用于全光纤电流传感器的扭转高双折射光纤设计

传感光纤中的残余线性双折射、温度和振动敏感性严重影响着Sagnac 式全光纤电流传感器的精度。设计了一种可用于全光纤电流传感器的扭转高双折射光纤,该光纤由两端变速率扭转部分和中间匀速率扭转部分组成。其中,变速扭转部分能实现线偏振光和圆偏振光之间的相互转化,具有/4 波片功能;匀速扭转部分,具有较小的光纤固有线性双折射和圆保偏功能,从而可更为精确地感应法拉第效应。将这种扭转高双折射光纤绕制成特殊结构传感光纤环, 解决了Sagnac 效应以及电流导体位置对全光纤电流传感器测量结果的影响。理论上建立了扭转高双折射光纤的耦合模方程,模拟了线偏振光入射该光纤时光波偏振状态演化情况。在此基础上设计一种新型的抗振型Sagnac 式电流传感器。     

基于保偏光纤的高精度光纤光栅传感解调方案

提出一种基于线偏振光干涉原理的无源波长解调系统.在普通光纤环镜中引入双折射效应.光纤环镜的反射(透射)光强足耦合器分光比K、温度t、保偏光纤长度L和两端偏振方向夹角的函数.在单调区间内反射(透射)光强与t存在对应关系.通过测定光强口可求得t.利用矩阵光学原理建立理论模型,研究了保偏光纤长度、耦合器耦合系数、偏振光入射夹角对光纤环镜(FLM)反射(透射)光强与入射光波长关系影响的特性,设计了基于保偏光纤环镜的分辨率可控的干涉型解调仪.用自制光纤光栅作为传感头监测温度变化,数据显示该系统对温度的测量平均精度可达0.03℃,准确度±0.1℃.     

一种全光纤电流传感器温度补偿方法

为了解决传感光纤的弯曲、扭转以及外界工作环境的变化导致全光纤电流传感器测量精度降低的问题,提出了一种基于输出椭圆偏振光长轴斜率的全光纤电流传感器温度补偿方法。论证了椭圆偏振光长轴斜率能够反应输出椭圆偏振光的光椭率的大小,利用TMS320F28335和对应算法求出斜率,实验中使用输出椭圆偏振光长轴斜率对传感器进行修正并进行了实际测量。结果表明,基于该修正方法的测量系统,实现了在单次变温条件20℃~60℃内变化时测量结果偏差满足0.2s。这一结果对全光纤实用化研究是有帮助的。     

宽带光纤λ/4波片的温度特性

宽带光纤/4波片是一种特殊的变速旋转型双折射光纤。当其旋转速度由小到大逐渐增加时,可将输入的线偏振光转换为圆偏振光,同时具有理想的偏振变换带宽。结合全光纤电流互感器的光路模型,分析了宽带光纤/4波片的特性对互感器标度因数稳定性的影响。通过在邦加球上的轨迹,对宽带光纤波片快转端的本征态及两正交本征态间的耦合系数进行了实验研究,测量了其随温度的变化。实验结果表明,当波片转速变化曲线满足一定条件时,宽带光纤/4波片的温度效应对电流互感器标度因数稳定性的影响小于0.2%,远小于窄带光纤/4波片的影响。利用宽带光纤/4波片可有效提高光纤电流互感器系统的温度稳定性。     

相位因子对偏振转换光纤性能的影响

针对变转速旋转双折射光纤偏振转换器件的具体结构,采用相位延迟片模型和琼斯算法,逐点计算了光纤中光学偏振态的琼斯矢量。首次考虑了光纤器件内部各点的相位因子对传输光偏振态演化的影响,不仅计算了偏振消光比在光纤内部各点的变化曲线,而且也计算了偏振方位角沿光纤内部各点的变化图像,完整全面地给出了线偏振光自慢转端向快转端转变为圆偏振光和圆偏振光自快转端向慢转端转变为线偏振光的演化历程。深入讨论了相位因子对偏振转换性能的影响,为偏振转换光纤器件的设计和检测提供了进一步的参考依据。     

分段磁光光纤光栅的光谱特性研究

分段磁光光纤布拉格光栅(MFBG)是指在同一根磁光光纤上依次写入不同周期的光栅而形成的级联磁光光栅系统。根据均匀MFBG的耦合模理论,利用电磁场边界连续性条件,研究了分段MFBG中圆偏振光的光谱特性。研究表明,单段光栅时,圆偏振光在分段MFBG中的反射或透射光谱特性与均匀MFBG一致,理论计算的偏振相关损耗(PDL)变化曲线与实验结果基本吻合。两段或多段MFBG段级联时,分析了在外加磁场的控制下采用不同光栅周期的多段MFBG结构实现可调色散补偿、分布式磁场传感等光子信息处理的功能原理。     

