專利名稱：基于強(qiáng)度檢測(cè)差分解調(diào)的HiBi-PCF-FLM應(yīng)力傳感器及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于強(qiáng)度監(jiān)測(cè)差分解調(diào)的高雙折射光子 晶體光纖環(huán)鏡(fiber loop mirrors made of highly birefringent photonic crystal fiber, HiBi-PCF-FLM)應(yīng)力傳感器。
背景技術(shù)：
高雙折身寸光纖環(huán)鏡(fiber loop mirrors made of highly birefringent fiber， HiBi-FLM)傳感器是近年來發(fā)展的一類新型光纖器件。目前，因其具有輸入偏振無關(guān)、高消 光比和低成本等優(yōu)點(diǎn)，HiBi-FLM已被應(yīng)用于波分復(fù)用濾波器和傳感器中。然而，HiBi-FLM 在測(cè)量應(yīng)力或其它物理量時(shí)，對(duì)溫度的交叉敏感限制了 HiBi-FLM傳感器的廣泛應(yīng)用。光 子晶體光纖(photonic crystal fiber，PCF)是一種具有優(yōu)良光學(xué)特性的新型光纖。通 過在FLM中插入具有溫度不敏感特性的高雙折射光子晶體光纖(highly birefringent photonic crystal fiber, HiBi-PCF)可以有效消除傳感器對(duì)溫度的交叉敏感。然而，目前報(bào)道的大部分HiBi-FLM傳感器是基于波長監(jiān)測(cè)來實(shí)現(xiàn)傳感的，因此系 統(tǒng)需要昂貴的波長檢測(cè)設(shè)備，使得傳感系統(tǒng)成本較高、限制了此類傳感器的應(yīng)用。針對(duì)上 述問題，我們提出了兩類基于強(qiáng)度解調(diào)的HiBi-FLM傳感器(專利ZL200920291754. 1和 ZL200920202121. 9)?；趶?qiáng)度解調(diào)的HiBi-FLM傳感器同樣會(huì)遇到光源抖動(dòng)及傳感系統(tǒng)各 種不穩(wěn)定因素所帶來的干擾問題，影響測(cè)量精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的就是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中HiBi-PCF-FLM傳感器解調(diào)單元精度不高的 問題，提供了一種基于強(qiáng)度檢測(cè)差分解調(diào)的HiBi-PCF-FLM溫度傳感器，此解調(diào)方案可以有 效消除光源抖動(dòng)及傳感系統(tǒng)中不穩(wěn)定因素所帶來的干擾。本發(fā)明為解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案基于強(qiáng)度檢測(cè)差分解調(diào)的HiBi-PCF-FLM應(yīng)力傳感器包括寬帶光源、3dB耦合器、 HiBi-PCF、波分復(fù)用器、光電轉(zhuǎn)換器及信號(hào)處理單元。3dB耦合器一邊的兩個(gè)端口分別與寬帶光源、波分復(fù)用器的入射端光連接，3dB耦 合器另一邊的兩個(gè)端口分別與HiBi-PCF的兩端光連接；波分復(fù)用器的第5信道和第16 信道為兩個(gè)出射端口與光電轉(zhuǎn)換器及信號(hào)處理單元光連接。3dB耦合器和HiBi-PCF構(gòu)成 HiBi-PCF-FLM, HiBi-PCF-FLM是傳感元；波分復(fù)用器、光電轉(zhuǎn)換器及信號(hào)處理單元構(gòu)成光 纖傳感器的解調(diào)器。本發(fā)明所具有的有益效果為1.以HiBi-PCF-FLM為傳感元，可以有效消除傳感元對(duì)溫度的交叉敏感。2.波分復(fù)用器同時(shí)提供兩個(gè)用于差分處理的光強(qiáng)度信號(hào)并將光強(qiáng)度信號(hào)有效地 分開。由于這兩個(gè)光強(qiáng)度信號(hào)分別落在HiBi-PCF-FLM的正斜率區(qū)和負(fù)斜率區(qū)，因而它們的變化趨勢(shì)相反，有利于成倍提高傳感系統(tǒng)的靈敏度。