一种基于低增益低噪声光纤腔衰荡技术的湿度测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于低增益低噪声光纤腔衰荡技术的湿度测量方法，随着对准气室中气体相对湿度的变化，光纤环腔内损耗随之变化，脉冲信号的衰减时间发生相应改变，根据多组已知相对湿度的标准气体样品通过检测得到对应标准气体样品的衰荡时间，建立相对湿度与衰荡时间的线性关系曲线，然后根据测得的待测气体样品的衰荡时间并结合相对湿度与衰荡时间的线性关系曲线得到待测气体样品的相对湿度。本发明专利技术具有灵敏度高、测量范围广、分析速度快、操作简单、成本低、方便实时监测等优点，可用于测量空气相对湿度，为工业监测、环境监测、医学诊断等领域提供方便。

【技术实现步骤摘要】
一种基于低增益低噪声光纤腔衰荡技术的湿度测量方法
本专利技术属于相对湿度测量
，具体涉及一种基于低增益低噪声光纤腔衰荡技术的湿度测量方法。
技术介绍
目前，光纤湿度传感器有光纤渐逝波湿度传感、光纤光栅湿度传感、光纤F-P腔湿度传感等。光纤渐逝波湿度传感器结构紧凑且体积较小，适于现场测量。但是空气湿度较大时测量精度较差，且随着湿度上升，需要其它测量方法辅助，因而测量范围还需要进一步研究。光纤光栅湿度传感器灵敏度较高，但是温度、湿度、弯曲、应变、折射率等交叉传感影响很大，解调困难，导致测量精度大大降低。光纤F-P腔湿度传感器可进行波长解调，但体积庞大、造价较高。光纤腔衰荡技术，高精度、高灵敏度和不受光源波动影响的特性受到了广泛的关注和研究，用光纤环腔衰荡技术进行湿度测量可以有效克服以上缺点，然而，目前尚没有该方面的相关研究报道。
技术实现思路
本专利技术为解决现有技术中湿度测量系统结构复杂、温度等其它因素的交叉传感、精度低和成本高等问题而提供了一种基于低增益低噪声光纤腔衰荡技术的湿度测量方法，该方法通过分析、研究在衰荡腔结构下相对湿度改变引起的光衰减的光衰荡信号来实现相对湿度的测量，具有灵敏度高、测量范围广、分析速度快、操作简单、成本低、方便实时监测等优点，可用于测量空气相对湿度，为工业监测、环境监测、医学诊断等领域提供方便。本专利技术为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种基于低增益低噪声光纤腔衰荡技术的湿度测量方法，其特征在于：由依次通过光纤相连的第一光纤耦合器、3.6km单模光纤、掺铒光纤放大器、第二隔离器、对准气室和第二光纤耦合器构成光纤环腔，第一光纤耦合器依次通过光纤与第一隔离器和激光源连接，该激光源依次通过线路与半导体激光调制器和信号源相连，第二光纤耦合器通过光纤与光电探测器相连，该光电探测器通过线路与示波器相连，当信号源产生一系列脉冲波接入半导体激光调制器，半导体激光调制器控制激光源的输出功率和波长，经调制后的光脉冲串经由第一隔离器和第一光纤耦合器的10％端口耦合到光纤环路中，依次经过3.6km单模光纤、掺铒光纤放大器、第二隔离器和对准气室，光纤环腔中90％的输出光经第二光纤耦合器接入第一光纤耦合器，光纤环腔中10％的输出光经第二光纤耦合器由光纤环路接入光电探测器，衰减脉冲的输出周期性序列被光电探测器转换成电信号，最终显示在数字示波器上，对准气室内填充有标注气体样品或待测气体样品，随着对准气室中气体相对湿度的改变，光纤环腔内损耗随之改变，脉冲信号的衰减时间发生相应改变，根据多组已知相对湿度的标准气体样品通过检测得到对应标准气体样品的衰荡时间，建立相对湿度与衰荡时间的线性关系曲线，然后根据测得的待测气体样品的衰荡时间并结合相对湿度与衰荡时间的线性关系曲线得到待测气体样品的相对湿度。