基于光纤的准分布式柔性光电传感系统

1.本发明涉及分布式光纤传感领域，特别涉及一种基于光纤的准分布式柔性光电传感系统。


背景技术：

2.光纤传感技术是以光纤作为传感单元的全光传感技术，相比于纯电学传感系统，具有体积小，灵敏度高，成本低，抗电磁干扰，耐高温高压，易于远距离感知和大规模组网等一系列独特的优势。其中，分布式光纤传感技术或者准分布式光纤传感技术可以在整个光纤长度上或者多个串联探测点上实现对环境参量的连续测量。
3.现阶段研究较多的分布式光纤传感技术可分为基于干涉原理的分布式光纤传感技术和基于后向散射原理的分布式光纤传感技术。基于干涉原理的分布式光纤传感技术的核心器件是干涉仪，主要包括michelson光纤干涉仪、mach-zehnder光纤干涉仪、sagnac光纤干涉仪以及它们之间的组合，这类分布式光纤传感器具有高灵敏度的优点，但是存在易受干扰、检测范围短、定位算法复杂且面临应变与温度监测相互串扰等问题。基于后向散射原理的分布式光纤传感技术按照散射种类可分为瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。瑞利散射携带了光纤沿线的损耗信息，基于瑞利散射制成的otdr、φ-otdr等产品虽然定位准确，但是需要多次平均提高信号的信噪比，系统的测量频率和精度难以提高；拉曼散射携带了光纤各处的温度信息，适用于温度检测，但是在应变，气体分子检测领域鲜有应用，同时自发拉曼散射能量较低，传输距离受限；布里渊散射能够连续测量光纤沿线各点的温度和应变，但是自发布里渊散射同样能量较低，传输距离受限，因此需要在光纤两端同时注入泵浦光和探测光，设备要求较高，解调算法复杂。基于fbg的波长漂移是另外一种常见的分布式光纤传感技术，fbg的反射中心波长受外界参量如应变、温度等的调制，探测能力不受光源功率波动、光线弯曲损耗、探测器老化等因素的影响，但是面临着应变、温度传感的串扰问题，同时解调设备体积大、价格昂贵，并且不能直接应用于气体分子传感、环境湿度传感、气体流速传感等领域。一些新型的分布式光纤传感技术或者准分布式光纤传感技术也被提出，2019年arnaldo g.leal-junior在《optics and laser technology》提出了基于强度变化的准分布式聚合物光纤传感器，其中光源从侧面耦合进入聚合物光纤，每个光源都与一个传感器连接，通过时分复用的方式进行传感感知，实现了准分布式的光纤传感，但是面临着灵敏度不高、装置复杂、传输距离受限等问题。
4.综上所述，现有基于干涉原理的分布式光纤传感技术和基于后向散射原理的分布式光纤传感技术在多物理量探测与解调，传输距离、检测精度、设备成本和操作难度等一个或多个方面存在一定的不足，同时对光源的稳定性要求较高，并且所探测的物理量主要为温度、应变和声波，无法直接应用于气体分子传感、环境湿度传感、气体流速传感等领域。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服已有技术中存在的不足，从而提供基于光纤的准分布式柔
性光电传感系统，在光纤的表面构建光转化结构，以解决现有分布式光纤传感系统多物理量探测时较差敏感、解调装置与算法复杂、易受干扰的问题。该系统包括：
6.系统包括纤芯、包层、涂覆层、电光转换模块组以及解调系统；
7.纤芯、包层以及涂覆层构成单模光纤结构；
8.电光转换模块组中包括至少一个电光转换模块，电光转换模块位于包层内部，且电光转换模块的光输出端与纤芯的位置相对，电光转换模块的电信号用于表征传感器读数；
9.纤芯中包括至少两组45度光纤光栅阵列，45度光纤光栅阵列的数量以及位置与电光转换模块的光输出端位置相对；
10.解调系统的信号接收端与纤芯的输出端位置相对。
11.在一个可选的实施例中，电光转换模块中包括电学传感器、p-金属接触层、p-分布式布拉格反射镜dbr、量子阱有源区、氧化层、n-dbr、基底以及n-金属接触层；
