专利名称：偏振型直流量光纤传感器补偿方法
技术领域：
本发明涉及偏振型直流量光纤传感器补偿方法。
为了使偏振型直流量光纤传感器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的变化必须加以补偿，现有补偿方法有(一)惠斯登桥式网络这种补偿方式目前最好的实现办法是将四支光纤耦合器分别跨接在传感头前后与参考光路之间，使两根接收光纤先后传导来自两个光源发出的光，然后通过比率运算达到补偿目的。这种方法的优点是可用于大多数远距离测量的直流量光纤传感器。但光纤耦合器分光比对入射光模式较强的依赖使该方法仍不能满足高精度测量要求。
(二)单光源传感头偏振分光。这种方法的优点是结构简单。但不能保证两根接收光纤传输损耗变化的一致，光电探测器响应度的变化不能补偿。
本发明的目的是为解决现有偏振型直流量光纤传感器补偿方法的不足，提高测量精度，使偏振型直流量光纤传感器尽早步入实用阶段。
本发明具体实施方案如下附图
是偏振型直流量光纤传感器补偿原理示意图。如附图光发射与接收系统(22)和光学探头(23)由六芯光缆(6)连接。(1)和(2)为两支波长一致的红外发光二极管。光源(1)发射光由光纤(4)经扰模器(5)传至探头，光纤(4)出射的发散光经自聚焦透镜(7)准直变为平行光束后先后通过起偏器(8)、敏感材料(9)和1/4波片(10)，偏振分光棱镜(11)将通过1/4波片的光束按不同偏振分成两束，透射光束由自聚集透镜(13)注入光纤(14)并经该光纤传至光电探测器(16)，反射光束由自聚集透镜注入光纤(15)并经该光纤传至光电探测器(17)，探测器(16)和(17)输出的光电信号送给信号处理系统(18)。起偏器(8)的偏振轴与X轴成45°角〔透镜(7)出射光束传播方向定为Z轴，X、Y、Z三轴组成直角右手坐标系〕。1/4波片的快轴与X轴成45°角。偏振分光棱镜是由两块45°直角光学玻璃棱镜(其中一块的弦面上镀有偏振分光膜)以弦面胶合而成，偏振分光棱镜平行于YZ面的截面为正方形，偏振分光膜通过该正方形的对角线并垂直于YZ平面。通过1/4波片的光束垂直于光束入射的分光棱镜表面入射，出射分光棱镜的透射光束为Y方向偏振，出射分光棱镜的反射光束为X方向偏振并与透射光束相垂直。透镜(12)靠近分光棱镜一侧的接收端面至其接收光束所通过的棱镜出射表面垂直距离与透镜(13)靠近分光棱镜一侧的接收端面至其接收光束所通过的棱镜出射表面垂直距离相等。光纤(14)和(15)参数相同。从光学成象角度看三个1/4波节的自聚集透镜(7)、(12)、(13)和偏振分光棱镜构成了透射和反射两组一倍成象系统，将光纤(4)出射端面分别成象于光纤(15)和(14)接收端面上。这两组成象系统在偏振分光膜以后的部分结构对称，所用光学元件参数一致，从而基本排除了该分光系统分光比对入射光模式的依赖，具有分光比稳定度高的特点。
光源(2)出射光由光纤(19)经扰模器(20)传至探头，光纤(19)出射的发散光经自聚集透镜(21)准直变为平行光束(沿Y轴反方向传播)后直接被分光棱镜(11)按偏振分成两束，透射光束(Z方向偏振)由透镜(12)注入光纤(15)并经该光纤传至探测器(17)，反射光束(X方向偏振)由透镜(13)注入光纤(14)并经该光纤传至探测器(16)。透镜(21)靠近偏振分光棱镜一侧的出射端面至其出射光束入射的分光棱镜表面光程与透镜(7)靠近偏振分棱镜一侧的出射端面至其出射光束入射的分光棱镜表面光程相等。自聚焦透镜(21)和(7)的参数一致，光纤(4)和(19)参数相同。这样由光纤(4)和自聚焦透镜(7)及光纤(19)和自聚集透镜(21)组成的两组准直系统从光学上看对分光棱镜是对称的。扰模器(5)和(20)的作用是使光纤(4)和(19)所传输的光模式相同，从而保证透镜(7)和(21)出射的光在光纤(14)或(15)中激发起基本相同的光模式。
下面具体介绍补偿原理。
光源(1)、(2)采用脉冲交替工作方式。
当光源(1)发光，光源(2)不发光时，探测器(16)和(17)输出的光电信号i16和i17分别为i16＝(1/2)I0L14R16(1+sinθ) (1)i17＝(1/2)I0L15R17(1-sinθ) (2)(1)、(2)式中I0-入射偏振分光棱镜的光功率;
L14、L15-分别为光纤(14)和光纤(15)在光源(1)发光时刻对所传输光的损耗系数;
