基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置及方法，包括：宽带激光器、第一准直器、45°起偏片、第一双折射晶体、干燥气室、被测气室、半波片、第二双折射晶体、相位补偿片、‑45°检偏片、第二准直器、光谱解调仪；宽带激光器的输出与所述第一耦合器的输入端相连；第一准直器的输出端先通过45°起偏片，形成45°线偏振光，经过第一双折射晶体分为两路，其中一路通过一段被测量气室，另外一路通过一段干燥气室，然后两路光路分别直接通过半波片，再进入第二双折射晶体，最后通过相位补偿片，经‑45°检偏片后，耦合到第二准直器，通过第二准直器进入光谱解调仪中。

High Precision Fiber Optic Humidity Measurement Device and Method Based on Quantum Weak Value Amplification

【技术实现步骤摘要】
基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置及方法
本专利技术属于光纤传感的
，尤其涉及一种基于量子弱值放大的光纤湿度测量装置及方法。
技术介绍
这里的陈述仅提供与本专利技术相关的
技术介绍
，而不必然地构成现有技术。目前商用的温湿度传感探头产品主要包括以水银温度计组成的干湿球温湿度探头、湿敏电阻式温湿度探头、湿敏电容式温湿度探头等通用产品，尚未有采用光纤温湿度探头。干湿球温湿度探头技术较为成熟，主要采用干、湿两个水银温度计组成干湿度表，以查表法测得空气中的相对湿度值，这种类型的温湿度计成本低，性能稳定。但该温湿度计只能每个探头独立使用，并且只能依靠人工完成数据读取及记录，使用中便利性差、人工成本高，更无法做到多传感探头组网使用、温湿度数据远程传输等功能，不具备智能化使用的条件。而电阻式、电容式温湿度传感探头是通过温敏、湿敏电子元器件感知温度和湿度数据，其使用过程中需要供电，数据传输也需要电源及相关电缆进行辅助，无法做到传感端无源化，且电子器件对使用环境比较敏感，长时间使用容易老化，产生精度的下降。另外采用光纤传感器作为温度和湿度敏感元件，再利用干湿法组成温度和相对湿度传感探头，可以做到敏感元件全光纤化，但探头后期维护，加水制造湿部环境。有报道称光纤光栅或多模光纤外部涂覆湿敏材料，也可以对湿度进行测量。但工艺上对涂覆层的材料和厚度有着严格的要求。生产湿敏传感器会造成产品合格率低，成本比较高。采用多模光纤方式的湿敏传感器同时也无法长距离地进行湿度测量。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，克服现有湿敏测量技术中存在高成本探测器、长距离问题，本申请提出了一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置及方法，该装置具备适合传感数据远距离传输、探头使用寿命长、性能稳定、抗电磁干扰强成本低、测量精度高及快速响应等天然优势。本专利技术的第一目的是提供基于量子弱值放大的光纤湿度测量装置。为了实现上述目的，本专利技术采用如下一种技术方案：一种基于量子弱值放大的光纤湿度测量装置，该装置包括：宽带激光器、第一准直器、45°起偏片、第一双折射晶体、干燥气室、被测气室、半波片、第二双折射晶体、相位补偿片、-45°检偏片、第二准直器、光谱解调仪；所述第一准直器的输出端先通过45°起偏片，形成45°线偏振光，经过第一双折射晶体分为两路，其中一路通过一段被测量气室，另外一路通过一段干燥气室，然后两路光路分别直接通过半波片，再进入第二双折射晶体，最后通过相位补偿片，经-45°检偏片后，耦合到第二准直器，通过第二准直器进入光谱解调仪中。作为进一步的技术方案，所述宽带激光器输出宽带激光，经过所述第一准直器后，通过45°起偏器后，经过第一双折射晶体分出两路光，一路光为o光，另一路光为e光，两路光相互正交，一路光对被测量气室进行折射率测量，即光通过被测气室后，再输入到半波片，从而使得o光转换为e光，再进入第二双折射晶体里。另外一路e光对等温等压的干燥气室进传输，再输入到半波片，使得e光转换为o光。再进入第二双折射晶体里，两路正交光在第二双折射晶体内合并成一束45°线偏振光，再通过相位补偿片进行补偿，最后通过-45°检偏器，通过调整-45°检偏器与输出45°线偏振光的偏振角度的微小角度，微小角度一般为0.01～0.03rad左右，使光路输出光功率值比较小，从而形成弱耦合。再将光耦合到第二准直器里，通过光纤输入到光谱解调仪进行相位解调。在本专利技术中，采用两个气室结构的光路。被测气室与外界大气是连通的，另外干燥气室也与外界连通，但是被测气室和干燥气室不相通，相互隔离；被测气室与干燥气室的气压，温度都是相同的，但被测气室中由于湿度影响，使得空气折射率发生变化，那么两气室的空气折射率不相同，从而引起光相位变化，而这种光相位变化量很小，一般1％RH可改变折射率为10-6RIU,但可以通过这种量子弱测量系统进行测量。在本专利技术中，采用宽带光进行空气折射率进行测量，可以快速实时地测量大气的湿度；湿度探测器体积可以做得很小；同时也可以长距离测量气体湿度；湿度探测器为无源器件，可以长时间进行测量湿度，同时本系统采用光源为宽带光源，系统物料成本比较低。本专利技术的第二目的是提供一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量方法。为了实现上述目的，本专利技术采用如下一种技术方案：一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量方法，该方法基于上述一种基基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置，该方法包括以下步骤：(1)获取宽带激光器的宽带光谱图，一般采用宽带光谱为高斯光谱。(2)光经过45°起偏片后，使得光形成线偏振光，光的偏振方向与水平方向形成45°夹角。(3)线偏振光入射到双折射晶体上时，双折射晶体为45°切角，使线偏振光分为o光和e光。o光与e光为相互正交光，同时也为垂直偏振光和水平偏振光。(4)o光和e光分别通过两个气室，被测气室为测量湿度的位置，干燥气室为参考气室。(5)两光路再通过半波片后，o光转换为e光，e光转换为o光。通过另一个双折射晶体将两路光合束。合束光后形成线偏振光。(6)再通过调整湿度探测器的相位补偿角度，使得光通过湿度探测器后，光的功率值最小，同时也使宽带光谱与输入的高斯光谱一致。(7)最后调整-45°检偏片的角度，使角度约为0.01～0.03rad，再调试相位补偿角，使输出宽带光谱显马鞍形状。本专利技术中在湿度探测器工作时，被测气室的折射率发生变化，两路光的相位也就发生变化。作为进一步的技术方案，从所述步骤(2)，光通过45°起偏片时，线偏振光的量子初选态|ψ>为|ψ>＝sinα|H>+cosα|V>其中，|H>为水平偏振态，|V>为垂直偏振态，α与水平偏振形成的夹角。作为进一步的技术方案，所述步骤(3)(4)(5)(6)(7)后，线偏振光的量子后选态|φ>为：其中，β为检偏片与水平方向夹角，为相位变化量，x为光的初始相位,实部α和β分别为线偏振光与水平方向的夹角，i为线偏振光相位角虚部表示。根据量子弱值放大原理，系统的弱值放大倍数为：A为操作算符，A＝|V><V|。由于系统是要对相位进行求解，因而我们只需要求弱值放大倍数的虚部就可以，所以虚部值为：其中，则宽带光谱波长的质心位置偏移量如下：其中，Δλ为光谱宽度，λ0为光谱中心波长。通过测定光谱的质心位移，测量光纤湿度的高精确实时测量。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术的一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置及方法，可以通过被测气室长度来调整相位测量分辨率。(2)本专利技术的一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量方法及装置，采用双气室结构，可以实现很长距离的光纤湿度测量，并提高光纤湿度测量精度。(3)本专利技术的一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量方法及装置，采用宽带激光器进行调制，可以低成本的CCD光谱传感器，从而可以实现在线测量光纤低成本湿度测量。(4)本专利技术的一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量方法，采用量子弱值放大技术，通过测量双气室两个相同温度和相同气压下，不同湿度的空气折射率引入的相位变化量，来计算光谱质心位移量，可以实现长距离光纤湿度的高精确实时测量。附图说明图1为本专利技术的一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置的结构图；图2为本专利技术的一种基于量子弱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置，其特征是：该装置包括：宽带激光器、第一准直器、45°起偏片、第一双折射晶体、干燥气室、被测气室、半波片、第二双折射晶体、相位补偿片、‑45°检偏片、第二准直器、光谱解调仪；所述宽带激光器的输出与所述第一耦合器的输入端相连；所述第一准直器的输出端先通过45°起偏片，形成45°线偏振光，经过第一双折射晶体分为两路，其中一路通过一段被测量气室，另外一路通过一段干燥气室，然后两路光路分别直接通过半波片，再进入第二双折射晶体，最后通过相位补偿片，经‑45°检偏片后，耦合到第二准直器，通过第二准直器进入光谱解调仪中。