12.电学传感器、p-金属接触层、p-dbr、量子阱有源区、氧化层、n-dbr以及基底依次分布；
13.基底与n-金属接触层接触；
14.电学传感器与n-金属接触层连接。
15.在一个可选的实施例中，电学传感器通过曲面打印的方式修饰至包层表面；
16.电学传感器、p-金属接触层、p-dbr、量子阱有源区、氧化层、n-dbr、基底以及n-金属接触层通过蒸镀方式修饰至包层。
17.在一个可选的实施例中，电光转换模块发出的激光波长，与对应的45度光纤光栅阵列的辐射中心波长匹配。
18.在一个可选的实施例中，45度光纤光栅阵列采用“载氢”增敏方式制备。
19.在一个可选的实施例中，电光转换模块与45度光纤光栅阵列对应串联。
20.在一个可选的实施例中，解调系统包括波长解调模块、强度探测模块以及信号处理模块；
21.波长解调模块与强度探测模块连接，强度探测模块与信号处理模块连接。
22.本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
23.通过在单模光纤结构外侧设置电光转换模块，并在内部对应设置45度光纤光栅阵列的方式，使得电光转换模块在接收到传感器参数后，转换出的光信号在通过对应的45度光纤光栅阵列后，通过纤芯进行传输，并发送至解调系统中，得到传感器示数。通过电光转换模块、45度光纤光栅阵列以及解调系统的组合，利用单根传感光纤实现了准分布式的传感测量，解决现有分布式光纤传感系统多物理量探测时较差敏感、解调装置与算法复杂、易受干扰的问题。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1示出了本技术一个示例性实施例提供的一种基于光纤的准分布式柔性光电传感系统的结构示意图。
26.图2示出了本技术一个示例性实施例提供的一种电光转换模块的结构示意图，
27.图3示出了本技术一个示例性实施例提供的一种dbr的原理示意图。
28.图4示出了本技术一个示例性实施例提供的另一种dbr的原理示意图。
29.图5示出了本技术一个示例性实施例提供的一种解调系统的结构示意图。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
31.图1示出了本技术一个示例性实施例提供的一种基于光纤的准分布式柔性光电传感系统的结构示意图，请参考图1，该系统包括纤芯1、包层2、涂覆层3、电光转换模块组以及解调系统6。纤芯1、包层2以及涂覆层3构成单模光纤结构。电光转换模块组中包括至少一个电光转换模块4，电光转换模块4位于包层内部，且电光转换模块4的光输出端与纤芯1的位置相对，电光转换模块4的电信号用于表征传感器读数。纤芯中包括至少两组45度光纤光栅阵列4，45度光纤光栅阵列4的数量以及位置与电光转换模块4的光输出端位置相对，解调系统6的信号接收端与纤芯1的输出端位置相对。
32.在本技术实施例中，纤芯为进行光传输的光纤，包层和涂覆层为叠加在纤芯外的结构，通过包层、涂覆层在纤芯外的叠加设计，纤芯、包层与涂覆层形成了单模光纤结构。
33.在本技术实施例中，电光转换模块组中包括至少两个电光转换模块，电光转换模块用于感知外界物理量的变化，并将外界物理量的变化信息加在在激光波长和功率上。
34.本技术实施例中，45度光栅阵列用于折叠光路，使得电光转换模块发送的激光耦合进入纤芯当中，并通过纤芯发传输至解调系统，由解调系统对于信息进行解析，以确定电光转换模块发送的光信号中，与电信号对应的传感信息。
35.综上所述，本技术实施例提供的系统，通过在单模光纤结构外侧设置电光转换模块，并在内部对应设置45度光纤光栅阵列的方式，使得电光转换模块在接收到传感器参数后，转换出的光信号在通过对应的45度光纤光栅阵列后，通过纤芯进行传输，并发送至解调系统中，得到传感器示数。通过电光转换模块、45度光纤光栅阵列以及解调系统的组合，利用单根传感光纤实现了准分布式的传感测量，解决现有分布式光纤传感系统多物理量探测时较差敏感、解调装置与算法复杂、易受干扰的问题。