R16、R17-分别为探测器(16)和(17)在光源(1)发光时刻的响应度;
θ-被测外场在敏感材料中诱发的双折射(慢、快轴分别沿X、Y轴方向)对X、Y方向偏振引入的位相差。
若被测外场作用于敏感材料后是引起偏振面沿逆时针方向(顺着光束传播方向看)旋转θ角，此时去掉1/4波片后仍可得到(1)和(2)式。
当光源(2)发光，光源(1)不发光时，探测器(16)和(17)输出的光电信号i′16和i′17分别为i′16＝I′0L′14R′16(3)i′17＝I′0L′15R′17(4)(3)、(4)式中I′0-入射偏振分光棱镜的光功率;
L′14、L′15-分别为光纤(14)和(15)在光源(2)发光时刻对所传输光的损耗系数;
R′16、R′17-分别为探测器(16)和(17)在光源(2)发光时刻的响应度。
光纤传输损耗除与光波长有关外还与温度和传输光模式有关。由前述，光源(1)、(2)发光波长一致且两光源发出的光在光纤(14)或(15)中激发基本相同的传输光模式。因此当二光源发光时间间隔足够短时有R16＝R′16，R17＝R′17，L14＝L′14，L15＝L′15。则信号处理系统(18)对(1)-(4)式所表示的信号进行如下运算可得S＝(i16/i′16-i17/i′17)/(i16/i′16+i17/i′17)＝2Sinθ(5)在θ＜＜1时有S≈20(6)最后得到S与光源发光功率、光纤传输损耗及光电探测器响应度无关而仅与θ有关的结果。
本项发明适用于各种利用偏振面旋转或双折射变化构成的强度型直流量光纤传感器，尤其是在远距离测量时仍可达到高精度测量。
具体实施例方式基于光弹性效应的光纤压力传感器。
使用石英玻璃作为敏感材料，其在X、Y、Z轴三方向上的几何尺寸分别为12×3×3，被测压力平行于X岱较蚴┘釉诔し教宀ＡУ牧蕉耍馐豘方向垂直于材料表面入射，则由应力双折射对X、Y方向偏振引入的位相差θ为θ＝2πc/lσ/λ(7)上式中c-应力-光学常数;
σ-被测压力在材料中产生的X方向单向应力值;
l-光束在材料中传播的几何长度;
λ-真空中光波长。
对石英玻璃实测其c值为0.17×10-6/MPa。所用发光管的中心波长为8500 。当σ≤139MPa(对应于θ≤30°)时，S与σ近似成正比关系，得σ≈Sλ/(4πcl)(8)据(5)式算出S后便可由(8)式确定σ值。
权利要求
1.一种双光源偏振型直流量光纤传感器补偿方法，其特征在于在传感头中使用一个长方体偏振分光棱镜完成双光束的分束及合束功能，偏振分头棱镜装在1/4波片与自聚焦透镜(13)之间，分光棱镜的偏振分光膜为长方体的一个对角面，自聚焦透镜(7)准直光束在通过1/4波片后垂直于光束入射的分光棱镜表面入射并与偏振分光膜成45°角，分光后的透射与反射光束相互垂直，透射光束由自聚焦透镜(13)注入光纤(14)，反射光束由自聚焦透镜(12)注入光纤(15)；自聚焦透镜(21)准直光束垂直于光束入射的分光棱镜表面入射并与偏振分光膜成45°角，分光后的透射光束与反射光束相互垂直，透射光束由自聚焦透镜(12)注入光纤(15)，反射光束由自聚焦透镜(13)注入光纤(14)；在光纤(4)和(19)靠近光源(1)和(2)一侧各加装扰模器一支。
2.根据权利要求1所述的双光源偏振型直流量光纤传感器补偿方法，其特征在于自聚焦透镜(12)靠近偏振分光棱镜一侧的接收端面至其接收光束出射的偏振分光棱镜表面垂直距离与自聚集透镜(13)靠近偏振分光棱镜一侧的接收端面至其接收光束出射的偏振分光棱镜表面垂直距离相等。
3.根据权利要求1所述的双光源偏振型直流量光纤传感器补偿方法，其特征在于自聚集透镜(21)靠近偏振分光棱镜一侧的出射端面至其出射光束入射的偏振分光棱镜表面光程与自聚焦透镜(7)靠近偏振分光棱镜一侧的出射端面至其出射光束入射的偏振分光棱镜表面光程相等。
全文摘要
用于偏振型直流量光纤传感器的补偿。本发明在传感头中使用一偏振分光棱镜，将来自两光源(中心光波长相同)的两束入射光束分束及合束，其中通过敏感材料后的入射光被偏振分光棱镜分成两路差动信号光，分束及合束后的两光束分别由两根接收光纤传至两支光电探测器。
文档编号G02B27/10GK1030303SQ87104439
公开日1989年1月11日 申请日期1987年6月23日 优先权日1987年6月23日
发明者王安波, 林钧岫, 何实, 吴波, 伍伟思 申请人:大连工学院