载波双边带调制模块2输出的调制光载波经光分束器4分为支路1和支路2。在支路1中，抑制载波双边带光信号通过折射率敏感模块5，利用折射率敏感模块5来敏感外界物理参量改变所造成的折射率变化，使两个光边带相位差发生改变。在支路2中，抑制载波双边带光信号通过移频器6产生频率为fs的移频。支路1和支路2输出的光信号经光耦合器7耦合后进入光电探测器8进行光电转换。光电探测器8输出的电信号再由数据采集处理模块9进行数据处理与分析。本发明中微波源发出的微波信号频率设置为16GHz，折射率敏感模块选择FBG光栅(初始折射率为1.45)，长度设置为3mm，移频器设置移频量为0.1GHz，通过信号采集与数据处理模块8输出得到微波功率变化量与折射率变化量的关系曲线，如图2所示。将采集数据进行拟合，获得一条线性变化曲线，由此作为映射函数，当功率变化为0.25dB时，对应折射率变化为0.002。即验证了在抑制载波双边带调制下，通过本发明基于折射率变化传感的装置构建的函数曲线确实符合公式。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (9)
1.一种折射率变化传感的装置，其特征在于，包括：激光器(1)、抑制载波双边带调制模块(2)、微波源(3)、光分束器(4)、折射率敏感模块(5)、移频器(6)、光耦合器(7)、光电探测器(8)及信号采集与数据处理模块(9)，
所述激光器(1)、抑制载波双边带调制模块(2)、光分束器(4)、折射率敏感模块(5)、移频器(6)、光耦合器(7)、光电探测器(8)依次光连接；所述抑制载波双边带调制模块(2)、微波源(3)依次电路连接；所述光电探测器(8)、信号采集与数据处理模块(9)依次电路连接，其中激光器(1)输出频率为f0的光波进入到抑制载波双边带调制模块(2)，微波源(3)发出频率为f1的微波信号通过抑制载波双边带调制模块(2)加载到光波上，产生频率为f0-f1和f0+f1的抑制载波双边带光信号，抑制载波双边带调制模块(2)输出的抑制载波双边带光信号通过光分束器(4)之后被分为完全相同的两条支路，分别为支路1和支路2；在支路1中，抑制载波双边带光信号通过折射率敏感模块(5)，利用折射率敏感模块(5)来敏感外界物理参量改变所造成的折射率变化，使两个光边带相位差发生改变，在支路2中，抑制载波双边带光信号通过移频器(6)产生频率为fs的移频，使得频率为f0-f1和f0+f1的光信号分别为f0+f1+fs和f0-f1+fs，两支路输出的光信号通过光耦合器(7)耦合后进入光电探测器(8)外差探测输出电信号；光电探测器(8)输出的电信号经信号采集与数据处理模块(9)采集和数据处理分析后，获得频率为fs处信号功率P(M)。
2.根据权利要求1所述的一种折射率变化传感的装置，其特征在于，所述抑制载波双边带调制模块(2)通过马赫曾德尔调制器工作于最低偏置点实现抑制载波双边带调制产生或通过电光调制器与光带阻滤波器组合滤除中心载波产生。
3.根据权利要求1所述的一种折射率变化传感的装置，其特征在于，所述折射率敏感模块(5)包括所有能因外界待测物理参量改变而造成折射率发生改变的模块，外界待测物理参量包括温度、压力、应力、磁场、电场、浓度、振动，同时不同光波折射率改变量不同。
4.根据权利要求3所述的一种折射率变化传感的装置，其特征在于，移频器(6)产生的频移量fs为MHz量级，只需低频带宽的光电探测及信号处理***即可。
5.根据权利要求4所述的一种折射率变化传感的装置，其特征在于，改变外界物理参量，获得频率为fs处信号功率P(M)随外界待测物理参量M变化的功率函数P(M)with为：
其中，其中R为光电探测器的响应度；A1和A2分别为支路1和支路2光信号幅度值；J1(m)为一类贝塞尔函数；m为抑制载波双边带调制模块中调制器的调制系数；
为支路1和支路2的初始相位差；fs为移频器的频移量；D(M)为外界物理参量引起的折射率变化量；λ0为激光器激射激光的波长；f1为微波源发出的微波信号频率；c为光波在真空中的速度；t为时间参量。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述装置的折射率变化传感测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、激光器(1)输出频率为f0的光波进入到抑制载波双边带调制模块(2)，微波源(3)发出频率为f1的微波信号通过抑制载波双边带调制模块(2)加载到光波上，产生频率为f0-f1和f0+f1的抑制载波双边带光信号，抑制载波双边带调制模块(2)输出的抑制载波双边带光信号通过光分束器(4)之后被分为完全相同的两条支路，分别为支路1和支路2；
2)、在支路1中，抑制载波双边带光信号通过折射率敏感模块(5)，利用折射率敏感模块(5)来敏感外界物理参量改变所造成的折射率变化，使两个光边带相位差发生改变，在支路2中，抑制载波双边带光信号通过移频器(6)产生频率为fs的移频，使得频率为f0-f1和f0+f1的光信号分别为f0+f1+fs和f0-f1+fs，两支路输出的光信号通过光耦合器(7)耦合后进入光电探测器(8)外差探测输出电信号；
3)、光电探测器(8)输出的电信号经信号采集与数据处理模块(9)采集和数据处理分析后，获得频率为fs处信号功率P(M)，改变外界物理参量获得频率为fs处信号功率P(M)随外界待测物理参量M变化的功率函数P(M)with；
4)、其他条件保持不变，设置微波源(3)发出的微波信号频率f1为零，重复上述步骤1-3)得到新的频率为fs处信号功率P(M)随外界待测物理参量M变化的功率函数P(M)without；
5)、将两次获得的功率函数的比值构建随外界物理参量M变化的传输函数(ACF)F(M)＝P(M)without/P(M)with，后续只需测量出外界待测物理参量所对应的ACF值，运算结果与所预存的ACF曲线参数比较进而得到外界物理参量的大小。
7.根据权利要求6所述的折射率变化传感的测量方法，其特征在于，改变外界物理参量获得频率为fs处信号功率P(M)随外界待测物理参量M变化的功率函数P(M)with，具体包括：
功率函数P(M)with为：
其中，其中R为光电探测器的响应度；A1和A2分别为支路1和支路2光信号幅度值；J1(m)为一类贝塞尔函数；m为抑制载波双边带调制模块中调制器的调制系数；
为支路1和支路2的初始相位差；fs为移频器的频移量；D(M)为外界物理参量引起的折射率变化量。λ0为激光器激射激光的波长；f1为微波源发出的微波信号频率；c为光波在真空中的速度；t为时间参量。
8.根据权利要求6所述的折射率变化传感的测量方法，其特征在于，所述步骤4)具体为：其他条件保持不变，设置微波源(3)发出的微波信号频率f1为零，重复上述步骤1)-3)得到新的频率为fs处信号功率P(M)随外界待测物理参量M变化的功率函数P(M)without为：
将两次获得的功率函数的比值构建随外界待测物理参量M变化的传输函数ACF为：
只需测量出外界待测物理参量所对应的ACF值，运算结果与所预存的ACF曲线参数比较，进而得到外界待测物理参量的大小。
9.根据权利要求6所述基于折射率变化传感的测量方法，其特征在于，所述外界物理参量改变而造成折射率发生改变的模块，外界物理参量包括温度、压力、应力、磁场、电场、浓度、振动，同时不同光波折射率改变量不同。
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