專利名稱：基于正交雙偏振光纖激光器的液壓傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種用于檢測液體壓カ信號(hào)的傳感器，特別涉及ー種基于光纖技術(shù)檢測靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)液體壓カ信號(hào)的傳感器。
背景技術(shù)：
目前，壓カ傳感器種類較多，比較常見的有電感式、電阻式、電容式和壓電式，它們主要是基于電學(xué)原理設(shè)計(jì)制作而成的，它們將液體壓カ信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的一些參量的變化，由此實(shí)現(xiàn)聲壓信號(hào)測量。其缺點(diǎn)是，易受電磁干擾、穩(wěn)定性差、壽命短。特別是，電子元器件一般需要本地儀器，不適合于深水或油井中部署陣列測量液體的靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)液壓。光纖傳感器技術(shù)可彌補(bǔ)傳統(tǒng)電子式液壓傳感器的上述不足。相對于傳統(tǒng)的電類傳 感器，光纖傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)靈敏度高、不受電磁干擾、結(jié)構(gòu)小巧、易于組網(wǎng)等，在眾多領(lǐng)域已經(jīng)取代傳統(tǒng)的電類傳感器，具有更廣泛的應(yīng)用前景。在光纖液壓傳感器開發(fā)方面，已經(jīng)進(jìn)行了多種嘗試。通過對各種光纖傳感原理了解，可歸納出光纖傳感基本原理光源發(fā)出的光經(jīng)過受外界參數(shù)作用的調(diào)制區(qū)后參數(shù)發(fā)生變化，經(jīng)過探測器檢測得出外界參數(shù)變化量。光的參數(shù)改變分為波長、頻率、相位、光強(qiáng)和偏振態(tài)的改變，這些參數(shù)最終需轉(zhuǎn)化為波長或光強(qiáng)才能被探測器接收。例如，文獻(xiàn)“Measurements of polarimetric sensitivity to hydrostaticpressure,strain and temperature in birefringent dual-core microstructuredpolymer fiber” I麥見 Szczurowski，Marcin KjMartynkien, Tadeusz ; StatKiewicz-Barabach, Gabriela;Urbanczyk, Waclaw;Webb, David J，Optics Express, Vol. 18Issuel2,pp.12076-12087,2010)描述了基于雙芯朔料光纖，采用干涉方法對信號(hào)進(jìn)行解調(diào)的液壓傳感器。這類基于干涉方法解調(diào)信號(hào)的液壓傳感器一般具有較高的靈敏度，但是其復(fù)用能力差，需要非常復(fù)雜的技術(shù)才能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器組網(wǎng)，陣列部署時(shí)成本十分昂貴。再如，文獻(xiàn)“High-sensitivity temperature-independent differentialpressure sensor using fiber Bragg gratings'，bheng, Hao-Jan; Liu, Wen-Fung; Lin, Kuei-Ru;Bor, Sheau-Shong;Fu, Ming-Yue, Optics Express, Vol. 16Issue20, pp. 16013-16018,2008)描述了基于光纖光柵的液壓傳感器，為了提高靈敏度附加了復(fù)雜的增敏裝置。這類基于光纖光柵的傳感器將液壓轉(zhuǎn)換為光纖光柵的工作波長的變化，通過檢測波長變化獲知聲壓信息。這類傳感器易于復(fù)用，但一般靈敏度較低，增敏裝置往往比較復(fù)雜且需要波長解調(diào)，解調(diào)設(shè)備昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種解調(diào)成本低廉、體積小、增敏結(jié)構(gòu)簡單、易于組網(wǎng)的光纖液壓傳感器。