光纤陀螺保偏光纤环几何轴向磁敏感性理论研究

在光纤陀螺中,磁场会造成法拉第相位误差。实验结果表明,轴向磁敏感性较径向更为明显。在轴向磁场作用下,在保编光纤中传播的正反两束光会产生一个与磁场有关的非互易相位差。研究了由光纤在光纤环上螺旋缠绕引起的几何轴向磁敏感性,利用耦合模方程和有限元分析法,从理论上推导出了保偏光纤陀螺在轴向磁场作用下,产生的几何法拉第非互易相位差的具体表达式,并对理论结果进行了仿真分析。研究表明,光纤环中光纤几何扭转引起的圆双折射是产生几何法拉第相位误差的主要原因。另外,轴向磁敏感性会随着半径的减小而增大。     

传感器用特种光纤

本文较全面地介绍了用于光纤传感器的各种光纤,开发传感器用特种光纤的主要技术途径,制作工艺及传感特性.它包括声学敏感光纤、磁敏光纤、低双折射光纤、圆双折射光纤、椭圆双折射光纤、线性双折射光纤、保偏光纤、偏振光纤、稀土离子掺杂光纤及特种材料多组份光纤及光纤光栅等.     

抑制光纤陀螺径向磁敏感性研究

研究了与光纤线圈平面平行的径向磁场作用下光纤陀螺的磁敏感性,分析了径向磁敏感性的主要机理是光纤扭转。基于此提出了利用补偿光纤环来抑制陀螺的径向磁敏感性的方法,通过控制补偿光纤的扭转分布特性,产生一个可控的补偿相位来抵消原有光纤环的径向磁敏感性误差。建立了补偿相位、径向磁敏感度与光纤扭转分布特性关系的数学模型,并对该模型进行了数据模拟和实验验证。通过定义补偿效能评估了径向磁敏感性的抑制效果,实验结果可以看出,径向磁敏感性补偿效能达到了63.76%,综合磁敏感性补偿效能达到了42.83%,表明该方法可以在一定程度上可以抑制光纤陀螺的径向磁敏感性。     

一种新的基于光纤光栅测电磁场的解调系统

提出了一种新的使用光纤光栅测电磁场的方法,依据磁场与光纤光栅偏振相关损耗(PDL)成正比的原理,运用1/4波片转化左、右旋圆偏振光为线偏振光,根据所检测出的两偏振光光强推算出磁场强度,并论证了其可行性.     

Effects of Temperature on Weak Principal Axis of Twisted Fiber Loop

Theoretically and experimentally, the effects of temperature on the weak principal axis of twisted optical fiber loop are analyzed, and the results show that the location of the pair of weak principal axis will drift with temperature change, which will deteriorate the stability of system when applied to sensor system. In this paper, the influence of phase drift of weak principal axis on the performance of optical fiber current sensor is mainly predicted theoretically. Our research results will provide a beneficial reference for improving optical fiber sensor system.     

Optical rotation sensing by the geometric effect of fiber-loop twisting

An optical technique for sensing a rotation angle is described and experimental results are presented. When a loop of an ideal fiber that exerts no linear birefringence is deformed into a nonplanar curve, the azimuth angle of linearly polarized light propagated in the fiber is rotated. The technique is based on this effect of geometric polarization rotation in an optical fiber. A twisted single-mode fiber is substituted for the ideal fiber. Experimental results include studies of polarization rotation and variations of light propagated in a loop of a twisted single-mode fiber under deformation.     

一种Sagnac干涉仪结构的光子晶体光纤温度传感器

采用Sagnac干涉仪结构,设计了一种高双折射光子晶体光纤环镜温度传感器。光子晶体光纤温度稳定性好,通过向高双折射光子晶体光纤空气孔填充热光系数高的液体材料乙醇,从而实现温度传感的目的。采用平面波展开法,分析了高双折射光子晶体光纤的双折射与传输波长和温度的关系。理论分析表明,填充乙醇后,高双折射光子晶体光纤的双折射随着传输波长和温度的增加而增加,且双折射与温度成线性关系。实验中将一段填充乙醇的高双折射光子晶体光纤与3 dB耦合器熔接制作成Sagnac干涉仪结构的光纤环镜,当温度从 45 ℃升至80 ℃时,光谱仪上观察到凹点λi向短波方向漂移了309.280 nm,温度灵敏度高达8.837 nm/℃。     

