偏振型直流量光纖傳感器補償方法

2023-04-27 10:09:16 1

專利名稱：偏振型直流量光纖傳感器補償方法
技術領域：
本發明涉及偏振型直流量光纖傳感器補償方法。
為了使偏振型直流量光纖傳感器在遠距離測量時能夠長期穩定地工作，其光源發光功率、光纖傳輸損耗及光電探測器響應度的變化必須加以補償，現有補償方法有(一)惠斯登橋式網絡這種補償方式目前最好的實現辦法是將四支光纖耦合器分別跨接在傳感頭前後與參考光路之間，使兩根接收光纖先後傳導來自兩個光源發出的光，然後通過比率運算達到補償目的。這種方法的優點是可用於大多數遠距離測量的直流量光纖傳感器。但光纖耦合器分光比對入射光模式較強的依賴使該方法仍不能滿足高精度測量要求。
(二)單光源傳感頭偏振分光。這種方法的優點是結構簡單。但不能保證兩根接收光纖傳輸損耗變化的一致，光電探測器響應度的變化不能補償。
本發明的目的是為解決現有偏振型直流量光纖傳感器補償方法的不足，提高測量精度，使偏振型直流量光纖傳感器儘早步入實用階段。
本發明具體實施方案如下附圖
是偏振型直流量光纖傳感器補償原理示意圖。如附圖光發射與接收系統(22)和光學探頭(23)由六芯光纜(6)連接。(1)和(2)為兩支波長一致的紅外發光二極體。光源(1)發射光由光纖(4)經擾模器(5)傳至探頭，光纖(4)出射的發散光經自聚焦透鏡(7)準直變為平行光束後先後通過起偏器(8)、敏感材料(9)和1/4波片(10)，偏振分光稜鏡(11)將通過1/4波片的光束按不同偏振分成兩束，透射光束由自聚集透鏡(13)注入光纖(14)並經該光纖傳至光電探測器(16)，反射光束由自聚集透鏡注入光纖(15)並經該光纖傳至光電探測器(17)，探測器(16)和(17)輸出的光電信號送給信號處理系統(18)。起偏器(8)的偏振軸與X軸成45°角〔透鏡(7)出射光束傳播方向定為Z軸，X、Y、Z三軸組成直角右手坐標系〕。1/4波片的快軸與X軸成45°角。偏振分光稜鏡是由兩塊45°直角光學玻璃稜鏡(其中一塊的弦面上鍍有偏振分光膜)以弦面膠合而成，偏振分光稜鏡平行於YZ面的截面為正方形，偏振分光膜通過該正方形的對角線並垂直於YZ平面。通過1/4波片的光束垂直於光束入射的分光稜鏡表面入射，出射分光稜鏡的透射光束為Y方向偏振，出射分光稜鏡的反射光束為X方向偏振並與透射光束相垂直。透鏡(12)靠近分光稜鏡一側的接收端面至其接收光束所通過的稜鏡出射表面垂直距離與透鏡(13)靠近分光稜鏡一側的接收端面至其接收光束所通過的稜鏡出射表面垂直距離相等。光纖(14)和(15)參數相同。從光學成象角度看三個1/4波節的自聚集透鏡(7)、(12)、(13)和偏振分光稜鏡構成了透射和反射兩組一倍成象系統，將光纖(4)出射端面分別成象於光纖(15)和(14)接收端面上。這兩組成象系統在偏振分光膜以後的部分結構對稱，所用光學元件參數一致，從而基本排除了該分光系統分光比對入射光模式的依賴，具有分光比穩定度高的特點。
光源(2)出射光由光纖(19)經擾模器(20)傳至探頭，光纖(19)出射的發散光經自聚集透鏡(21)準直變為平行光束(沿Y軸反方向傳播)後直接被分光稜鏡(11)按偏振分成兩束，透射光束(Z方向偏振)由透鏡(12)注入光纖(15)並經該光纖傳至探測器(17)，反射光束(X方向偏振)由透鏡(13)注入光纖(14)並經該光纖傳至探測器(16)。透鏡(21)靠近偏振分光稜鏡一側的出射端面至其出射光束入射的分光稜鏡表面光程與透鏡(7)靠近偏振分稜鏡一側的出射端面至其出射光束入射的分光稜鏡表面光程相等。自聚焦透鏡(21)和(7)的參數一致，光纖(4)和(19)參數相同。這樣由光纖(4)和自聚焦透鏡(7)及光纖(19)和自聚集透鏡(21)組成的兩組準直系統從光學上看對分光稜鏡是對稱的。擾模器(5)和(20)的作用是使光纖(4)和(19)所傳輸的光模式相同，從而保證透鏡(7)和(21)出射的光在光纖(14)或(15)中激發起基本相同的光模式。
下面具體介紹補償原理。
光源(1)、(2)採用脈衝交替工作方式。
當光源(1)發光，光源(2)不發光時，探測器(16)和(17)輸出的光電信號i16和i17分別為i16＝(1/2)I0L14R16(1+sinθ) (1)i17＝(1/2)I0L15R17(1-sinθ) (2)(1)、(2)式中I0-入射偏振分光稜鏡的光功率;
L14、L15-分別為光纖(14)和光纖(15)在光源(1)發光時刻對所傳輸光的損耗係數;