本發(fā)明利用光電探測器作為傳感単元，光電探測器在無線電射頻域產(chǎn)生一個(gè)拍頻信號(hào)，它將液壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為此拍頻信號(hào)頻率的變化，通過檢測拍頻信號(hào)頻率來實(shí)現(xiàn)對液壓的測量，靈敏度高、解調(diào)簡單、易于復(fù)用。本發(fā)明的目的可以通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)基于雙偏振光纖激光器的液壓傳感器，包括光纖激光器、增敏構(gòu)件、光電探測器和信號(hào)解調(diào)單元；所述光纖激光器封裝在增敏構(gòu)件的應(yīng)カ分布不對稱區(qū)域，增敏構(gòu)件在液壓信號(hào)作用下向光纖激光器施加側(cè)向作用力，使光纖激光器的兩個(gè)正交方向受到不相等的壓カ；所述光纖激光器、光電探測器和信號(hào)解調(diào)單元依次連接，光電探測器將光纖激光器所產(chǎn)生的兩束正交偏振的激光信號(hào)轉(zhuǎn)化為ー個(gè)無線電射頻域的拍頻信號(hào)，拍頻信號(hào)的頻率隨光纖激光器的光纖慢軸與光纖快軸的有效折射率之差改變而改變。所述增敏構(gòu)件包括第一硬體單元和第二硬體單元；所述第一硬體單元的楊氏模量大于第二硬體單元的楊氏模量，第一硬體單元在光纖激光器側(cè)面，第二硬體單元完全包裹第一硬體単元及光纖激光器。所述第一硬體單元為金屬絲；所述第二硬體単元為膠體固化物。所述第一硬體単元為鋼絲，所述第二硬體單元為紫外固化膠固化物?！に鲈雒魳?gòu)件還包括為半封閉凹型槽狀物的第三硬體単元；所述第三硬體単元作為基座通過第二硬體単元與光纖激光器和第一硬體単元粘結(jié)。所述第三硬體單元為石英U型槽。所述第二硬體単元與光纖激光器面接觸；第一硬體単元與第二硬體単元面接觸；第二硬體単元與第三硬體単元面接觸。上述液壓傳感器還包括泵浦光源、泵浦光隔離器、WDM波分復(fù)用器、激光隔離器、起偏器和檢偏器，泵浦光源、泵浦光隔離器和WDM波分復(fù)用器依次連接，光纖激光器、WDM波分復(fù)用器、激光隔離器、起偏器、檢偏器和光電探測器依次連接。所述信號(hào)解調(diào)單元為頻譜分析儀或解調(diào)電路。所述泵浦光源為980nm泵浦光源；所述泵浦光隔離器對對應(yīng)泵浦源發(fā)出的特定波長的光起隔離作用；所述激光隔離器為1550nm光隔離器。所述光纖激光器為分布布拉格反射光纖激光器(通過在同一個(gè)增益光纖上刻寫一對波長匹配的布拉格光柵構(gòu)成諧振腔，由外設(shè)980nm泵浦光源作為泵源的單縱模激光器)或者為分布反饋光纖激光器(通過在增益光纖上刻寫ー個(gè)相移為n/2的相移光柵，由外設(shè)980nm泵浦光源作為泵源的單縱模激光器)。本發(fā)明的工作原理如下泵浦光通過泵浦光隔離器，由WDM波分復(fù)用器的980nm端ロ進(jìn)入WDM波分復(fù)用器再由WDM波分復(fù)用器的公共端ロ進(jìn)入光纖激光器，光纖激光器發(fā)出具有兩束正交偏振態(tài)的激光，這兩束激光再通過WDM波分復(fù)用器的公共端ロ進(jìn)入WDM波分復(fù)用器，由WDM波分復(fù)用器的1550nm端ロ進(jìn)入1550nm隔離器再通過起偏器，再通過檢偏器進(jìn)入光電探測器，在光電探測器內(nèi)將兩束正交偏振的激光信號(hào)轉(zhuǎn)化為ー個(gè)無線電射頻域拍頻信號(hào)，當(dāng)光纖激光器的兩個(gè)正交方向受到不同的壓カ時(shí)，光纖激光器的雙折射發(fā)生改變使兩束正交偏振的激光的頻率差發(fā)生改變，從而此拍頻信號(hào)的頻率會(huì)發(fā)生改變。在膠體固化物、細(xì)鋼絲與U型槽構(gòu)成的增敏構(gòu)件的封裝結(jié)構(gòu)中，由于細(xì)鋼絲的楊氏模量遠(yuǎn)大于膠體固化物的楊氏模量，造成封裝結(jié)構(gòu)的不對稱，引起膠體固化物中的應(yīng)カ分布不對稱，這種不対稱的封裝結(jié)構(gòu)在液體中將原本對光纖激光器的兩個(gè)正交方向貢獻(xiàn)壓力基本相等的液壓信號(hào)(在不應(yīng)用增敏構(gòu)件時(shí)拍頻信號(hào)頻率對液壓信號(hào)的變化不敏感)轉(zhuǎn)化為對光纖激光器兩個(gè)正交方向不等的壓力，使光纖激光器的雙折射(既光纖慢軸與光纖快軸的有效折射率之差)發(fā)生改變從而導(dǎo)致拍頻信號(hào)的頻率發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)增敏。