3.光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理單元把光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)并進(jìn)行快速差分處理。兩 個(gè)光強(qiáng)信號(hào)在系統(tǒng)中經(jīng)過相同的路徑，因此差分后的結(jié)果能有效消除光源抖動(dòng)及傳感系統(tǒng) 各種不穩(wěn)定因素所帶來的干擾。4.本發(fā)明中解調(diào)系統(tǒng)的使用，避免了昂貴的光譜儀等波長監(jiān)測(cè)設(shè)備的使用，大大 降低了傳感器成本。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步描述。如圖1所示，基于強(qiáng)度檢測(cè)差分解調(diào)的HiBi-PCF-FLM應(yīng)力傳感器及裝置，包括寬 帶光源l、3dB耦合器2、HiBi-PCF3、HiBi-PCF-FLM4、波分復(fù)用器5、光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理單 元6。3dB耦合器2 —邊的一個(gè)端口與寬帶光源1光連接，3dB耦合器2 —邊的另一個(gè)端口 與波分復(fù)用器5的入射端光連接，波分復(fù)用器5的第5信道和第16信道為兩個(gè)出射端口與 光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理單元6光連接，3dB耦合器2另一邊的兩個(gè)端口分別與HiBi-PCF3的兩 端光連接；3dB耦合器2和HiBi-PCF3構(gòu)成HiBi_PCF_FLM4。本實(shí)施方式的工作方式為寬帶光源發(fā)出的光入射到傳感元HiBi-PCF-FLMJ^a 傳感元HiBi-PCF-FLM的作用，傳感元HiBi-FLM的透射光入射到波分復(fù)用器，波分復(fù)用器的 出射光進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理單元。當(dāng)HiBi-PCF的長度為79. 5mm時(shí)，HiBi-PCF-FLM兩 相鄰?fù)干浞宓牟ㄩL間隔為定值35. 6nm。通過選擇波分復(fù)用器的規(guī)格和通信信道，使波分復(fù) 用器出射的兩部分波長分別落在HiBi-PCF-FLM的正斜率區(qū)和負(fù)斜率區(qū)。應(yīng)力的改變會(huì)引 起傳感元HiBi-PCF-FLM透射譜的左右平移，從而引起兩部分波長的光強(qiáng)發(fā)生的變化且變 化趨勢(shì)相反。光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡妷盒盘?hào)Vl和V2，引入差分量，AV= (V1-V2)/ (V1+V2)。Vl和V2是光源經(jīng)同一路徑到監(jiān)測(cè)設(shè)備，Vl和V2中可能包含光源抖動(dòng)以及系統(tǒng) 其它不穩(wěn)定因素帶來的噪聲干擾，差分處理后，Δ V僅與應(yīng)力信號(hào)有關(guān)，而與噪聲信號(hào)無關(guān)， 該裝置正是通過Δ V來反映傳感元HiBi-PCF-FLM應(yīng)力的變化。當(dāng)光源功率變化士 10%時(shí)， 利用差分解調(diào)原理測(cè)得的溫度相對(duì)誤差約為0. 5%，測(cè)量精度達(dá)99%。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)消除噪聲、提高精度的關(guān)鍵技術(shù)為1.利用波分復(fù)用器將特定波長的光提取出來，這樣就可以通過監(jiān)測(cè)特定波長的光 強(qiáng)度檢測(cè)應(yīng)力，避免使用價(jià)格昂貴的波長監(jiān)測(cè)設(shè)備。2. HiBi-PCF的長度與波分復(fù)用器的規(guī)格和通信信道相匹配，使被監(jiān)測(cè)的兩部分波 長的光強(qiáng)變化趨勢(shì)相反，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行信號(hào)差分處理，可以成倍地提高了傳感系統(tǒng)的靈敏度。