基於awg差分解調的強度檢測型pcf-lpg應力傳感器及裝置的製作方法

2023-05-25 18:34:31

專利名稱：基於awg差分解調的強度檢測型pcf-lpg應力傳感器及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於光纖傳感技術領域，涉及一種基于波導陣列光柵(Array Waveguide Grating, AffG)差分解調的強度檢測型光子晶體光纖長周期光柵(long-period grating written in a photonic crystal fiber, PCF-LPG)應力傳感器及裝置應力傳感器。
背景技術：
長周期光纖光柵(long-period fiber grating，LPG)是一種透射型光纖器件。LPG 的諧振波長和幅值對外界環境的變化非常敏感，具有比普通光纖光柵更好的溫度、彎曲、折 射率靈敏度。然而，利用LPG測量應力等物理量時，對溫度的交叉敏感大大限制了 LPG應用。 光子晶體光纖(photonic crystal fiber，PCF)是一種具有許多優良光學特性的新型光纖， 如溫度不敏感性。利用具有溫度不敏感特性的光子晶體光纖製作的LPG可以有效消除傳感 器對溫度的交叉敏感。趙春柳等人提出以DFB作為PCF-LPG應力傳感器的光源，通過監測PCF-LPG的出 射光強檢測應力變化，便宜的光功率計即可滿足探測光強要求，大大降低了傳感器成本。然 而，基於強度檢測的PCF-LPG傳感器會遇到光源抖動及傳感系統各種不穩定因素所帶來的 幹擾問題，影響測量精度。

發明內容
本發明目的就是為了克服現有技術中PCF-LPG傳感器解調單元精度不高的問題， 提供了一種基于波導陣列光柵(Array Waveguide Grating, AffG)差分解調的強度檢測型 PCF-LPG應力傳感器，此解調方案可以有效消除光源抖動及傳感系統各種不穩定因素所帶 來的幹擾。本發明為解決技術問題所採取的技術方案基於AWG差分解調的強度檢測型PCF-LPG應力傳感器包括寬帶光源、PCF-LPG、 AWG、光電轉換器及信號處理單元。PCF-LPG的兩個埠分別與寬帶光源、AffG的入射端光連接，AffG的第2信道和第 8信道為兩個出射埠與光電轉換器及信號處理單元光連接。PCF-LPG是傳感元；AWG和光 電轉換器及信號處理單元構成光纖傳感器的解調器。本發明所具有的有益效果為1.以PCF-LPG為傳感元，可以有效消除傳感元對溫度的交叉敏感。2. AffG同時提供兩個用於差分處理的光強度信號並將光強度信號有效地分開。由 於這兩個光強度信號分別落在PCF-LPG的正斜率線性區和負斜率線性區，因而在應力改變 時它們的變化趨勢相反，有利於成倍提高傳感系統的靈敏度。3.光電轉換及信號處理單元把光強信號轉化為電壓信號並進行快速差分處理。兩 個單波長光強信號在系統中經過相同的路徑，因此差分後的結果能有效消除光源抖動及傳感系統各種不穩定因素所帶來的幹擾。4.本發明中解調系統的使用，避免了昂貴的光譜儀等波長監測設備的使用，大大 降低了傳感器成本。