因此，通過檢測拍頻信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)對靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)液壓的測量。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果與傳統(tǒng)的電類傳感器相比，具有不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)；與現(xiàn)有光纖聲壓傳感器相比，將聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為在無線電射頻域的拍頻信號(hào)，它具有靈敏度高、解調(diào)簡單、解調(diào)成本低廉、易于復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖I的側(cè)視圖；圖3是本發(fā)明的液壓傳感光路原理圖；圖4是應(yīng)用增敏構(gòu)件時(shí)與未用增敏構(gòu)件時(shí)的靈敏度對比圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)ー步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例I如圖1、2所示，在本實(shí)施例中，作為第一硬體單元的細(xì)鋼絲2在光纖激光器I側(cè)面，光纖激光器I和細(xì)鋼絲2被作為第二硬體単元的紫外固化膠固化物3完全包裏，作為第三硬體単元的石英U型槽4通過作為基座的紫外固化膠固化物3與光纖激光器I和細(xì)鋼絲2粘結(jié)。細(xì)鋼絲2、紫外固化膠固化物3與石英U型槽4對光纖激光器I的不對稱封裝結(jié)構(gòu)將在液體中原本對光纖激光器的兩個(gè)正交方向貢獻(xiàn)壓力基本相等的液壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為對光纖激光器兩個(gè)正交方向不等的壓力，使光電探測器所產(chǎn)生的拍頻信號(hào)對液壓信號(hào)的變化敏感；改變光纖激光器的雙折射使兩束正交偏振的激光的頻率差發(fā)生改變，從而使拍頻信號(hào)的頻率發(fā)生改變，以此測量液體的壓カ值。光纖激光器I為正交偏振雙頻激光器，當(dāng)光纖激光器的雙折射(既光纖的慢軸與快軸的有效折射率之差)發(fā)生變化時(shí)，光纖激光器的偏振拍頻信號(hào)的頻率發(fā)生變化，故而，光纖激光器的偏振拍頻隨液壓信號(hào)而變化。如圖3所示，泵浦光源10產(chǎn)生的泵浦光通過泵浦光隔離器11，由WDM波分復(fù)用器12的980nm端ロ進(jìn)入WDM波分復(fù)用器12再由WDM波分復(fù)用器12的公共端ロ進(jìn)入光纖激光器1，光纖激光器I發(fā)出兩束正交偏振的激光信號(hào)，這兩束激光再通過WDM波分復(fù)用器12的公共端ロ進(jìn)入WDM波分復(fù)用器12，由WDM波分復(fù)用器12的1550nm端ロ經(jīng)1550nm光隔離器5進(jìn)入起偏器6，再通過檢偏器7進(jìn)入光電探測器8，在光電探測器8內(nèi)兩束正交偏振的激光信號(hào)轉(zhuǎn)化為一個(gè)無線電射頻域拍頻信號(hào)，最后通過解調(diào)電路9將信號(hào)解調(diào)。如圖4所示，在應(yīng)用增敏構(gòu)件封裝之前傳感器的靈敏度為-0. 59MHz/MPa，使用增敏構(gòu)件封裝之后的靈敏度為53. 9MHz/MPa，靈敏度提高了 90多倍。本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易想到在具體實(shí)施中，光纖激光器I既可以采用分布布拉格反射(DBR)結(jié)構(gòu)，也可以采用分布反饋(DFB)結(jié)構(gòu)；增益光纖既可以采用摻鉺光纖，也可以采用Er/Yb共摻光纖；細(xì)鋼絲2可由其他楊氏模量較大的金屬絲代替；紫外固化膠固化物3可以由其他膠體固化物代替；石英U型槽4也可以由其他材質(zhì)較堅(jiān)硬的半封閉凹型槽狀物代替。