36.在一个可选的实施例中，请参考图2，电光转换模块中包括电学传感器7、p-金属接触层8、p-分布式布拉格反射镜(distributed bragg reflection，dbr)9、量子阱有源区10、氧化层11、n-dbr12、基底13以及n-金属接触层14。电学传感器7、p-金属接触层8、p-dbr9、量子阱有源区10、氧化层11、n-dbr12以及基底13依次分布；基底13与n-金属接触层14接触；电学传感器7与n-金属接触层14连接。
37.在本技术实施例汇总，电学传感器实现为精密电学传感器，是一种无源器件。可选地，精密电学传感器可以实现为气体传感器、应变传感器以及温度传感器中的至少一种。在外界物理量如气体分子浓度、气体流速等的刺激下，可以产生电流信号，精密电学传感器与p-金属接触层和n-金属接触层形成良好的欧姆接触，以加载电流信号；p-dbr与n-dbr分别
是p型和n型分布式布拉格反射镜，对特定波长的光具有较强的反射率，以形成激光谐振腔；多量子阱有源区可以在泵浦电流和分布式布拉格发射镜的作用下，形成激光输出；氧化层可以控制光斑尺寸。
38.在一个可选的实施例中，电学传感器通过曲面打印的方式修饰至包层表面；电学传感器、p-金属接触层、p-dbr、量子阱有源区、氧化层、基底以及n-金属接触层通过蒸镀方式修饰至包层。
39.在本技术实施例中，电学传感器修饰到光纤避免的具体方式包括如下步骤：
40.s1.1剥除单模光纤的涂覆层，清洗光纤侧线，真空蒸镀一层环形n-金属接触层。在本实施例中，n-金属接触层的材料为au，厚度为0.2μm，通过涂光刻胶-沉积-丙酮去胶的步骤形成环形电极，以控制激光光斑的形状与大小。
41.s1.2在au电极上采用金属有机化学气相沉积(mocvd)法沉积一层基底材料。在本实施例中，基底材料为gaas，厚度为50μm。
42.s1.3采用金属有机化学气相沉积(mocvd)法沉积n-dbr层。在本实施例中，分别沉积光学厚度为四分之一波长的高、低折射率相间的膜层al0.88ga0.12as，厚度为10μm。
43.s1.4采用金属有机化学气相沉积(mocvd)法沉积氧化层。在本实施例中，材料为alxoy，厚度为0.2μm。
44.s1.5采用金属有机化学气相沉积(mocvd)法沉积多量子阱有源区。在本实施例中，材料为in0.19ga0.81as，厚度为0.2μm，单量子阱厚度为8nm。
45.s1.6采用金属有机化学气相沉积(mocvd)法沉积p-dbr层。在本实施例中，分别沉积光学厚度为四分之一波长的高、低折射率相间的膜层al0.88ga0.12as，厚度为5μm。
46.s1.7真空蒸镀一层p-金属接触层。在本实施例中，p-金属接触层的材料为au，厚度为0.2μm。
47.s1.8将精密电学传感器通过曲面打印的方式修饰到光纤侧面，使得精密电学传感器与金属接触层形成良好的欧姆接触。
48.在一个可选的实施例中，电光转换模块发出的激光波长，与对应的45度光纤光栅阵列的辐射中心波长匹配。
49.在本技术实施例中，dbr是多层反射膜，基本原理是等倾干涉，即，如图3所示，光源发出的平行光经平行板反射后，都汇聚在无穷远处，或者通过透镜汇聚在焦平面上，产生等倾干涉。
50.图3中，n0和n1分别为平板折射率和周围介质的折射率，n是由c点向ad所引垂线的垂足，自n点和c点到透镜焦平面p点的光程相等。平板厚度为h，入射角和折射角分别为θ1、θ2，光程差δ和相位差δ如下公式1至公式2所示：
51.公式1:δ＝n(ab+bc)-n0an
52.公式2：
53.式中，π为圆周率常数，λ为入射激光波长，n为介质折射率。
54.在平行班的反射率较高的情况下，后续三级和司机的反射光不能忽略，结合图4，该过程中，平行班多光束干涉率可以表示为如下公式3所示：