基于环绕式光纤的热风管温度解调技术

为了克服分布式光纤及其温度传感技术应用于高炉热风管中所存在的距离漂移率高、光纤互换性差等缺陷,采用了双端单路解调法,对光纤始末两端所测得的Stokes和anti-Stokes光强度比做算术平均处理,来抵消光纤衰减项Zc。双端单路解调法的距离漂移率K=0.011,更换光纤产生的最大Raman比偏差为0.015。结果表明,该解调法的距离漂移率低,当要求更换其它光纤时,光纤衰减系数不需要重新标定,完全能够实现对沿光纤路径温度场信息的有效测量。     

基于LCFM的分布式光纤热风管温度检测

为了解决分布式光纤温度传感器在高炉热风管现场出现的温度漂移问题,采用光源中心频率匹配法对其进行了理论推导和实验验证。通过对入射光电流与参考光电流的差值进行检测来实时调整F-P光滤波器的带宽,使滤波器允许通过的频率范围始终包含光源的中心频率,实现滤波器带宽与光源中心频率的匹配。采用频率匹配法使光纤传感器输出的Raman比与距离的曲线在不同环境温度下基本重合,传感器的线性度约为0.52%。结果表明,采用光源中心频率匹配法可减小光纤传感器的温漂,且不影响传感器的线性度。将中心频率匹配法与分布式光纤温度传感技术相结合对于实现热风管表面温度的有效测量具有一定的意义。     

1阶反馈稳定光纤3×3耦合器干涉测量系统

为了消除环境干扰对光纤干涉测量系统的影响,采用光纤3×3耦合器和光纤光栅构成光路复合在一起的两个光纤迈克尔逊干涉仪构成了光纤干涉测量系统。利用光纤光栅作为反射镜,两个光纤迈克尔逊干涉仪共有几乎相同的光路。其中一个光纤迈克尔逊干涉仪通过一个1阶反馈来补偿环境干扰的影响,实现对该测量系统的稳定;另一个光纤迈克尔逊干涉仪用于完成测量工作。结果表明,1阶反馈可以对0Hz～21Hz的干扰进行补偿,使得该测量系统适合于在线精密测量。     

谐振式空心光子带隙光纤陀螺中的光克尔效应

谐振式光纤陀螺(PROG)采用空心光子带隙(HCPBG)光纤后,光克尔效应引入的系统漂移将会与普通单模光纤(SMF)谐振式陀螺系统中的有所不同。为了研究谐振式空心光子带隙光纤陀螺中光克尔效应的变化情况,采用光场叠加的方法,从理论上分析谐振式空心光子带隙光纤陀螺中的光克尔效应,同时针对光克尔效应引入的系统漂移进行了数值仿真,并且与普通单模光纤谐振腔陀螺中的光克尔效应进行对比。理论计算表明,采用空心光子带隙光纤的谐振式光纤陀螺比采用普通单模光纤谐振式陀螺的光克尔效应有明显的降低,在光源线宽不变时,不同光纤环长度对应的光克尔效应引起的旋转角速度漂移前者比后者降低了1~2个数量级。     

基于光纤陀螺温度漂移误差补偿方法研究

惯性导航系统中光纤陀螺的漂移受温度变化影响显著,导致其在导航系统中的应用受到各种制约。该文提出了一种软件上的温度补偿法,建立基于光纤陀螺多参量联合多项式温度补偿模型,并设计相应的试验方法对陀螺仪的漂移进行了温度补偿。试验证明,提出的温度模型准确有效,可补偿因温度变化引起的光纤陀螺仪的漂移影响,达到提高系统的导航精度及温度适应性的目的。     

谐振式光纤陀螺闭环锁频系统

谐振式光纤陀螺(R-FOG)是基于Sagnac 效应产生的谐振频率差来检测旋转角速率的一种新型光学传感器。利用闭环锁频系统可以减小光纤环形谐振腔受温度、应力等外界环境变化的影响,提高陀螺性能。提出了数字与模拟相结合的闭环锁频系统方案设计,克服了模拟锁频电路带来的电路温漂,采用模拟解调技术来降低了对系统A/D 转换器的转换速度的要求,同时无需对复杂数字解调算法的研究。闭环锁频系统应用于陀螺测试系统中,实验测得10 s时间内的锁频精度为2.15 ()/s。