專利名稱：帶溫度補償?shù)墓饫wsagnac干涉環(huán)應(yīng)變傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種帶溫度補償?shù)墓饫w高雙折射 sagnac 干涉環(huán)(High birefringent sagnac loop，Hi-Bi sagnac loop，高雙折身寸 薩格納克干涉環(huán))應(yīng)變傳感器。
背景技術(shù)：
近年來，光纖sagnac干涉環(huán)在傳感方面的應(yīng)用越來越引起人們的重視。光纖 sagnac干涉環(huán)傳感方案中，高雙折射光纖sagnac環(huán)在光纖傳感領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。 Hi-Bi sagnac (高雙折射薩格納克)干涉環(huán)是在基本的sagnac環(huán)中串聯(lián)一段高雙折射率 光纖，輸出光譜呈現(xiàn)出周期性的濾波特性，輸出光譜的周期決定于環(huán)中Hi-Bi光纖的雙折 射系數(shù)以及長度，而與環(huán)的長度無關(guān)。將此段高雙折射光纖作為傳感臂，當(dāng)外界環(huán)境參數(shù)如 溫度、應(yīng)變、折射率等改變作用于傳感臂時，Hi-Bi光纖的長度和雙折射系數(shù)都發(fā)生改變，導(dǎo) 致輸出光譜發(fā)生波長漂移。Hi-Bisagnac干涉環(huán)的傳感靈敏度較高(例如普通的光纖光柵 對溫度的敏感系數(shù)只有約0. Olnm/°C，長周期光纖光柵對溫度的敏感性可達到0. lnm/
而Hi-Bi sagnac環(huán)對溫度的敏感性可達lnm/°C )；另外Hi-Bi sagnac環(huán)還具有對輸入光 的偏振無關(guān)性、結(jié)構(gòu)簡單以及成本較低等優(yōu)點。實際的光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)中，各參數(shù)的交叉敏感是一個不可回避的關(guān)鍵問題，即 測量結(jié)果容易受到外部環(huán)境中多個參量的同時影響。例如常見的光纖光柵傳感器中，波長 信號的變化同時受溫度和應(yīng)力的影響。因此如何將多個參量造成的影響區(qū)分開來成為傳感 信號解調(diào)的關(guān)鍵，否則測量精度、測量范圍、反應(yīng)時間等其他性能都將成為空談。對Hi-Bi sagnac干涉環(huán)型傳感器同樣有此問題困擾，溫度和應(yīng)變都會引起輸出光譜的波長漂移。所 以研究傳感信號中的溫度交叉敏感問題對未來該型傳感器的實用化具有重大的現(xiàn)實意義 和應(yīng)用前景。經(jīng)對現(xiàn)有文獻檢索發(fā)現(xiàn)，2007年，0. Frazao, J.L.Santos，J. Μ. Baptista 等人 在《IEEEPhotonics Technology Letter (IEEE纖維光學(xué)技術(shù)快報)》發(fā)表了題為“Strain and temperaturediscrimination using concatenated high-birefringence fiber loop mirrors (基于級聯(lián)Hi-Bi光纖環(huán)鏡的應(yīng)變和溫度區(qū)分)”的文章，該文采用了兩個級聯(lián) 的Hi-Bi光纖環(huán)實現(xiàn)對溫度和應(yīng)變的區(qū)分，該技術(shù)中一個Hi-Bi環(huán)作為傳感臂，而另一個 Hi-Bi環(huán)作為溫度參考臂，利用兩環(huán)對應(yīng)變和溫度的靈敏性不同來解決溫度對應(yīng)變的交叉 敏感問題。但是該技術(shù)尺寸較大，不利于實際測量。又經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，2008年，F(xiàn)razao, 0.，D. Egypto 等人在《IEEE Photonics Technology Letter (IEEE 纖維光學(xué)技術(shù)快報)》上發(fā)表了 “Strain and temperature discrimination usinghigh-birefringence erbium-doped fiber loop mirror with high pump power laser (高功率泵浦的高雙折射摻鉺光纖環(huán)鏡的應(yīng)力和溫度區(qū)分)”，該技術(shù)采 取在sagnac干涉環(huán)中串聯(lián)一段特殊的摻鉺高雙折射光纖，在sagnac環(huán)內(nèi)加入波長為980nm 的泵浦源，利用加泵浦光前后Hi-Bi EDF對外界參數(shù)的靈敏度不同，來實現(xiàn)區(qū)分出溫度和應(yīng)變的目的。