优选的，所述掺铒光纤放大器由一段低增益的掺铒光纤、泵浦激光器和三端口的WDM耦合器组成，低增益的掺铒光纤、泵浦激光器和WDM耦合器输出的光脉冲分别接在WDM耦合器的三个端口。优选的，所述对准气室具有四个端口，分别为进光口、出光口、进气口和出气口，其中进光口通过光纤与第二隔离器相连，出光口通过光纤与第二光纤耦合器相连，进气口与标准气体样品或待测气体样品相通，出气口与气体收集装置或外界大气相通。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：1、本专利技术提出了一种基于低增益低噪声光纤腔衰荡技术的湿度测量方法，有效解决了目前湿度测量难以同时实现高灵敏度和较好稳定性的难题；2、本专利技术采用低增益和低噪声掺铒光纤来减少波形失真并补偿光纤环腔内噪声衰减；3、本专利技术利用掺铒光纤放大器来补偿光纤环腔内损耗增加脉冲峰数以提高相对湿度的测量精度；4、本专利技术发现了衰荡时间与相对湿度之间具有良好的线性关系；5、本专利技术测量过程简化，方便迅速，有效的克服了传统湿度测量方法中存在的繁琐流程及成本较高的缺陷。附图说明图1是本专利技术中湿度测量系统的光路连接图；图2是本专利技术中掺铒光纤放大器的结构示意图。图中：1-信号源，2-半导体激光调制器，3-激光源，4-第一隔离器，5-第一光纤耦合器，6-3.6km单模光纤，7-掺铒光纤放大器，8-第二隔离器，9-对准气室，10-第二光纤耦合器，11-光电探测器，12-示波器，13-光纤。具体实施方式以下通过实施例对本专利技术的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本专利技术上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本专利技术上述内容实现的技术均属于本专利技术的范围。实施例一种基于低增益低噪声光纤腔衰荡技术的湿度测量方法，由依次通过光纤13相连的第一光纤耦合器5、3.6km单模光纤6、掺铒光纤放大器7、第二隔离器8、对准气室9和第二光纤耦合器10构成光纤环腔，掺铒光纤放大器7由一段低增益的掺铒光纤、泵浦激光器和三端口的WDM耦合器组成，低增益的掺铒光纤、泵浦激光器和WDM耦合器输出的光脉冲分别接在WDM耦合器的三个端口，第一光纤耦合器5依次通过光纤13与第一隔离器4和激光源3连接，该激光源3依次通过线路与半导体激光调制器2和信号源1相连，第二光纤耦合器10通过光纤13与光电探测器11相连，该光电探测器11通过线路与示波器12相连，当信号源1产生一系列脉冲波接入半导体激光调制器2，半导体激光调制器2控制激光源3的输出功率和波长，经调制后的光脉冲串经由第一隔离器4和第一光纤耦合器5的10％端口耦合到光纤环路中，依次经过3.6km单模光纤6、掺铒光纤放大器7、第二隔离器8和对准气室9，光纤环腔中90％的输出光经第二光纤耦合器10接入第一光纤耦合器5，光纤环腔中10％的输出光经第二光纤耦合器10由光纤环路接入光电探测器11，衰减脉冲的输出周期性序列被光电探测器11转换成电信号，最终显示在数字示波器12上，对准气室9具有四个端口，分别为进光口、出光口、进气口和出气口，其中进光口通过光纤13与第二隔离器8相连，出光口通过光纤13与第二光纤耦合器10相连，进气口与标准气体样品或待测气体样品相通，出气口与气体收集装置或外界大气相通，对准气室9内填充有标注气体样品或待测气体样品，随着对准气室中气体相对湿度的变化，光纤环腔内损耗随之变化，脉冲信号的衰减时间发生相应改变，根据多组已知相对湿度的标准气体样品通过检测得到对应标准气体样品的衰荡时间，建立相对湿度与衰荡时间的线性关系曲线，然后根据测得的待测气体样品的衰荡时间并结合相对湿度与衰荡时间的线性关系曲线得到待测气体样品的相对湿度。