圖1為本發明的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進一步描述。如圖1所示，基於AWG差分解調的強度檢測型PCF-LPG應力傳感器及裝置，包括寬 帶光源1、PCF-LPG2、AWG3、光電轉換及信號處理單元4。PCF-LPG2的兩個埠分別與寬帶 光源2、AWG3的入射端光連接，AWG3的第2信道和第8信道為兩個出射埠與光電轉換器 及信號處理單元4光連接。本實施方式的工作方式為寬帶光源發出的光入射到傳感元PCF-LPG，經過傳感 元PCF-LPG的作用，傳感元PCF-LPG的透射光入射到AWG，AffG的出射光進入光電轉換及信 號處理單元。PCF-LPG的正斜率線性區從1520nm到1552. 45nm、負斜率線性區從1552. 45nm 到1580nm。通過選擇AWG的規格和通信信道，使AWG出射的中心波長分別落在PCF-LPG的 正斜率線性區和負斜率線性區。應力的改變會引起傳感元PCF-LPG透射譜的左右平移，從 而引起兩部分波長的光強發生的變化且變化趨勢相反。光強信號經光電轉換後變為電壓信 號Vl和V2，引入差分量，M= (V1-V2)/(V1+V2)。Vl和V2是光源經同一路逕到監測設 備，Vl和V2中可能包含光源抖動以及系統其它不穩定因素帶來的噪聲幹擾，差分處理後， Δ V僅與應力信號有關，而與噪聲信號無關，該裝置正是通過Δ V來反映傳感元PCF-LPG應 力的變化。當光源功率變化士 10%時，利用差分解調原理測得的應力相對誤差約為0.4%， 測量精度達99.6%。該裝置能夠實現消除噪聲、提高精度的關鍵技術為1.利用AWG將特定波長的光提取出來，這樣就可以通過監測特定波長的光強度檢 測應力，避免使用價格昂貴的波長監測設備。2. PCF-LPG的周期和周期數與AWG的規格和通信信道相匹配，被選中的通信信道 的中心波長分別在PCF-LPG正斜率線性區和負斜率線性區，使被監測的兩部分波長的光強 變化趨勢相反，在此基礎上進行信號差分處理，不僅可以成倍地提高了傳感系統的靈敏度， 而且使測量範圍達到最大。3.在信號處理單元引入差分運算M= (V1_V2)/(V1+V2)。 本實施例中用於寫制PCF-LPG的PCF，空氣圓孔間距離為7. 78 μ m、平均孔徑 為3. 55 μ m、空氣圓孔區直徑為60 μ m、包層直徑為125 μ m ;PCF長5cm。PCF-LPG周期為 467 μ m、周期數為40。AWG的信道數為16、信道間隔為1. 6nm、起始信道波長為1560. 61nm、 單信道0. 5dB帶寬為0. 5nm ；選用第2信道和第8信道作為兩個出射埠，它們的中心波長 分別為 1547. 8Inm 和 1559. Olnm0
權利要求
1.基於AWG差分解調的強度檢測型PCF-LPG應力傳感器包括寬帶光源、PCF_LPG、AWG、 光電轉換器及信號處理單元。PCF-LPG的兩個埠分別與寬帶光源、AffG的入射端光連接，AffG的第2信道和第8信 道為兩個出射埠與光電轉換器及信號處理單元光連接。PCF-LPG是傳感元；AWG和光電轉 換器及信號處理單元構成光纖傳感器的解調器。
2.如權利要求1所述的PCF-LPG，其特徵在於具有溫度不敏感特性，消除了傳感元對溫 度的交叉敏感。
3.如權利要求1所述的AWG，其特徵在於將某些特定波長的光提取出來，這樣就可以通 過監測特定波長的光強檢測應力，避免使用價格昂貴的波長監測設備。
4.如權利要求1所述的AWG，其特徵在于波分復用器提取的兩個光強度信號分別落在 PCF-LPG的正斜率線性區和負斜率線性區，因而它們的變化趨勢相反，在此基礎上進行信號 差分處理，可以成倍地提高了傳感系統的靈敏度。
5.如權利要求1所述的AWG，其特徵在於同時提供兩個光強信號，並將這兩個光強信號 有效地分開。
6.如權利要求1所述的光電轉換及信號處理單元，其特徵在於把光強信號轉化為電壓 信號並進行快速差分處理。
全文摘要
本發明涉及基於AWG差分解調的強度檢測型PCF-LPG應力傳感器及裝置。本發明中PCF-LPG的兩個埠分別與寬帶光源、AWG的入射端光連接，AWG的第2信道和第8信道為兩個出射埠與光電轉換器及信號處理單元光連接。PCF-LPG是傳感元；AWG和光電轉換器及信號處理單元構成光纖傳感器的解調器。本發明有效消除光源抖動及傳感系統各種不穩定因素所帶來的幹擾，而且大大提高了系統的精度。
文檔編號G01L1/24GK102135459SQ20101059502
公開日2011年7月27日 申請日期2010年12月10日 優先權日2010年12月10日
發明者於棟友, 姬崇軻, 王雲鵬, 王治強, 趙春柳, 錢文文 申請人:杭州恆川科技有限公司