[發明專利]一種基于移頻技術的光纖干涉水位傳感器及傳感方法

有效

• 申請號: 201811332624.8
• 申請日: 2018-11-09
• 公開（公告）號: CN109211356B
• 公開（公告）日: 2023-10-10
• 發明（設計）人: 崔洪亮;龐鑠;羅正純;吳崇堅;程立耀
• 申請（專利權）人: 珠海任馳光電科技有限公司
• 主分類號: G01F23/292
• 分類號: G01F23/292
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 黃海麗

1.一種基于移頻技術的光纖干涉水位傳感器，其特征在于，所述傳感器包括第一馬赫-曾德爾干涉結構和第二馬赫-曾德爾干涉結構；其中，

所述第一馬赫-曾德爾干涉結構包括激光器、第一耦合器、聲光調制器、第二耦合器、第三耦合器、敏感元件、第四耦合器、第一光電探測器，

激光器的輸出端均與第一耦合器的輸入端相連；所述第一耦合器的輸出端分為兩路，一路與聲光調制器相連后與第二耦合器輸入端相連，第二耦合器的輸出端與敏感元件相連后再與第四耦合器相連；另一路與第三耦合器相連后再與第四耦合器的另一路輸入端相連，第四耦合器的輸出端與第一光電探測器相連；

所述第二馬赫-曾德爾干涉結構包括激光器、第一耦合器、聲光調制器、第二耦合器、第三耦合器、第五耦合器、第二光電探測器，

激光器的輸出端均與第一耦合器的輸入端相連；所述第一耦合器的輸出端分為兩路，一路與聲光調制器相連后與第二耦合器輸入端相連，第二耦合器的輸出端與第五耦合器相連；另一路與第三耦合器相連后再與第五耦合器的另一路輸入端相連，第五耦合器的輸出端與第二光電探測器相連；

所述第一馬赫-曾德爾干涉結構和第二馬赫-曾德爾干涉結構分別經過第一光電探測器和第二光電探測器接入上位機解調系統。

2.如權利要求1所述的一種基于移頻技術的光纖干涉水位傳感器，其特征在于，所述激光器包括第一激光器和第二激光器，二者輸出頻率相差100GHz的光源。

3.如權利要求1所述的一種基于移頻技術的光纖干涉水位傳感器，其特征在于，所述第二馬赫-曾德爾干涉結構與第一馬赫-曾德爾干涉結構的干涉臂近似等長。

4.如權利要求1所述的一種基于移頻技術的光纖干涉水位傳感器，其特征在于，所述敏感元件包括外接頭、水帶、壓緊塊、光纖纏繞部和夾緊片，其中，

所述水帶的一端與外接頭連接，另一端通過兩個夾緊片進行密封；所述水帶上還相對設置兩個壓緊塊，用于壓緊所述水帶，每個所述壓緊塊上均設置光纖纏繞部；第二耦合器的輸出端與第四耦合器輸入端之間的光纖纏繞在光纖纏繞部上。

5.如權利要求4所述的一種基于移頻技術的光纖干涉水位傳感器，其特征在于，所述敏感元件還包括架框，所述架框套設于水帶外部，所述兩個壓緊塊各自通過一個連接固定片與架框遠離外接頭的一端連接。

6.如權利要求5所述的一種基于移頻技術的光纖干涉水位傳感器，其特征在于，所述光纖纏繞部的半徑為26mm，大于傳感光纖的彎曲半徑。

7.一種基于權利要求1-6任一項所述光纖干涉水位傳感器的傳感方法，其特征在于，包括以下步驟：

分別采用第一激光器和第二激光器作為光源，針對第一馬赫-曾德爾干涉結構和第二馬赫-曾德爾干涉結構的干涉信號初始相位，建立光源頻率、移頻頻率及兩個干涉結構光程差的關系式；

聯立采用第一激光器和第二激光器作為光源時得到的關系式，計算兩個干涉結構光程差，根據所述光程差計算水位。

8.如權利要求6所述的傳感方法，其特征在于，采用第一激光器作為光源時，建立光源頻率、移頻頻率及兩個干涉結構光程差的關系式的過程為：

設兩個干涉結構相應的干涉信號光程差為L₃＝L₂-L₁，則這兩個干涉信號的相位差：

其中，第一激光器光源頻率記為f_c，L₁和L₂分別為第一和第二馬赫-曾德爾干涉結構中，經過兩個臂的兩路信號光程差；聲光調制器使光移頻f₀，n為光源在光纖中的折射率，C為光速；

設定N₁為整數倍周期，光頻率f_c、移頻頻率f₀及光程差L₃的關系：

9.如權利要求7所述的傳感方法，其特征在于，采用第二激光器作為光源時，建立光源頻率、移頻頻率及兩個干涉結構光程差的關系式的過程為：

兩個干涉結構的相位差：

第二激光器光源頻率記為f_c+100G，兩個干涉結構相應的干涉信號光程差為L₃＝L₂-L₁，L₁和L₂分別為第一和第二馬赫-曾德爾干涉結構中，經過兩個臂的兩路信號光程差；聲光調制器使光移頻f₀，n為光源在光纖中的折射率，C為光速；

設N₂為整數倍周期，則光頻率f_c、移頻頻率f₀及光程差L₃的關系為：

取L₃＝2mm，則N₂＝N₁+1，所以光頻率f_c+100G、移頻頻率f₀及光程差L₃的關系：