基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光学传感器。特别是涉及一种基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器及其方法。
【背景技术】
[0002]作为21世纪科技发展支柱技术的信息技术是建立在传感器、通信、计算机等相关技术基础之上。其中，传感器是信息数据采集不可或缺的工具，其也是物联网中的核心部件。虽然传统的机械、化学等传感器技术相对成熟，但是其存在精度低、易受干扰等不足。光学传感器凭借其优良的性能在许多领域可以替代传统传感器并且可以拓展传感器使用的领域。比如光学传感器既可用于常规传感如监测电力系统的电流、电压、电磁等重要参数，又可以用于复杂的实测地点如水下探测、航空监测以及辐射检测等。光学传感器可采用低电压电源供电甚至无源系统，使其尤为适用于安全防爆措施要求严格的检测现场。此外，结合无线和(或)有线数据传输，还可实现基于光学传感器的远程多点实时测控。
[0003]目前基于具有频谱谐振特性的光学传感元件的光学传感器系统一般包括一个波长可调光源或宽带光源，一个具有频谱谐振特性的光学传感元件和一个光谱仪，如K.DeVosj 1.BartolozzijE.Schachtj P.Bienstmanj and R.Baetsj^Si I icon-on-1nsuIatormicroring resonator forsensitive and label-free b1sensing,〃0pt.Express15，7610-7615(2007)。光谱仪可以测量出频谱谐振特性的变化从而提取出待传感的信息量。这种方案需要使用价格昂贵且设备复杂的光谱仪，其测量精度和准确度依赖于光源和光谱仪的分辨率、精度和稳定度。这些要求显著增加了传感器的复杂度和成本，降低了可靠性和便携性。
[0004]另一种光学传感器方案使用宽谱光源，一个可以将不同波长区分开(色散)的光栅解复用器，和一个光探测器阵列，如“一种基于无源谐振腔和光栅解复用器级联光波导传感器”，专利号:2011205416922。所述的光栅解复用器和探测器阵列中任意一个探测器组成一个带通滤波器，通过不同探测器所检测光信号的变化提取出待传感的信号量。基于这种方案的光学传感器的测量精度主要取决于光栅解复用器的色散的分辨率、精度和稳定度，而光栅解复用器的色散精度和稳定度在实际制备中易受制造工艺精度影响，在使用过程中易受到外界环境波动如温度变化等的影响。这些影响降低了方案的实用性和传感器的可靠性。此外，这种方案需要大量使用光探测器，又增加了传感器的成本和功耗。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够通过避免使用昂贵的光谱仪、波长可调光源以及光探测器阵列，有效降低传感器的成本和传感系统复杂程度的基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器及其方法。
[0006]本发明所采用的技术方案是:一种基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器，包括有窄带光源，所述的窄带光源的出射光连接滤波特性可调的光学传感元件，所述光学传感元件的调控输入端连接用于调控光学传感元件频谱滤波特性的调控元件，所述光学传感元件的输出端连接光探测器，所述调控元件和光探测器还分别连接信号处理和控制元件。
[0007]所述的光学传感元件具有带通滤波特性、带阻滤波特性、高通滤波特性、低通滤波特性和全通滤波特性中的至少一个。
[0008]所述的光学传感元件是表面等离子波谐振结构、光栅结构、有限脉冲响应滤波器、无限脉冲响应滤波器、仅改变信号相位关系的全通滤波器和在一设定频域改变透光率或吸光度的滤波器的光学结构中的至少一个。
[0009]所述的光探测器是能够测量光信号的功率、相位和偏振信息中的至少一个信息量的光探测器。
[0010]所述的调控元件是通过热光、声光、电光、光光、磁光和机械光效应中的至少一种光学效应来改变光学传感元件的频谱滤波特性。
[0011]所述的光学传感元件包括有接收窄带光源发出的窄带光的母线光波导，位于母线光波导一侧的耦合接收母线光波导内传输光的环状光波导谐振腔，以所述环状光波导谐振腔为载体的光传感介质材料，用于调控光学传感元件的频谱滤波特性的调控元件位于所述的环状光波导谐振腔的外侧。
[0012]所述的光传感介质材料是材料本身的光学性质随物理生化效应发生相应的改变，所述物理生化效应包括有压力、应力、速度、加速度、流量、流速、温度、湿度、气体、液体、生物试剂、声、光、电、电磁场和福射效应中的至少一个，所述光传感介质材料的可变的光学性质为折射率、光吸收率、极化，发光强度和偏振相关的量度参数中的至少一个。
[0013]所述的光学传感元件包括有干涉仪和设置在所述干涉仪内的光传感介质材料，其中，所述的干涉仪是由接收窄带光源发出的窄带光的第一光分路器或光合并器和与所述第一光分路器或光合并器所分出的两路光对接的第二光分路器或光合并器，所述第二光分路器或光合并器的出射光连接光探测器，所述光传感介质材料设置在第一光分路器或光合并器和第二光分路器或光合并器对接的一条光路上，用于调控光学传感元件的频谱滤波特性的调控元件设置在第一光分路器或光合并器和第二光分路器或光合并器对接的另一条光路上，所述的光传感介质材料是材料本身的光学性质随物理生化效应发生相应的改变，所述物理生化效应包括有压力、应力、速度、加速度、流量、流速、温度、湿度、气体、液体、生物试剂、声、光、电、电磁场和福射效应中的至少一个，所述光传感介质材料的可变的光学性质为折射率、光吸收率、极化，发光强度和偏振相关的量度参数中的至少一个。
[0014]所述的窄带光源，是激光光源或非相干光源，或是频谱宽带光源和频域带通滤波器的叠加而成的窄带光源；或是有限个窄带光源的组合。
[0015]—种基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器的传感方法，包括如下步骤:
[0016]I)启动光学传感器的各个部件，包括光源、具有频谱滤波特性且滤波特性可调的光学传感元件、调控元件、光探测器和信号处理和控制元件；
[0017]2)施加待传感的信号量前，调控元件在信号处理和控制元件的监控下，在设定值域范围内渐进的改变调控元件的光学效应调控参数，光探测器测量光学传感元件受调控元件调控后的出射光信号信息，信号处理和控制元件记录下调控元件的光学效应调控参数和光探测器测量得到的相对应的出射光信号信息；
[0018]3)施加待传感的信号量后，待传感的信号量引发的物理生化效应改变以光学传感元件为载体的光传感介质材料的光学性质，进而改变光学传感元件的包括频谱滤波特性在内的光学性质；
[0019]4)待传感的信号量与光传感介质材料发生引发光学传感元件的频谱滤波特性改变的物理生化效应后，调控元件在信号处理和控制元件的监控下，再次在设定值域范围内渐进的改变调控元件的光学效应调控参数，光探测器测量到光学传感元件受调控元件调控后的出射光信号信息，信号处理和控制元件记录下调控元件的光学效应调控参数和光探测器测量得到的相对应的出射光信号信息；
[0020]5)信号处理和控制元件比对并分析施加待传感的信号量前后的两次测量得到的光信号信息和调控参数的数据，提取出待传感的信号量参数，完成传感过程。
[0021]本发明的一种基于窄带光源和滤波特性可调元件的光学传感器及其方法，通过避免使用昂贵的光谱仪、波长可调光源以及光探测器阵列，有效降低传感器的成本和传感系统复杂程度。此外，本发明因为光学传感元件的频谱滤波特性可以被调节，所以无需对光源和光学传感元件进行精确的校准，降低了制造工艺和操作环境对传感元件精度和稳定度的影响，进一步提高了传感器的可靠