但是該技術(shù)環(huán)內(nèi)加入泵浦光源后泵浦光的穩(wěn)定性也會對測量結(jié)果造成較大影響，使得測量結(jié)果準(zhǔn)確率很低。經(jīng)檢索還發(fā)現(xiàn)，2009 年，hun-Liu，Ζ.，Ζ. Jiarong 等人在《Optics Communication, (光學(xué)通信)〉〉上發(fā)表了題為"Simultaneous strain and temperature measurement using a highlybirefringence fiber loop mirror and a long-period grating written in a photonic crystal fiber (基于高雙折射環(huán)鏡和光子晶體光纖上蝕刻長周期光纖光 柵的應(yīng)變和溫度同時測量)”的文章，該技術(shù)采用一段特殊的光子晶體光纖長周期光柵 (Long-period Grating written in a PhotonicCrystal Fiber,PCF LPG)作為溫度補償， Hi-Bi sagnac干涉環(huán)作為傳感臂，而PCF LPG則起到濾波器的作用，只要環(huán)的輸出譜和PCF LPG的透射譜二者窗口選擇得當(dāng)，則可以監(jiān)測到某波峰隨外界參數(shù)變化的波長漂移和功率 變化。通過波長和功率的監(jiān)測可以同時測量溫度和應(yīng)變的變化。但是該技術(shù)采用的PCF LPG 制備需要昂貴的設(shè)備，成本高且系統(tǒng)復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供一種帶溫度補償?shù)墓饫w sagnac干涉環(huán)應(yīng)變傳感器。本發(fā)明將聚合物光纖微環(huán)諧振腔與Hi-Bi sagnac干涉環(huán)級聯(lián) 起來作為光纖應(yīng)變感器，能排除溫度交叉敏感問題，結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小，成本低，從而實現(xiàn)高 靈敏應(yīng)變參數(shù)測量。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明包括Hi_Bi sagnac干涉環(huán)、光纖微環(huán)諧振腔、光學(xué)精密位移平臺、光源和 光譜分析儀，其中光源與光纖微環(huán)諧振腔相連傳輸光信號，Hi-Bi sagnac干涉環(huán)與光纖微 環(huán)諧振腔相連傳輸干涉后的光信號，光纖微環(huán)諧振腔和光譜分析儀相連傳輸經(jīng)過外界環(huán)境 影響后的光信號，Hi-Bi sagnac干涉環(huán)設(shè)置在光學(xué)精密位移平臺上。所述的光學(xué)精密位移平臺是光學(xué)精密四維調(diào)節(jié)架。所述的光源的帶寬范圍是1525nm-1570nm。所述的Hi-Bi sagnac干涉環(huán)包括耦合器、偏振控制器和雙折射光纖，其中耦合 器與偏振控制器相連傳輸光信號，光源與耦合器相連傳輸光信號，偏振控制器與雙折射光 纖的一端相連傳輸環(huán)內(nèi)干涉信息，雙折射光纖的另一端與耦合器相連傳輸經(jīng)過高雙折射光 纖后的光信息，耦合器與光纖微環(huán)諧振腔相連傳輸經(jīng)過干涉環(huán)后的輸出信息，雙折射光纖 固定在光學(xué)精密位移平臺上。所述的雙折射光纖同時置于溫度場和應(yīng)變場中，作為傳感臂。所述的光纖微環(huán)諧振腔包括基片和聚合物光纖環(huán)，其中聚合物光纖環(huán)設(shè)置在 基片上，聚合物光纖環(huán)的一端與Hi-Bi sagnac干涉環(huán)相連傳輸經(jīng)過干涉環(huán)后的干涉信息， 聚合物光纖環(huán)的另一端與光譜分析儀相連傳輸載有傳感信息的光信號。所述的基片是氟化鎂基片，或者是石英基片上鍍氟化鎂薄膜。所述的聚合物光纖環(huán)是采用聚甲基丙烯酸甲酯材料制成的，其置于溫度場中，作 為溫度參考臂。所述的聚合物光纖環(huán)的直徑范圍是100 μ m-200 μ m。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果將聚合物光纖微環(huán)諧振腔與Hi-Bisagnac干涉環(huán)級聯(lián)起來作為光纖應(yīng)變感器，可有效解決溫度和應(yīng)變的交叉敏感問題；由于 Hi-Bi sagnac干涉環(huán)和聚合物光纖微環(huán)諧振腔都具有靈敏度高的優(yōu)點，因此二者的結(jié)合有 助于充分發(fā)揮二者靈敏度高的優(yōu)點，制成高靈敏度光纖應(yīng)變傳感器；本發(fā)明中所采用的器 件都屬于常規(guī)器件，尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單，且制備聚合物光纖環(huán)的聚甲基丙烯酸甲酯材料價格 低廉，因此本發(fā)明成本很低。