R16、R17-分別為探測器(16)和(17)在光源(1)發光時刻的響應度;
θ-被測外場在敏感材料中誘發的雙折射(慢、快軸分別沿X、Y軸方向)對X、Y方向偏振引入的位相差。
若被測外場作用於敏感材料後是引起偏振面沿逆時針方向(順著光束傳播方向看)旋轉θ角，此時去掉1/4波片後仍可得到(1)和(2)式。
當光源(2)發光，光源(1)不發光時，探測器(16)和(17)輸出的光電信號i′16和i′17分別為i′16＝I′0L′14R′16(3)i′17＝I′0L′15R′17(4)(3)、(4)式中I′0-入射偏振分光稜鏡的光功率;
L′14、L′15-分別為光纖(14)和(15)在光源(2)發光時刻對所傳輸光的損耗係數;
R′16、R′17-分別為探測器(16)和(17)在光源(2)發光時刻的響應度。
光纖傳輸損耗除與光波長有關外還與溫度和傳輸光模式有關。由前述，光源(1)、(2)發光波長一致且兩光源發出的光在光纖(14)或(15)中激發基本相同的傳輸光模式。因此當二光源發光時間間隔足夠短時有R16＝R′16，R17＝R′17，L14＝L′14，L15＝L′15。則信號處理系統(18)對(1)-(4)式所表示的信號進行如下運算可得S＝(i16/i′16-i17/i′17)/(i16/i′16+i17/i′17)＝2Sinθ(5)在θ＜＜1時有S≈20(6)最後得到S與光源發光功率、光纖傳輸損耗及光電探測器響應度無關而僅與θ有關的結果。
本項發明適用於各種利用偏振面旋轉或雙折射變化構成的強度型直流量光纖傳感器，尤其是在遠距離測量時仍可達到高精度測量。
具體實施例方式基於光彈性效應的光纖壓力傳感器。
使用石英玻璃作為敏感材料，其在X、Y、Z軸三方向上的幾何尺寸分別為12×3×3，被測壓力平行於X岱較蚴┘釉誄し教宀ＡУ牧蕉耍饈豘方向垂直於材料表面入射，則由應力雙折射對X、Y方向偏振引入的位相差θ為θ＝2πc/lσ/λ(7)上式中c-應力-光學常數;
σ-被測壓力在材料中產生的X方向單向應力值;
l-光束在材料中傳播的幾何長度;
λ-真空中光波長。
對石英玻璃實測其c值為0.17×10-6/MPa。所用發光管的中心波長為8500 。當σ≤139MPa(對應於θ≤30°)時，S與σ近似成正比關係，得σ≈Sλ/(4πcl)(8)據(5)式算出S後便可由(8)式確定σ值。
權利要求
1.一種雙光源偏振型直流量光纖傳感器補償方法，其特徵在於在傳感頭中使用一個長方體偏振分光稜鏡完成雙光束的分束及合束功能，偏振分頭稜鏡裝在1/4波片與自聚焦透鏡(13)之間，分光稜鏡的偏振分光膜為長方體的一個對角面，自聚焦透鏡(7)準直光束在通過1/4波片後垂直於光束入射的分光稜鏡表面入射並與偏振分光膜成45°角，分光後的透射與反射光束相互垂直，透射光束由自聚焦透鏡(13)注入光纖(14)，反射光束由自聚焦透鏡(12)注入光纖(15)；自聚焦透鏡(21)準直光束垂直於光束入射的分光稜鏡表面入射並與偏振分光膜成45°角，分光後的透射光束與反射光束相互垂直，透射光束由自聚焦透鏡(12)注入光纖(15)，反射光束由自聚焦透鏡(13)注入光纖(14)；在光纖(4)和(19)靠近光源(1)和(2)一側各加裝擾模器一支。
2.根據權利要求1所述的雙光源偏振型直流量光纖傳感器補償方法，其特徵在於自聚焦透鏡(12)靠近偏振分光稜鏡一側的接收端面至其接收光束出射的偏振分光稜鏡表面垂直距離與自聚集透鏡(13)靠近偏振分光稜鏡一側的接收端面至其接收光束出射的偏振分光稜鏡表面垂直距離相等。
3.根據權利要求1所述的雙光源偏振型直流量光纖傳感器補償方法，其特徵在於自聚集透鏡(21)靠近偏振分光稜鏡一側的出射端面至其出射光束入射的偏振分光稜鏡表面光程與自聚焦透鏡(7)靠近偏振分光稜鏡一側的出射端面至其出射光束入射的偏振分光稜鏡表面光程相等。
全文摘要
用於偏振型直流量光纖傳感器的補償。本發明在傳感頭中使用一偏振分光稜鏡，將來自兩光源(中心光波長相同)的兩束入射光束分束及合束，其中通過敏感材料後的入射光被偏振分光稜鏡分成兩路差動信號光，分束及合束後的兩光束分別由兩根接收光纖傳至兩支光電探測器。
文檔編號G02B27/10GK1030303SQ87104439
公開日1989年1月11日 申請日期1987年6月23日 優先權日1987年6月23日
發明者王安波, 林鈞岫, 何實, 吳波, 伍偉思 申請人:大連工學院