双并联高双折射光纤sagnac干涉环多参数传感器

摘要

一种光纤通信技术领域的双并联高双折射光纤sagnac干涉环多参数传感器，包括：依次串 联的宽谱光源、波长选择开关、高双折射光纤sagnac干涉环、光纤合波器和光谱分析仪，双折射光纤sagnac干涉环由两个耦合器和两个偏振控制器组成。本发明通过波长选择开关将两个高双折射sagnac干涉环并联起来作为光纤传感器，能同时实现温度和应变测量，具有结构简单、成本低和测量精度高的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种光纤通信技术领域的系统及其传输方法，具体是一种双并联高双折射光纤sagnac干涉环多参数传感器。

背景技术

近年来，光纤传感器由于其相对传统传感器具有体积小、测量精度高、成本低以及可应用于强电磁干扰环境等优点，因而得到了广泛的关注。而在实际的光纤传感监测系统中，各参数的交叉敏感是一个不可回避的关键问题，即测量结果容易受到外部环境中多个参量的同时影响。例如常见的光纤光栅传感器中，波长信号的变化同时受温度和应力的影响。因此如何实现多个参量同时测量是未来光纤传感器的重要研究方向。

光纤sagnac干涉环在传感方面的应用越来越引起人们的重视。光纤sagnac干涉环传感方案中，高双折射光纤sagnac环(High birefringent sagnac loop，Hi-Bi sagnac loop)在光纤传感领域有着巨大的应用前景。Hi-Bi sagnac干涉环是在基本的sagnac环中串联一段高双折射率光纤，输出光谱呈现出周期性的滤波特性，输出光谱的周期决定于环中Hi-Bi光纤的双折射系数以及长度，而与环的长度无关。将此段高双折射光纤作为传感臂，当外界环境参数如温度、应变、折射率等改变作用于传感臂时，Hi-Bi光纤的长度和双折射系数都发生改变，导致输出光谱发生波长漂移。Hi-Bi sagnac干涉环的传感灵敏度较高(例如普通的光纤光栅对温度的敏感系数只有约0.01nm/℃，长周期光纤光栅对温度的敏感性可达到0.1nm/℃，而Hi-Bi sagnac环对温度的敏感性可达1nm/℃)；另外Hi-Bi sagnac环还具有对输入光的偏振无关性、结构简单以及成本较低等优点。

经对现有文献检索发现，2007年，O.Frazao，J.L.Santos，J.M.Baptista等人在《IEEEPhotonics Technology Letter(IEEE纤维光学技术快报)》发表了题为“Strain and temperaturediscrimination using concatenated high-birefringence fiber loop mirrors(基于级联Hi-Bi光纤环镜的应变和温度区分)”的文章，该文采用了两个级联的Hi-Bi光纤环实现对温度和应变的区分，该技术中一个Hi-Bi环作为传感臂，而另一个Hi-Bi环作为温度参考臂，利用两环对应变和温度的灵敏性不同来解决温度对应变的交叉敏感问题。但是该技术尺寸较大，不利于实际测量。

又经检索发现，2008年，Frazao，O.，D.Egypto等人在《IEEE Photonics Technology Letter(IEEE纤维光学技术快报)》上发表了“Strain and temperature discrimination usinghigh-birefringence erbium-doped fiber loop mirror with high pump power laser(高功率泵浦的高双折射掺铒光纤环镜的应力和温度区分)”，该技术采取在sagnac干涉环中串联一段特殊的掺铒高双折射光纤，在sagnac环内加入波长为980nm的泵浦源，利用加泵浦光前后Hi-Bi EDF对外界参数的灵敏度不同，来实现区分出温度和应变的目的。但是该技术环内加入泵浦光源后泵浦光的稳定性也会对测量结果造成较大影响，使得测量结果准确率低。

经检索还发现，2009年，hun-Liu，Z.，Z.Jiarong等人在《Optics Communication，(光学通信)》上发表了题为“Simultaneous strain and temperature measurement using a highlybirefringence fiber loop mirror and a

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种双并联高双折射光纤sagnac干涉环多参数传感器，通过波长选择开关将两个高双折射sagnac干涉环并联起来作为光纤传感器，能同时实现温度和应变测量，具有结构简单、成本低和测量精度高的优点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：依次串联的宽谱光源、波长选择开关、双折射光纤sagnac干涉环、光纤合波器和光谱分析仪，其中：双折射光纤sagnac干涉环由两个耦合器和两个偏振控制器组成。