55.公式3：
56.式中，r1和r2分别为光在薄膜两表面的反射系数，其计算方式如下公式4所示：
57.公式4：
58.结合图4，公式4中的n0为入射光所处空间介质折射率，n为薄膜折射率。
59.当光学薄膜的光学厚度为四分之一波长时，在有半波突变的情况下，相位差可表示为如下公式5所示：
60.公式5：
61.此时，单层薄膜，即多平板干涉反射率如下公式6所示：
62.公式6：
63.故，当光学薄膜的光学厚度为四分之一波长时，每一层膜都满足干涉相长条件，所以入射光在每一膜层上都获得强烈的反射，经过若干层的反射之后，入射光就几乎全部被反射回去,形成具有高反射率的谐振腔，同时具有选择输出激光波长的功能。
64.在一个可选的实施例中，45度光纤光栅阵列采用“载氢”增敏方式制备。
65.在本技术实施例中，45度倾斜光纤光栅被用来进行能量的耦合，根据辐射模理论，45度倾斜光纤光栅可以将沿着光纤纤轴传输的光垂直于光纤辐射出来，由于光路的可逆性，垂直于光纤的激光也能被耦合进入光纤。
66.载氢增敏的原理为将光纤放置于一定温度(20-75℃)的高压(2-76mpa)氢气中以使氢分子渗透并扩散至光纤中，增强了光纤对紫外光的吸收并进一步提高了纤芯折射率的变化；掩模板是一种特殊的光学器件，其基底材料通常为石英玻璃，在其表面存在利用刻蚀工艺制作出的精密的周期性结构，利用不同级次的衍射光干涉对光纤进行刻蚀。
67.在本技术实施例中，载氢增敏的主要步骤如下：
68.s2.1对单模光纤进行载氢处理。
69.s2.2搭建光路，在垂直于光纤方向上旋转掩模版，使之与光纤纤轴成33.7度，因为光栅倾角与掩模版倾角之间满足如下公式7所示的关系：
70.公式7：
71.其中θg为光栅倾角，n
uv
为紫外光下光纤的折射率，θm为掩模板的倾斜角度。所以对于倾角为45度的倾斜光纤光栅，其制备时掩模板的倾角约为33.7度。
72.s2.3确定单模光纤中需要刻写45度倾斜光纤光栅的位置，剥除涂覆层，并用酒精擦拭干净。
73.s2.4进行紫外曝光，刻写45度倾斜光纤光栅，对其垂直于光纤纤轴的辐射光和沿着光纤纤轴的传输光进行实时监测，直至性能最优。
74.s2.5进行退火处理，清除未反应的氢分子并且稳定化学键。
75.s2.6对退火处理之后的45度倾斜光纤光栅进行性能测试，筛选出能够以较高效率辐射出设定波长的成品45度倾斜光纤光栅。
76.在一个可选的实施例中，电光转换模块与45度光纤光栅阵列对应串联。在此情况下，对电光转化模块输出激光与45度斜光纤光栅辐射带宽与波长间隔进行合理使用与分配，可以提高光谱的利用率，增加串联级数。
77.串联的不同的所述电光转化模块的精密电学传感器可以探测不同的物理量，将不同物理量的变化信息加载在不同波长的激光上，实现单根微结构光纤的多功能感知。不同的电光转化模块发射不同波长的激光，通过预先记录光纤安装过程中各电光转化模块的位置，以确定产生变化的各物理量的位置。
78.在一个可选的实施例中，请参考图5，解调系统包括波长解调模块61、强度探测模块62以及信号处理模块63；波长解调模块与强度探测模块连接，强度探测模块与信号处理模块连接。当所述激光传输到所述解调系统，通过波长解调模块分离不同波长的激光，通过强度探测模块分别探测各不同波长激光的强度，结合已知的传输损耗，通过信号处理模块可以实现对原物理量的传感。
79.综上所述，本技术实施例提供的系统，通过在单模光纤结构外侧设置电光转换模块，并在内部对应设置45度光纤光栅阵列的方式，使得电光转换模块在接收到传感器参数后，转换出的光信号在通过对应的45度光纤光栅阵列后，通过纤芯进行传输，并发送至解调系统中，得到传感器示数。通过电光转换模块、45度光纤光栅阵列以及解调系统的组合，利用单根传感光纤实现了准分布式的传感测量，解决现有分布式光纤传感系统多物理量探测时较差敏感、解调装置与算法复杂、易受干扰的问题。