【技术特征摘要】
1.一种基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置，其特征是：该装置包括：宽带激光器、第一准直器、45°起偏片、第一双折射晶体、干燥气室、被测气室、半波片、第二双折射晶体、相位补偿片、-45°检偏片、第二准直器、光谱解调仪；所述宽带激光器的输出与所述第一耦合器的输入端相连；所述第一准直器的输出端先通过45°起偏片，形成45°线偏振光，经过第一双折射晶体分为两路，其中一路通过一段被测量气室，另外一路通过一段干燥气室，然后两路光路分别直接通过半波片，再进入第二双折射晶体，最后通过相位补偿片，经-45°检偏片后，耦合到第二准直器，通过第二准直器进入光谱解调仪中。2.如权利要求1所述的基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置，其特征是，通过被测气室长度来调整相位测量分辨率。3.如权利要求1所述的基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置，其特征是，所述的第一双折射晶体分出两路光，一路光为o光，另一路光为e光，两路光相互正交。4.如权利要求3所述的基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置，其特征是，一路o光对被测量气室进行折射率测量，即光通过被测气室后，再输入到半波片，从而使得o光转换为e光，再进入第二双折射晶体里；另外一路e光对等温等压的干燥气室进传输，再输入到半波片，使得e光转换为o光。5.如权利要求3所述的基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置，其特征是，两路正交光在第二双折射晶体内合并成一束45°线偏振光，再通过相位补偿片进行补偿，最后通过-45°检偏器，通过调整-45°检偏器与第二双折射晶体输出的45°线偏振光的偏振角度的微小角度使光路输出光功率值比较小，从而形成弱耦合。6.如权利要求5所述的基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置，其特征是，所述的微小角度为0.01～0.03rad左右。7.如权利要求1所述的基于量子弱值放大的高精度光纤湿度测量装置，其特征是，所述的干燥气室与被...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔洪亮，罗政纯，于淼，王忠民，常天英，吴崇坚，
申请(专利权)人：珠海任驰光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44