3.在信號(hào)處理單元引入差分運(yùn)算AV= (V1_V2)/(V1+V2、)。本實(shí)施例中HiBi-PCF，在波長為1550nm時(shí)折射率差為8. 5 X 10_4，兩個(gè)正交偏振模 場(chǎng)直徑為3.6 μ m和3. 1 μ m。波分復(fù)用器為AWG型波分復(fù)用器，其信道數(shù)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5信道和第16信道作為兩個(gè)出射端口，它們的中心波長分別為1552.61nm和1535. Olnm。
權(quán)利要求
1.基于強(qiáng)度檢測(cè)差分解調(diào)的HiBi-PCF-FLM應(yīng)力傳感器包括寬帶光源、3dB耦合器、 HiBi-PCF、波分復(fù)用器、光電轉(zhuǎn)換器及信號(hào)處理單元。3dB耦合器一邊的兩個(gè)端口分別與寬帶光源、波分復(fù)用器的入射端光連接，3dB耦合 器另一邊的兩個(gè)端口分別與HiBi-PCF的兩端光連接，波分復(fù)用器的第5信道和第16信 道為兩個(gè)出射端口與光電轉(zhuǎn)換器及信號(hào)處理單元光連接。3dB耦合器和HiBi-PCF構(gòu)成 HiBi-PCF-FLM, HiBi-PCF-FLM是傳感元；波分復(fù)用器、光電轉(zhuǎn)換器及信號(hào)處理單元構(gòu)成光 纖傳感器的解調(diào)器。
2.如權(quán)利要求1所述的HiBi-PCF，其特征在于具有溫度不敏感特性，消除了傳感元對(duì) 溫度的交叉敏感。
3.如權(quán)利要求1所述的波分復(fù)用器，其特征在于將某些特定波長的光提取出來，這樣 就可以通過監(jiān)測(cè)特定波長的光強(qiáng)檢測(cè)應(yīng)力，避免使用價(jià)格昂貴的波長監(jiān)測(cè)設(shè)備。
4.如權(quán)利要求1所述的波分復(fù)用器，其特征在于波分復(fù)用器提取的兩個(gè)光強(qiáng)度信號(hào)分 別落在HiBi-PCF-FLM的正斜率區(qū)和負(fù)斜率區(qū)，因而它們的變化趨勢(shì)相反，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行 信號(hào)差分處理，可以成倍地提高了傳感系統(tǒng)的靈敏度。
5.如權(quán)利要求1所述的波分復(fù)用器，其特征在于同時(shí)提供兩個(gè)光強(qiáng)信號(hào)，并將這兩個(gè) 光強(qiáng)信號(hào)有效地分開。
6.如權(quán)利要求1所述的光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理單元，其特征在于把光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓 信號(hào)并進(jìn)行快速差分處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于強(qiáng)度檢測(cè)差分解調(diào)的HiBi-PCF-FLM應(yīng)力傳感器及裝置。本發(fā)明中3dB耦合器一邊的兩個(gè)端口分別與寬帶光源、波分復(fù)用器的入射端光連接，3dB耦合器另一邊的兩個(gè)端口分別與HiBi-PCF的兩端光連接；波分復(fù)用器的第5信道和第16信道為兩個(gè)出射端口與光電轉(zhuǎn)換器及信號(hào)處理單元光連接。3dB耦合器和HiBi-PCF構(gòu)成HiBi-PCF-FLM，HiBi-PCF-FLM是傳感元；波分復(fù)用器、光電轉(zhuǎn)換器及信號(hào)處理單元構(gòu)成光纖傳感器的解調(diào)器。本發(fā)明有效消除光源抖動(dòng)及傳感系統(tǒng)各種不穩(wěn)定因素所帶來的干擾，而且大大提高了系統(tǒng)的精度。
文檔編號(hào)G01L1/24GK102095536SQ20101055378
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月19日
發(fā)明者王云鵬, 裘燕青, 趙春柳, 金尚忠, 錢文文 申請(qǐng)人:中國計(jì)量學(xué)院