CN1108760A - 高精度偏振调制型光纤传感器补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于偏振调制型光纤传感器的设计技术 领域，本发明提出一种高精度的补偿方法，主要特点 是在传感探头中采用反射式光路，使用一偏振分光棱 镜，既作为起偏器，又作为检偏器，同时将经传感材料 反射的两路入射光分束及合束，并与两个自聚焦透镜 构成完全对称的两组准直及成像系统，该两路光由单 光源分时产生。使用该补偿方法构成的光纤传感器 具有结构简单、测量精度高、长期稳定性好等优点。

Description

本发明属于偏振调制型光纤传感器的设计技术领域，特别涉及这类传感器测量的补偿方法。

偏振调制型光纤传感器已广泛应用于各种物理量的测量。为了提高偏振调制型光纤传感器的测量精度，且在远距离测量时能够长期稳定地工作，其光源发光功率、光纤传输损耗及光电探测器响应度变化对测量结果的不利影响必须加以补偿。此外，传感探头各光学元件传输损耗特性变化对测量的影响也必须加以被偿。中国专利87104439.0提出了一种采用双光源交替发光、双探测器同时探测实现补偿的方法，如图1所示，其基本特点是在传感头（23）中使用一偏振分光棱镜（11）将来自两光源（1）、（2）（中心光波长相同）的两路入射光束分束及合束，其中一路通过敏感材料（9），另一路不通过敏感材料（9），分束及合束后分别由两根接收光纤传至两支光电探测器。这种补偿方法只能对光源的功率波动、光纤传输损耗及光电探测器响应度的影响起补偿作用，而对传感器探头各光学元件的传输损耗特性变化都无法补偿。再则，该方法采用双光源，很难保证其中心波长和光谱特性以及随外界因素如驱动电流、温度等因素变化产生的漂移特性的一致性，这样就降低了这种补偿方法的补偿效果，因此难以实现高精度测量。此外实现这种方法所需的元件多、结构复杂，为广泛实施这种方法造成一定困难。

本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，采用单元源分时形成双光路以及传感探头采用反射式光路等新设计，使其具有更好的补偿效果，使传感器测量精度高、稳定性好、结构简单、体积小成为现实。

本发明提出一种高精度偏振调制型光纤传感器补偿方法，其特征在于传感材料置于λ/8波片与全反射镜之间，偏振分光棱镜置于该λ/8波片的另一侧，第一，第二自聚焦透镜分别垂直设置在该偏振分光棱镜的两相邻表面，第一、二自聚焦透镜将第一、二路光束分时准直为平行光，先后通过偏振分光棱镜、λ/8波片，传感材料，经全反镜反射后由偏振分光棱镜分解成透射与反射光束，再分别由第一、二自聚焦透镜注入光纤由第一、二光电探测器接收送至信号处理系统。

所说的第一、二自聚焦透镜端面到所说的分光棱镜的分光膜光程相同，由此构成结构完全对称的两组准直系统和两组成象系统。

所说的第一、二路光可由同一光源产生的一束光经一光开关分时产生。

本发明的补偿方法与中国专利Z87104439.0号所述的补偿方法相比，其突出优点在于：一是传感探头采用反射式补偿光路，不仅结构简单、紧凑，而且使传感系统的灵敏度提高了一倍;二是分时工作的两路光都通过传感探头部分，从而对传感探头各光学元件特性变化对测量的不利影响进行了补偿;三是采用单光源分时发光的工作方式，弥补了双光源发光特性不一致造成的不利影响;

因此该补偿方法更具有传感测量系统测量精度高、长期稳定性好等优点，取得较好的补偿效果。

本发明提出一种高精度偏振调制型光纤传感器补偿方法具体实施例，其原理示意如图2所示。光发射一接收及信号处理系统（30）和传感探头（40）由光缆（50）相连。光源（31）发出的光经光开关（32）转换为交替分时发出的两路光。第一路光经光纤耦合器（33）和光纤（38）传至传感探头（40），由自聚焦透镜（41）准直为平行光，先后通过偏振分光棱镜（43）、λ/8波片（44）和传感材料（45）、经全反镜（46）反射，光沿入射光路返回，先后通过传感材料（45）和λ/8波片（44），由偏振分光棱镜（43）按不同偏振分成两束光，透射光由自聚焦透镜（41）注入光纤（38），并经光纤耦合器（33）传至光电探测器（36），反射光由自聚焦透镜（42）注入光纤（39），并经光纤耦合器（34）传至光电探测器（35），探测器（36）和（35）输出的光电信号送给信号处理系统（37）。透镜（41）出射光传播方向定为Z轴，X、Y、Z轴组成直角右手坐标系，λ/8波片的慢轴与X轴成45°角。

控制光开关（32）转换的第二路光经光纤耦合器（34）和光纤（39）传至传感探头（40），由自聚焦透镜（42）准直为平行光，经偏振分光棱镜（43）反射，先后通过λ/8波片（44）和传感材料（45），经全反镜（46）反射，光沿入射光路返回，先后通过传感材料（45）和λ/8波片（44），由偏振分光棱镜（43）按不同偏振分成两束光，透射光由自聚焦透镜（41）注入光纤（38），并经光纤耦合器（33）传至光电探测器（36），反射光由自聚焦透镜（42）注入光纤（39），并经光纤耦合器（34）传至光电探测器（35），探测器（36）和（35）输出的光电信号送给信号处理系统（37）。