本专利技术的原理基于光纤环腔衰荡光谱技术，信号源产生的一系列脉冲波通过“模拟调制输入”端口输送到半导体激光调制器调制成脉冲光，经第一光纤耦合器进入光纤环腔，通过光纤环腔内3.6km单模光纤、掺铒光纤放大器、第二光纤隔离器、对准气室，从第二光纤耦合器的一端出来，接入光电探测器。为了提高衰荡时间的测量精度，有必要增加脉冲个数。所以用一个掺铒光纤放大器来补偿光纤环路的损耗。通过不同长度掺铒光纤的放大器实验，发现掺铒光纤过长会产生激光，掺铒光纤太短，增益不够、脉冲间隔比较小。因此，在实验室搭建了长度为2m的掺铒光纤的光放大器和980nm泵浦激光器。在相同条件下，对比了放置在腔内和腔外的EDFA的衰减光谱，当EDFA放置在腔内时，脉冲信号的峰值强度更大、数量更多，更有利于检测到衰荡时间。与常规的C本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于低增益低噪声光纤腔衰荡技术的湿度测量方法，其特征在于：由依次通过光纤相连的第一光纤耦合器、3.6km单模光纤、掺铒光纤放大器、第二隔离器、对准气室和第二光纤耦合器构成光纤环腔，第一光纤耦合器依次通过光纤与第一隔离器和激光源连接，该激光源依次通过线路与半导体激光调制器和信号源相连，第二光纤耦合器通过光纤与光电探测器相连，该光电探测器通过线路与示波器相连，当信号源产生一系列脉冲波接入半导体激光调制器，半导体激光调制器控制激光源的输出功率和波长，经调制后的光脉冲串经由第一隔离器和第一光纤耦合器的10%端口耦合到光纤环路中，依次经过3.6km单模光纤、掺铒光纤放大器、第二隔离器和对准气室，光纤环腔中90%的输出光经第二光纤耦合器接入第一光纤耦合器，光纤环腔中10%的输出光经第二光纤耦合器由光纤环路接入光电探测器，衰减脉冲的输出周期性序列被光电探测器转换成电信号，最终显示在数字示波器上，对准气室内填充有标注气体样品或待测气体样品，随着对准气室中气体相对湿度的改变，光纤环腔内损耗随之改变，脉冲信号的衰减时间发生相应改变，根据多组已知相对湿度的标准气体样品通过检测得到对应标准气体样品的衰荡时间，建立相对湿度与衰荡时间的线性关系曲线，然后根据测得的待测气体样品的衰荡时间并结合相对湿度与衰荡时间的线性关系曲线得到待测气体样品的相对湿度。...

【技术特征摘要】
1.一种基于低增益低噪声光纤腔衰荡技术的湿度测量方法，其特征在于：由依次通过光纤相连的第一光纤耦合器、3.6km单模光纤、掺铒光纤放大器、第二隔离器、对准气室和第二光纤耦合器构成光纤环腔，第一光纤耦合器依次通过光纤与第一隔离器和激光源连接，该激光源依次通过线路与半导体激光调制器和信号源相连，第二光纤耦合器通过光纤与光电探测器相连，该光电探测器通过线路与示波器相连，当信号源产生一系列脉冲波接入半导体激光调制器，半导体激光调制器控制激光源的输出功率和波长，经调制后的光脉冲串经由第一隔离器和第一光纤耦合器的10%端口耦合到光纤环路中，依次经过3.6km单模光纤、掺铒光纤放大器、第二隔离器和对准气室，光纤环腔中90%的输出光经第二光纤耦合器接入第一光纤耦合器，光纤环腔中10%的输出光经第二光纤耦合器由光纤环路接入光电探测器，衰减脉冲的输出周期性序列被光电探测器转换成电信号，最终显示在数字示波器上，对准气室内填充有标注气体样品或待测气体样品，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘玉芳，王芳，马涛，杨亚萍，高阳，王旭，李蕾，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南,41