所述的第一耦合器的一端与第一偏振控制器通过第一高双折射光纤相连构成第一折射光纤sagnac干涉环，另一端与波长选择开关和光纤合波器通过第一高双折射光纤相连。

所述的第二耦合器和的一端与第二偏振控制器通过第二高双折射光纤相连构成第二折射光纤sagnac干涉环，另一端以及波长选择开关和光纤合波器通过第二高双折射光纤相连。

所述的第一高双折射光纤固定设置于光学精密四维调节架上。

所述的宽谱光源的带宽范围是：1525nm-1570nm。

所述的波长选择开关采用基于液晶偏振控制的1×2波长选择开关。

所述的耦合器均为3dB耦合器

所述的第一高双折射光纤的包层直径为125μm，且该第一高双折射光纤同时置于温度场和应变场中作为传感臂。

所述的第二高双折射光纤的包层直径为80μm且该第二高双折射光纤仅置于温度场中。

所述的光纤合波器将两个干涉环的输出光谱汇聚起来输入光谱仪。

所述的光谱分析仪用来探测输出光谱信号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过波长选择开关将两个不同的高双折射sagnac干涉环并联起来作为光纤传感器，可有效解决温度和应变的同时测量问题；由于高双折射sagnac干涉环对温度和应变灵敏度高，因此二者的结合有助于充分发挥二者灵敏度高的优点，制成高灵敏度光纤传感器；本发明中所采用的器件包括3dB耦合器、偏振控制器、高双折射光纤等都属于常规器件，且各器件的连接都属于常规熔接，因此本发明具有成本较低和制备工艺简单的特点。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：依次串联的宽谱光源1、波长选择开关2、双折射光纤sagnac干涉环3、4、光纤合波器5和光谱分析仪6，其中：双折射光纤sagnac干涉环由两个耦合器7、10和两个偏振控制器8、11组成。

所述的第一耦合器7的一端与第一偏振控制器8通过第一高双折射光纤9相连构成第一折射光纤sagnac干涉环3，另一端与波长选择开关2和光纤合波器5通过第一高双折射光纤9相连。

所述的第二耦合器10和的一端与第二偏振控制器11通过第二高双折射光纤12相连构成第二折射光纤sagnac干涉环4，另一端以及波长选择开关2和光纤合波器5通过第二高双折射光纤12相连。

所述的第一高双折射光纤9固定设置于光学精密四维调节架13上。

所述的宽谱光源1的带宽范围是：1525nm-1570nm。

所述的波长选择开关2采用基于液晶偏振控制的1×2波长选择开关2。

所述的耦合器均为3dB耦合器

所述的第一高双折射光纤9包层直径为125μm，且该第一高双折射光纤同时置于温度场和应变场中作为传感臂。

所述的第二高双折射光纤12包层直径为80μm且该第二高双折射光纤仅置于温度场中。

所述的光纤合波器5将两个干涉环的输出光谱汇聚起来输入光谱仪。

所述的光谱分析仪6采用Anristu Ms9710B型，其波长分辨率为0.07nm。

本实施例的工作过程：

1)通过调整波长选择开关2，为两个高双折射sagnac干涉环分配合适的波长范围。

2)通过调整高双折射sagnac干涉环中的偏振控制器，选择合适的谐振波长，使得两环的谐振波长各自位于波长选择开关2为其分配的波长范围内，即在光谱仪6处可以清晰地观察到二者的谐振波长。

3)令应变变化为零，温度值变化，分别得到第一高双折射sagnac干涉环和第二高双折射sagnac干涉环的谐振波长随温度变化的波长漂移量，进而得到高双折射sagnac干涉环对温度的敏感系数，具体是：

Δλ₁＝K_1TΔT+K_εΔε

Δλ₂＝K_2TΔT

其中：Δλ₁是第一高双折射光纤9的谐振波长；Δλ₂为第二高双折射光纤128的谐振波长；Δε为应变的变化；ΔT为温度的变化；K_1T和K_ε分别是Δλ₁对温度和应变的敏感系数；K_2T是Δλ₂对温度的敏感系数。

4)令温度变化为零，应变值变化，得到高双折射sagnac干涉环谐振波长对应变值的漂移量，进而得到高双折射sagnac干涉环对应变变化的敏感系数，具体是：

Δλ₁＝K_1TΔT+K_εΔε

Δλ₂＝K_2TΔT

其中：Δλ₁是第一高双折射光纤9的谐振波长；Δλ₂为第二高双折射光纤12的谐振波长；Δε为应变的变化；ΔT为温度的变化；K_1T和K_ε分别是Δλ₁对温度和应变的敏感系数；K_2T是Δλ₂对温度的敏感系数。

5)得到温度和应变的定标公式，具体是：

ΔT＝Δλ₂/K_2T

Δε＝(Δλ₁-K_1TΔT)/K_ε

本实施例对温度和应变的灵敏度分别为0.90nm/℃和0.014nm/με，相比于传统的光纤光栅传感器灵敏度提高了一个数量级。