一种光纤传感系统及获取与偏振相关的测量数据的方法_2

文档序号:8497837阅读:来源:国知局
偏器的透光轴方位,1I5s2是表示隔离光纤出射口的快速轴方位,0 ¥是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟,Θ 5是表示隔离光纤总体相位延迟;
[0039]n = nT*cos2(itv-1tA) + nK*sin2(itv-1tA),其中,在偏振计为三阶的情况下有:
[0040] η τ= -sin2 ( Φ Μ_ Φ S1) cos2 ( Φ S2_ Φ ν) _cos2 ( Φ Μ_ Φ S1) sin2 ( φ S2- φ ν).cos ( θ s),[0041 ] η R= +sin2 ( Φ Μ_ Φ S1) sin2( Φ S2_ Φν).cos ( θ ν) _cos2 ( Φ Μ_ Φ S1) cos2( Φ S2_ Φ ν)
[0042].cos ( θ ν) cos ( θ s) +cos2 ( φ Μ- φ S1).I.sin ( θ ν) sin ( θ s),
[0043]式中,Φν是表示传感元件的快速轴方位,Φ八是表示检偏器的透光轴方位,Φ ?是表示相位调制元件的快速轴方位,I^si是表示隔离光纤入射口的快速轴方位,Φ S2是表示隔离光纤出射口的快速轴方位,θν是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟,Θ s是表示隔离光纤总体相位延迟;
[0044]步骤43、设置传感元件的快速轴方向与检偏器的透光轴方向之间的夹角后,构建出固有函数组。
[0045]进一步地,所述步骤2中的待测物理量包括电压、电流、压力。
[0046]本发明具有如下优点:本发明使得光纤偏振计能有效地消除外部机械振动和环境温度等各种外部时变特性对测量结果的影响,使得测量所获得的数据更精准。
【附图说明】
[0047]下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
[0048]图1为三阶偏振计的结构示意图。
[0049]图2为光纤传感系统的基本光路图。
[0050]图3为光纤传感系统的光强与阶梯状矩形波相位差调制的关系。
[0051 ] 图4为本发明方法执行流程图。
【具体实施方式】
[0052]如图1所示,该三阶偏振计包括起偏器P、第一双折射元件Μ、第二双折射元件S、第三双折射元件V、检偏器A ;起偏器P由其透光轴方位Φ P来描述,第一双折射元件M由其快速轴方位Φ Μ和所产生的相位差或相位延迟θ Μ来描述,第二双折射元件S由其快速轴方位杓和所产生的相位差或相位延迟Θ s来描述,第三双折射元件V由其快速轴方位Φ v和所产生的相位差或相位延迟θ ν来描述,检偏器A由其透光轴方位Φ八来描述。
[0053]该三阶偏振计的出射光的光强表达式⑴为:
[0054]I ⑴=γ (t) 10 (t) { α - (1/2) sin2 ( Φ Ρ- Φ M) sin2 ( Φ Μ- Φ s) cos2 ( Φ s- Φ v)cos2 ( Φ v- Φ A).cos(9M)-(l/2)cos2(itp-1tM)sin2(itM-1ts)sin2(its-1tv)cos2 ( Φ v- Φ A).cos(0s)-(l/2)sin2(itp-1tM)cos2(itM-1ts)sin2(its-1tv)cos2 ( Φ v- Φ A).cos( Θ s)cos( Θ M) + (l/2)sin2( ΦΡ-ΦΜ).I.sin2(its-1tv)cos2 ( φ v- φ A).sin ( Θ s) sin ( Θ M) - (1/2) cos2 ( Φ P- Φ M) cos2 ( Φ M- Φ s) sin2 ( Φ s- Φ v)s in2 ( Φ v- Φ A).cos(0v) + (l/2)sin2(itP-1tM)sin2(itM-1ts)sin2(its-1tv)sin2 ( φ v- φ A).cos ( Θ v) cos ( Θ M) - (1/2) cos2 ( Φ P- Φ M) sin2 ( Φ M- Φ s) cos2 ( Φ s- Φ v)sin2( φν- φΑ).cos ( θ v) cos ( Θ s)+ (1/2) cos2 ( Φ P-Φ M) sin2 ( Φ M-Φ s).1 ?sin2( φν-φΑ).sin ( Θ v) sin ( Θ s) -(1/2) sin2 ( φ p- φ M) cos2 ( Φ M- Φ s) cos2 ( φ s- φ v) sin2 ( φ v- φ A).cos ( Θ v)cos ( Θ s) cos ( Θ M) + (1/2) sin2 ( Φ P- Φ M) cos2 ( Φ M- Φ s).I.sin2 ( φ v- φ A).sin ( Θ v)sin( Θ s)cos( Θ M) + (l/2)sin2( ΦΡ-ΦΜ).I.I.sin2 ( φ v- φ A).sin ( Θ v) cos ( Θ s)sin ( Θ M) + (1/2) sin2 ( Φ P- Φ M).I.cos2 ( Φ s- Φ v) sin2 ( Φ v- Φ A).cos ( Θ v) sin ( Θ s)sin( θ M)}
[0055]其中α的式子⑵为:
[0056]α = { [cos2 ( Φ Ρ-Φ M) cos2 ( Φ Μ-Φ s)+sin2 ( Φ Ρ-Φ M) sin2 ( Φ Μ-Φ s)]cos2 ( Φ s- Φ ν) + [cos2 ( Φ Ρ- Φ Μ) sin2 ( Φ Μ- Φ s) +sin2 ( φ ρ- φ Μ) cos2 ( Φ Μ_ Φ s) ] sin2 ( Φ s_ Φ ν) ]}cos2 ( Φ ν- Φ Α) + { [cos2 ( Φ Ρ- Φ Μ) cos2 ( Φ Μ- Φ s) + sin2 ( Φ Ρ- Φ Μ) sin2 ( Φ Μ- Φ s)]sin2 ( Φ s- Φ ν) + [cos2 ( Φ Ρ- Φ Μ) sin2 ( Φ Μ- Φ s) +sin2 ( φ ρ- φ Μ) cos2 ( Φ Μ- Φ s) ] cos2 ( Φ s_ Φ ν) ]}sin2( Φν- ΦΑ)
[0057]式子(I)中,10 (t)是光源发出的光强度,Y (t)是各单元对光的透射率总效果。
[0058]传统的光纤偏振计基本光路,是在偏振器对的前面和后面各有一根光纤,前一根为入射光纤,后一根为接收光纤,由于偏振器对之间的距离较小,故将偏振器对以及它们之间的双折射单元都安装在同一基板上。为了区别于传统的光纤偏振计,本发明的光纤传感系统的基本光路如图2所示,该光纤传感系统的基本光路包括光源、起偏器P、相位调制元件M、隔离光纤S、传感元件V、检偏器A,隔离光纤S将光纤传感系统分离为两块基板,一块由起偏器P、相位调制元件M组成的调制模块,另一块由传感元件V、检偏器A组成的传感模块,隔离光纤S可将调制模块、传感模块进行远距离空间隔离;起偏器P由其透光轴方位ΦΡ来描述,相位调制元件M由其快速轴方位ΦΜ和所产生的相位差或相位延迟θ μ来描述,隔离光纤S由其入射口的快速轴方位Its1、隔离光纤总体相位延迟03以及出射口的快速轴方位来描述,传感元件V由其快速轴方位Φ ¥和所产生的相位差或相位延迟θ γ来描述,检偏器A由其透光轴方位1^来描述。
[0059]基于调制模块,该光纤偏振计的出射光强一般表达式为:
[0060]I (t) = (1/2) γ (t)10(t) {2a+cos2(itp-1])M) β+8?η2(Φρ-φΜ)η * cos [ 0M(t)]+sin2(itp-1])M) ζ.sin[ θ M(t)]} (3)
[0061]式子⑶中,1。(0是光源发出的光强度,Y⑴是各单元对光的透射率总效果,a为式子⑵的值,β、η、ζ为固有函数。
[0062]基于传感模块,对于式子(3)中的固有函数η和ζ,可提炼为:
[0063]η = η τ * cos2 ( φ ν- φ A) + η E * Sin2 ( φ ν- φ Α) (4a)
[0064]ζ = ζ τ.cos2 ( Φ ν_ Φ Α) + ζ κ.sin2 ( Φ ν_ Φ Α) (4b)
[0065]式子(4a)_(4b)中,Φv是表示传感元件的快速轴方位,Φ A是表示检偏器的透光轴方位。
[0066]对于如图2所示的光纤传感系统,式子(4a)中的ητ、ηκ和式子(4b)中的ζ τ、ζ κ具体表达式为:
[0067]q τ= -sin2 ( Φ Μ_ Φ S1) cos2 ( Φ S2_ Φ ν) _cos2 ( Φ Μ_ Φ S1) sin2 ( Φ S2_ Φ ν).cos ( θ s)(5a)
[0068]η Ε= +s ?η2 ( Φ Μ_ Φ S1) s i η 2 ( Φ S2_ Φ ν).cos(0v)-cos2(itM-1tsl)cos2 ( φ S2- φ ν).cos ( θ ν) cos ( θ s) +cos2 ( φ Μ- φ S1).I.sin ( θ ν) sin ( θ s) (5b)
[0069]ζ τ= sin2 ( Φ S2- Φ ν).sin ( θ s) (5c)
[0070]ζ Ε= cos2 ( Φ S2- Φ ν).sin ( θ s) cos ( θ ν) +cos ( θ s) sin ( θ ν) (5d)
[0071]式子(5a)_(5d)中,Φv是表不传感兀件的快速轴方位,Φ A是表不检偏器的透光轴方位,ΦM是表示相位调制元件的快速轴方位,Φ S1是表示隔离光纤入射口的快速轴方位, 是表示隔离光纤出射口的快速轴方位,θ v是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟,Θ 5是表示隔离光纤总体相位延迟;
[0072]式子(5a)_(5d)是从实测光强信息中与系统函数分离出来的固有函数η和ζ,它们已脱离了测量系统时变特性的影响,含有隔离光纤[^S1,Θ s]、[Φ52]和待测物理量[Φν,θν]的信息。经过多光路的组合安排,可从与各光路系统相应的固有函数中,将待测物理量[Φν,θν]的信息抽取出来。
[0073]为了使数学分析简单化,采用周期性的阶梯状矩形波作为基本的调制波形,其光强与阶梯状矩形波相位差调制的关系如图3所示,将图2中的起偏器P的透光轴方位与相位调制元件的M快速轴方位的夹角设置为45度,即(ΦΡ-ΦΜ) =45°,此时式子(3)可进一步化简为:
[0074]I(t) = (1/2) γ (t)10(t) {1+n * cos[ θΜ(?)]+ζ.sin[ 0M(t)]} (6)
[0075]式中,γ (t)是各单
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