光纤（38）和（39）参数相同，自聚焦透镜（41）和（42）的参数一致，采用单光源分时发出的两路光在光纤（38）和（39）激发起相同的传输光模式，透镜（41）和（42）端面至偏振分光棱镜（43）的分光膜光程相同，两个透镜既作为发射，又作为接收，由此构成两组准直系统和两组成象系统结构完全对称，从而保证两路传输光在整个光路中传输光模式相同。

下面介绍补偿原理：

光源（31）发出光通过光开关（32）转换为交替分时发出的两路光：

第一路光发光时，探测器（36）和（35）输出的光电信号i₃₆和i₃₅分别为：

i₃₆＝ 1/2 I₀L_3YL₅L₅L′_3YR₃₆L₁K²sin²（ (π)/4 + (δ)/2 ） （1）

i₃₅＝ 1/2 I₀L_3YL₅L₆L′_4YR₃₅L₂KCOS²（ (π)/4 + (δ)/2 ） （2）

[1]、[2]式中：

I₀-由光开关（32）出射的第一路光功率;

L_3Y、L′_3Y-分别为光正向和反向通过光纤耦合器（33）的传输系数;

L₅、L₆-分别为光通过光纤（38）和光纤（39）的传输系数;

L₁、L₂-分别为由透镜（41）出射平行光经光路系统回到透镜（41）和（42）的传输系数;

K-偏振分光棱镜（43）透射光与反射光的分光比;

R₃₆、R₃₅-分别为光电探测器（36）和（35）的响应度;

δ-被测外场在传感材料（45）中引起双折射对X、Y方向偏振引入的位相差。

第二路光发光时，探测器（36）和（35）输出的光电信号i′₃₆和i′₃₅分别为：

i′₃₆＝ 1/2 I′₀L_4YL₆L₅L′_3YR₃₆L′₂Kcos²（ (π)/4 + (δ)/2 ） （3）

i′₃₅＝ 1/2 I′₀L_4YL₆L₆L′_4YR₃₅L′₁sin²（ (π)/4 + (δ)/2 ） （4）

（3）、（4）式中：

I′₀-由光开关（2）出射的第二路光功率;

L_4Y、L′_4Y-分别为光正向和反向通过光纤耦合器（34）的传输系数;

L′₁、L′₂-分别为由透镜（42）出射平行光经光路系统回到透镜（41）和（43）的传输系数。

由前面所述光路系统的完全对称性L₁＝L′₁，L₂＝L′₂，则信号处理系统（37）对（1）-（4）式所表示的信号进行如下运算可得：

$Q=\frac{i_{36}-i_{35}}{i_{36}-i_{15}}={\mathrm{tg}}^4(\frac{n}{4}+\frac{\mathrm{\δ}}{2})$

（5）

可见，Q与光源发光功率、光纤传输损耗和光电探测器响应度无关，而且对传感探头分光棱镜分光比、光学元件传输损耗的变化也进行了补偿，达到了补偿的目的。

本发明适用于各种利用偏振面旋转或双折射变化构成的偏振调制型光纤传感器的补偿，以克服光源发光功率、光纤传输损耗和光电探测器响应度以及传感探头各光学元件传输损耗特性变化对测量产生的不利影响，提高了系统测量精度和稳定性。

本发明的具体应用举例：

基于电光效应的光纤电压传感器。

使用Bi₄Ge₃O₁₂晶体作为传感材料，光沿晶体的〈 110〉方向传输，被测电场沿〈110〉方向施加在晶体上，则电场引起双折射产生的位相差：

δ＝ (2π)/(λ) n³y₄₁E（2L） （6）

（6）式中：

λ-真空中的光波长;

n-晶体的折射率;

y₄₁-晶体的电光系数;

L-晶体的通光方向长度。

采用光源的中心波长为0.85μm，对于Bi₄Ge₃O₁₂晶体，y₄₁＝0.95×10^-12m/v，n＝2.07，通过测量Q值，便可求出相应的电场强度E。

Claims (3)

1、一种高精度偏振调制型光纤传感器补偿方法，其特征在于传感材料置于λ/8波片与全反射镜之间，偏振分光棱镜置于该λ/8波片的另一侧，第一，第二自聚焦透镜分别垂直设置在该偏振分光棱镜的两相邻表面，第一、二自聚焦透镜将第一、二路光束分时准直为平行光，先后通过偏振分光棱镜、λ/8波片，传感材料，经全反镜反射后由偏振分光棱镜分解成透射与反射光束，再分别由第一、二自聚焦透镜注入光纤由第一、二光电探测器接收送至信号处理系统。

2、如权利要求1所述方法，其特征在于所说的第一、二自聚焦透镜端面到所说的分光棱镜的分光膜光程相同，由此构成结构完全对称的两组准直系统和两组成象系统。

3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所说的第一、二路光由同一光源产生的一束光经一光开关分时产生。