圖1是實施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖；其中1_光纖微環(huán)諧振腔，2-光學(xué)精密四維調(diào)節(jié)架，3-光源，4-光譜分析儀，5_3dB 耦合器，6-偏振控制器，7-雙折射光纖。圖2是實施例光纖微環(huán)諧振腔的結(jié)構(gòu)組成示意圖；其中8_氟化鎂基片，9-聚合物光纖環(huán)，10-第一熔融拉錐型單模光纖，11-第二熔 融拉錐型單模光纖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前 提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
實施例如圖1所示，本實施例包括Hi_Bi sagnac干涉環(huán)、光纖微環(huán)諧振腔1、光學(xué)精密 四維調(diào)節(jié)架2、光源3和光譜分析儀4，其中光源3與光纖微環(huán)諧振腔1相連傳輸光信號， Hi-Bi sagnac干涉環(huán)與光纖微環(huán)諧振腔1相連傳輸干涉后的光信號，光纖微環(huán)諧振腔1和 光譜分析儀4相連傳輸經(jīng)過外界環(huán)境影響后的光信號，Hi-Bi sagnac干涉環(huán)設(shè)置在光學(xué)精 密四維調(diào)節(jié)架2上。所述的Hi-Bi sagnac干涉環(huán)包括3dB耦合器5、偏振控制器6和雙折射光纖7， 其中3dB耦合器5的與偏振控制器6相連傳輸光信號，光源3與3dB耦合器5相連傳輸光 信號，偏振控制器6與雙折射光纖7的一端相連傳輸環(huán)內(nèi)干涉信息，雙折射光纖7的另一端 與3dB耦合器5相連傳輸經(jīng)過高雙折射光纖后的信息，3dB耦合器5與光纖微環(huán)諧振腔1相 連傳輸經(jīng)過干涉環(huán)后的輸出信息，雙折射光纖7固定在光學(xué)精密四維調(diào)節(jié)架2上。所述的雙折射光纖7采用江蘇法爾勝光通信公司生產(chǎn)的直徑為80 μ m的“一”字 形保偏光纖，其在1550nm波段雙折射系數(shù)為9. 33X 10_4，雙折射光纖7同時置于溫度場和 應(yīng)變場中，作為傳感臂。如圖2所示，所述的光纖微環(huán)諧振腔1包括氟化鎂基片8和聚合物光纖環(huán)9，其 中聚合物光纖環(huán)9的一端通過第一熔融拉錐型單模光纖10與3dB耦合器5相連傳輸經(jīng)過 干涉環(huán)后的干涉信息，聚合物光纖環(huán)9的另一端通過第二熔融拉錐型單模光纖11與光譜分 析儀4相連傳輸載有傳感信息的光信號，聚合物光纖環(huán)9以及聚合物光纖環(huán)9和兩根熔融 拉錐型單模光纖的融合區(qū)域都固定在氟化鎂基片8上。所述的聚合物光纖環(huán)9是采用聚甲基丙烯酸甲酯材料制成的，其置于溫度場中， 作為溫度參考臂。
所述的聚合物光纖環(huán)9的直徑是120 μ m。所述的光源3采用ASE光源，其光源范圍是1525nm-1570nm。所述的光譜分析儀4采用Anristu Ms9710B型光譜分析儀。本實施例的工作過程是1)通過調(diào)整Hi-Bi sagnac干涉環(huán)中的偏振控制器6，調(diào)整Hi-Bi sagnac干涉環(huán) 的輸出光譜，選擇合適的諧振波長，使得Hi-Bi sagnac干涉環(huán)的某一諧振波長與光纖微環(huán) 諧振腔1的諧振波長區(qū)分開來，即在光譜分析儀4處可以清晰地觀察到二者的諧振波長。2)令應(yīng)變變化為零，溫度值變化Δ Τ,分別得到Hi-Bi sagnac干涉環(huán)的諧振波長 隨溫度變化的波長漂移量△ λ,和光纖微環(huán)諧振腔1的諧振波長隨溫度變化的波長漂移量 Δ λ 2，進而根據(jù)Δ λ i = Kit Δ T和Δ λ 2 = Κ2Τ Δ T得到Hi-Bi sagnac干涉環(huán)對溫度的敏感 系數(shù)Kit和光纖微環(huán)諧振腔1對溫度的敏感系數(shù)K2t。3)令溫度變化為零，應(yīng)變值變化Δ ε，得到Hi_Bi sagnac干涉環(huán)諧振波長對應(yīng)變 值的漂移量Δ λ i，進而根據(jù)AX1 = KeAs，得到Hi_Bi sagnac干涉環(huán)對應(yīng)變變化的敏感 系數(shù)KE。4)根據(jù)Hi-Bi sagnac干涉環(huán)對溫度的敏感系數(shù)Kit、光纖微環(huán)諧振腔1對溫度的 敏感系數(shù)K2t和Hi-Bi sagnac干涉環(huán)對應(yīng)變變化的敏感系數(shù)K ε，得到溫度和應(yīng)變的定標(biāo)公 式，具體是Δ T = Δ λ 2/Κ2ΤΔ ε = (Δ λ「Κ1τΔΤ)/Κε °本實施例對溫度和應(yīng)變的靈敏度分別為1. 08nm/°C和0. 95nm/ μ ε，相比于現(xiàn)有 的光纖光柵傳感器靈敏度提高了一個數(shù)量級，且結(jié)構(gòu)簡單、成本低。