上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的 限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.基于雙偏振光纖激光器的液壓傳感器，其特征在于包括光纖激光器、增敏構(gòu)件、光電探測器和信號(hào)解調(diào)單元；所述光纖激光器封裝在增敏構(gòu)件的應(yīng)カ分布不對稱區(qū)域，增敏構(gòu)件在液壓信號(hào)作用下向光纖激光器施加側(cè)向作用力，使光纖激光器的兩個(gè)正交方向受到不相等的壓カ；所述光纖激光器、光電探測器和信號(hào)解調(diào)單元依次連接，光電探測器將光纖激光器所產(chǎn)生的兩束正交偏振的激光信號(hào)轉(zhuǎn)化為一個(gè)無線電射頻域的拍頻信號(hào)，拍頻信號(hào)的頻率隨光纖激光器的光纖慢軸與光纖快軸的有效折射率之差改變而改變。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液壓傳感器，其特征在于所述增敏構(gòu)件包括第一硬體単元和第二硬體単元；所述第一硬體単元的楊氏模量大于第二硬體単元的楊氏模量，所述第一硬體單元設(shè)置在光纖激光器側(cè)面，第二硬體単元完全包裹第一硬體単元及光纖激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液壓傳感器，其特征在于所述第一硬體單元為金屬絲；所述第二硬體單元為膠體固化物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的液壓傳感器，其特征在于所述第一硬體単元為鋼絲，第二硬體單元為紫外固化膠固化物。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液壓傳感器，其特征在于所述增敏構(gòu)件還包括為半封閉凹型槽狀物的第三硬體単元；所述第三硬體単元作為基座通過第二硬體単元與光纖激光器和第一硬體單元粘結(jié)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的液壓傳感器，其特征在于所述第三硬體單元為石英U型槽。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液壓傳感器，其特征在于還包括泵浦光源、泵浦光隔離器、WDM波分復(fù)用器、激光隔離器、起偏器和檢偏器，泵浦光源、泵浦光隔離器和WDM波分復(fù)用器依次連接，光纖激光器、WDM波分復(fù)用器、激光隔離器、起偏器、檢偏器和光電探測器依次連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液壓傳感器，其特征在于所述光纖激光器為正交偏振雙頻光纖激光器。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液壓傳感器，其特征在于所述光纖激光器為分布布拉格反射光纖激光器或者為分布反饋光纖激光器。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液壓傳感器，其特征在于所述信號(hào)解調(diào)單元為頻譜分析儀或解調(diào)電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于雙偏振光纖激光器的光纖液壓傳感器，包括正交偏振雙頻光纖激光器，還包括將光纖激光器完全包裹的紫外固化膠固化物和在光纖激光器一側(cè)的石英U型槽且在液壓信號(hào)作用下向光纖激光器施加側(cè)向作用力的增敏構(gòu)件。本發(fā)明利用正交偏振雙頻光纖激光器作為傳感單元，正交偏振雙頻光纖激光器在無線電射頻域產(chǎn)生一個(gè)拍頻信號(hào)，將液壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為此拍頻信號(hào)頻率的變化，通過檢測拍頻信號(hào)頻率來實(shí)現(xiàn)對聲壓的測量，靈敏度高、解調(diào)簡單、易于復(fù)用。
文檔編號(hào)G01L11/02GK102778324SQ20121024197
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月12日
發(fā)明者全戰(zhàn), 關(guān)柏鷗, 李夢萍, 程凌浩, 金龍 申請人:暨南大學(xué)