80.本技术实施例提供的系统，通过曲面打印的方法修饰到光纤侧面，具备一定的弯曲能力，拥有良好的机械性能，是一种柔性结构，解决了现有电学传感系统机械性能差的技术问题。
81.本技术实施例提供的系统，在解调设备之外是一套无源设备，无需供电，不依赖外界辅助设备，一致性和稳定性好。
82.本技术实施例提供的系统，通过45度倾斜光纤光栅将激光耦合进入光纤纤芯进行传播，损耗小，可以实现长距离传感；不同的电光转化模块发射不同波长的激光，通过预先记录光纤安装过程中各电光转化模块的位置，以确定产生变化的各物理量的位置。解决了现有电学传感系统易受电磁干扰，传输距离受限的技术问题。
83.上述仅为本发明的可选实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于光纤的准分布式柔性光电传感系统，其特征在于，所述系统包括纤芯、包层、涂覆层、电光转换模块组以及解调系统；所述纤芯、所述包层以及所述涂覆层构成单模光纤结构；所述电光转换模块组中包括至少一个电光转换模块，所述电光转换模块位于所述包层内部，且所述电光转换模块的光输出端与所述纤芯的位置相对，所述电光转换模块的电信号用于表征传感器读数；所述纤芯中包括至少两组45度光纤光栅阵列，所述45度光纤光栅阵列的数量以及位置与所述电光转换模块的光输出端位置相对；所述解调系统的信号接收端与所述纤芯的输出端位置相对。2.根据权利要求1所述的基于光纤的准分布式柔性光电传感系统，其特征在于，所述电光转换模块中包括电学传感器、p-金属接触层、p-分布式布拉格反射镜dbr 、量子阱有源区、氧化层、n-dbr、基底以及n-金属接触层；所述电学传感器、所述p-金属接触层、所述p-dbr 、所述量子阱有源区、所述氧化层、所述n-dbr以及所述基底依次分布；所述基底与所述n-金属接触层接触；所述电学传感器与所述n-金属接触层连接。3.根据权利要求2所述的基于光纤的准分布式柔性光电传感系统，其特征在于，所述电学传感器通过曲面打印的方式修饰至所述包层表面；所述电学传感器、所述p-金属接触层、所述p-dbr 、所述量子阱有源区、所述氧化层、所述n-dbr、所述基底以及所述n-金属接触层通过蒸镀方式修饰至所述包层。4.根据权利要求1所述的基于光纤的准分布式柔性光电传感系统，其特征在于，所述电光转换模块发出的激光波长，与对应的所述45度光纤光栅阵列的辐射中心波长匹配。5.根据权利要求1所述的基于光纤的准分布式柔性光电传感系统，其特征在于，所述45度光纤光栅阵列采用“载氢”增敏方式制备。6.根据权利要求1所述的基于光纤的准分布式柔性光电传感系统，其特征在于，所述电光转换模块与所述45度光纤光栅阵列对应串联。7.根据权利要求1所述的基于光纤的准分布式柔性光电传感系统，其特征在于，所述解调系统包括波长解调模块、强度探测模块以及信号处理模块；所述波长解调模块与所述强度探测模块连接，所述强度探测模块与所述信号处理模块连接。

技术总结
本发明关于基于光纤的准分布式柔性光电传感系统，涉及分布式光纤传感领域。该系统包括纤芯、包层、涂覆层、电光转换模块组以及解调系统；纤芯、包层以及涂覆层构成光纤结构；且电光转换模块的光输出端与纤芯的位置相对；纤芯中包括至少两组45度光纤光栅阵列；解调系统的信号接收端与纤芯的输出端位置相对。电光转换模块在接收到传感器参数后，转换出的光信号在通过对应的45度光纤光栅阵列后，通过纤芯进行传输，并发送至解调系统中，得到传感器示数。通过电光转换模块、45度光纤光栅阵列以及解调系统的组合，利用单根光纤实现了传感测量，解决现有分布式光纤传感系统多物理量探测时较差敏感、解调装置与算法复杂、易受干扰的问题。易受干扰的问题。易受干扰的问题。


技术研发人员：孙琪真 许汪洋 李良晔 闫志君
受保护的技术使用者：华中科技大学无锡研究院
技术研发日：2022.12.28
技术公布日：2023/8/24