[发明专利]一种光纤氢气传感器解调装置

权利要求书

1.一种光纤氢气传感器解调装置，其特征在于，包括宽谱光源(101)、电光调制器(105)和计算机(202)，宽谱光源(101)输出端连接光电耦合器(102)，光电耦合器(102)的一个输出端的光纤面上镀制一段钯膜(103)，钯膜(103)表面设置有反射镜(104)，光电耦合器(102)的输出端口和反射膜(104)构成一个迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪的输出端连接电光调制器(105)，电光调制器(105)输出的调制信号经过色散光纤(106)后入射到高速光电探测器(107)上，高速光电探测器(107)将光信号转换 成微波信号并通过低噪放(108)放大，低噪放(108)输出端连接微波功分器(109)，微波功分器(109)将一部分微波信号注入到电光调制器(105)中，同时将另一部分微波信号输入频谱仪(201)，频谱仪(201)末端连接计算机(202)；

所述光纤氢气传感器解调装置的测量方式包括：

宽谱光源进入一光纤耦合器，该耦合器的两个输出端和两个反射膜构成一个迈克尔逊干涉仪，光纤耦合器的另一输入端口将成为干涉仪的输出端口，宽谱光源经该干涉仪后，在当干涉仪两臂光程差在光源相干范围内时，在干涉仪的输出端将产生干涉条纹，该干涉条纹在频域上为一正弦梳状谱，由迈克尔逊干涉仪输出的梳状谱经过一处于正交工作点的电光调制器，则由光电振荡器产生的微波信号通过该电光调制器被调制到干涉梳状光谱上，该光载微波信号经过色散补偿光纤后入射到高速光电探测器上，该探测器将光信号装换成微波信号，该微波信号通过低噪放放大后经过一个微波功分器后，一部分信号通过频谱仪来测量光电振荡器输出微波信号的中心频率；

通过不同氢气浓度下的钯膜(103)折射率的变化来改变迈克尔逊干涉仪的光程差，从而改变光电振荡器输出的微波信号的中心频率，根据微波信号中心频率的变化量来得到待测氢气的浓度，干涉仪一臂上镀制的钯膜(103)在不同浓度的氢气状态下，钯膜(103)将吸收氢气并使钯膜(103)的折射率发生变化，从而使得干涉仪两臂光程差发生变化，通过改变氢气浓度，并记录不同氢气浓度下光电振荡器输出的微波信号的中心频率就可以得到待测氢气浓度，宽谱光源(101)经过迈克尔逊干涉仪后，将发生干涉，干涉条纹的输出在频域上可表示为：

其中A为干涉仪输出干涉条纹的可见度，Δω为不同干涉仪光程差nΔL时输出干涉条纹的频率间隔，为干涉仪的相位漂移，ω0为激光器的中心圆频率；Δω可表示为：

Δω＝2πc/nΔL (2)

其中c为光速，n为光纤折射率，ΔL为干涉仪两臂光程差；则该干涉仪的自由光谱范围可表示为：

干涉的输出光是与波长相关，其电场可表征为：

E(t)＝∫E(ω)e^jωtdω (4)

则光源的光功率谱密度可表示为：

T(ω)＝|E(ω)|² (5)

干涉仪输出的干涉条纹经过电光调制器后，光谱的每个频率分量E(ω)都被调制，并且由光电振荡器环路产生一频率为ξ的微波信号，电光调制器输出的光场可表示为：

E(ω)＝e^jωt(1+e^jξt+e^-jξt) (6)

光电振荡器中使用色散光纤作为延迟线，该延迟线的电场传递函数可表示为：

H(ω)＝|H(ω)|e^-jφ(ω) (7)

φ(ω)为色散光纤延迟引入的相位，根据泰勒级数展开，该相位可表示为：

式中，τ(ω₀)为中心频率为ω₀时的群时延，β为光纤的色散，其单位为ps²/km，β可表示为：

式中D为光纤的色散系数，λ为光源波长；

根据式(5)——(9)可得光电振荡器响应函数为：

其中

由此可知，光电振荡器输出的微波信号的中心频率可表示为：

由上式可知，改变待测氢气的浓度从而改变干涉仪两臂光程差值nΔL，测试系统输出的微波信号的频率将会改变，根据微波信号的中心频率的变化量就可以得到待测氢气的浓度。