權(quán)利要求
一種帶溫度補償?shù)墓饫wsagnac干涉環(huán)應(yīng)變傳感器，包括Hi-Bi sagnac干涉環(huán)、光學(xué)精密位移平臺、光源和光譜分析儀，其特征在于，還包括光纖微環(huán)諧振腔，其中光源與光纖微環(huán)諧振腔相連傳輸光信號，Hi-Bi sagnac干涉環(huán)與光纖微環(huán)諧振腔相連傳輸干涉后的光信號，光纖微環(huán)諧振腔和光譜分析儀相連傳輸經(jīng)過外界環(huán)境影響后的光信號，Hi-Bi sagnac干涉環(huán)設(shè)置在光學(xué)精密位移平臺上；所述的光纖微環(huán)諧振腔包括基片和聚合物光纖環(huán)，其中聚合物光纖環(huán)設(shè)置在基片上，聚合物光纖環(huán)的一端與Hi-Bi sagnac干涉環(huán)相連傳輸經(jīng)過干涉環(huán)后的干涉信息，聚合物光纖環(huán)的另一端與光譜分析儀相連傳輸載有傳感信息的光信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶溫度補償?shù)墓饫wsagnac干涉環(huán)應(yīng)變傳感器，其特征是，所 述的光學(xué)精密位移平臺是光學(xué)精密四維調(diào)節(jié)架。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶溫度補償?shù)墓饫wsagnac干涉環(huán)應(yīng)變傳感器，其特征是，所 述的光源的帶寬范圍是1525nm-1570nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶溫度補償?shù)墓饫wsagnac干涉環(huán)應(yīng)變傳感器，其特征是，所 述的Hi-Bi sagnac干涉環(huán)包括耦合器、偏振控制器和雙折射光纖，其中耦合器與偏振控 制器相連傳輸光信號，光源與耦合器相連傳輸光信號，偏振控制器與雙折射光纖的一端相 連傳輸環(huán)內(nèi)干涉信息，雙折射光纖的另一端與耦合器相連傳輸經(jīng)過高雙折射光纖后的光信 息，耦合器與光纖微環(huán)諧振腔相連傳輸經(jīng)過干涉環(huán)后的輸出信息，雙折射光纖固定在光學(xué) 精密位移平臺上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶溫度補償?shù)墓饫wsagnac干涉環(huán)應(yīng)變傳感器，其特征是，所 述的基片是氟化鎂基片，或者是石英基片上鍍氟化鎂薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶溫度補償?shù)墓饫wsagnac干涉環(huán)應(yīng)變傳感器，其特征是，所 述的聚合物光纖環(huán)的直徑范圍是100 μ m-200 μ m。
全文摘要
一種光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域的帶溫度補償?shù)墓饫wsagnac干涉環(huán)應(yīng)變傳感器，包括Hi-Bi sagnac干涉環(huán)、光纖微環(huán)諧振腔、光學(xué)精密位移平臺、光源和光譜分析儀，其中光源與光纖微環(huán)諧振腔相連，Hi-Bi sagnac干涉環(huán)與光纖微環(huán)諧振腔相連，光纖微環(huán)諧振腔和光譜分析儀相連，Hi-Bi sagnac干涉環(huán)設(shè)置在光學(xué)精密位移平臺上；所述的Hi-Bi sagnac干涉環(huán)包括耦合器、偏振控制器和雙折射光纖，雙折射光纖作為傳感臂同時置于溫度場和應(yīng)變場中；所述的光纖微環(huán)諧振腔包括基片和聚合物光纖環(huán)，聚合物光纖環(huán)僅置于溫度場中以進行溫度補償。本發(fā)明有效解決溫度和應(yīng)變的交叉敏感問題，尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單，成本低，且測量靈敏度高。
文檔編號G01B11/16GK101813459SQ20101016594
公開日2010年8月25日 申請日期2010年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者史杰, 朱敏, 畢美華, 肖石林, 陳荷 申請人:上海交通大學(xué);上海郵迅通信發(fā)展有限公司