[发明专利]一种用于测量湿度的光电振荡器及其测量方法

权利要求书

1.一种用于测量湿度的光电振荡器，其特征在于，包括：光源、第一光耦合器、可调节光时延模块、涂敷湿敏材料的光纤传感头、第二光耦合器、电光调制器、色散元件、光放大器、光电探测器、微波放大器和功分器；

所述的第一光耦合器和第二光耦合器及其之间的涂敷湿敏材料的光纤传感头和可调节光时延模块组成一个马赫曾德尔干涉仪MZI；

所述的涂敷湿敏材料的光纤传感头位于MZI的一个臂中，用于感应湿度进行相应的伸缩形变。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的光源、第一光耦合器、可调节光时延模块、涂敷湿敏材料的光纤传感头、第二光耦合器、电光调制器、色散元件、光放大器、光电探测器顺序光纤连接，所述的光电探测器、微波放大器、功分器和电光调制器顺序电路连接。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的功分器后电路连接有电谱分析仪或数字信号处理器模块，用于接收功分器的微波信号输出并通过监测其频率变化进行湿度的计算。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的光源为宽谱光源或在掺铒光纤放大器的自发辐射光后加一个起偏器，用于发出光信号；所述的第一光耦合器和第二光耦合器用于光的分路和合路，包括但不限于1×2或2×2光耦合器。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的电光调制器为电光效应器件，包括但不限于铌酸锂调制器或电吸收调制器，用于将所述功分器分出的微波信号调制到光信号上，形成光电振荡环路。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的涂敷湿敏材料的光纤传感头中的湿敏材料为对湿度敏感的材料，包括但不限于聚乙烯醇、聚酰亚胺或壳聚糖。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的色散元件用于使不同波长的光信号之间产生一个时延差，包括但不限于普通单模光纤、线性啁啾光纤光栅或色散补偿光纤。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的光源、MZI、电光调制器、色散原件共同组成一个微波光子滤波器，用于对光电振荡器振荡信号进行选频。

9.一种应用权利要求1-8任一所述光电振荡器进行湿度测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过光源发出光信号经由第一光耦合器分路后，沿着MZI的两个臂传输，通过可调节光时延模块匹配两个臂的臂长，并产生一个相对湿度未发生变化时的初始臂长差，形成一个初始的振荡频率，第二光耦合器将MZI两个臂上的光信号合路，使其发生干涉；

2)干涉后的光信号经过电光调制器调制后得到调制信号，所述调制信号通过色散元件产生时延并经过光放大器放大后由光电探测器转变为电信号，再经过微波放大器放大后，由功分器分成两部分，其中一部分重新反馈回电光调制器的射频端，形成光电振荡环路，另一部分作为微波信号的输出进行频率监测；

3)涂敷湿敏材料的光纤传感头感应到湿度变化时，通过监测输出频率的变化解调出湿度的变化。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的通过监测输出频率的变化解调出湿度的变化量，包括：

根据所述的输出频率的变化通过下式(1)计算出湿度的变化量：

测得的当前湿度值为下式(2)所示：

RH＝ΔRH+RH₀ (2)

其中，ΔRH为湿度的变化量，RH₀为初始湿度，D为色散元件的群速度色散，λ为光信号的波长，Δf为中心频率变化量，n为光纤纤芯的有效折射率，P_1j(j＝1,2)为光纤的弹光系数，k为与湿敏材料的湿膨胀系数成比例的系数，L_RH为涂敷了湿敏材料的光纤长度。