[发明专利]一种用于测量湿度的光电振荡器及其测量方法

说明书

本发明提供了一种用于测量湿度的光电振荡器及其测量方法，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；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；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。本发明利用微波光子技术，通过光纤来感知湿度的变化，将湿度变化转化为对光电振荡器振荡信号频率的变化，提高了湿度测量的灵敏度和稳定性。

技术领域

本发明涉及微波光子学技术和传感测量领域，尤其涉及一种用于测量湿度的光电振荡器及其测量方法。

背景技术

微波光子学是一门融合微波技术和光子学的新兴交叉学科,而光电振荡器是微波光子学中的一个重要器件，最早的光电混合振荡器是由A.Neyer和E.Voges在1982年提出来的利用光器件和微波器件构成，现有技术中的光电振荡器结构通常包括激光源、强度调制器、长光纤、光滤波器或微波滤波器、微波放大器或光放大器、光电探测器等光电器件，利用这些元件搭建一个正反馈环路实现自起振。光电振荡器利用光器件的高带宽，以及长光纤的高储能、低损耗特性，可以在高频段(微波/毫米波段)获得超低相位噪声的高品质振荡信号。因此，在近些年得到了迅速发展。

基于普通单环光电振荡器的基础，国内外相关学者先后提出基于微波光子滤波器的光电振荡器、双环/多环光电振荡器、耦合式光电振荡器等多种不同类型的结构，在噪声抑制、稳定性控制、调谐范围、小型化等性能方面得到了很大的提高。目前，光电振荡器技术可应用于光脉冲产生、信号处理、混沌光生成等方面。为了实用化，已经有很多小型化集成化的光电振荡器面世。由于光电振荡器可产生高频率和高品质的微波信号，它在传感方面的应用也引来了越来越多学者关注，已报道的包括基于光电振荡器的温度、应力、距离、长度以及声波等传感器。其中，大多数都是基于微波光子滤波器的光电振荡器结构，通过一些设计，使待测物理量与微波光子滤波器的中心频率建立联系，进而通过监测光电振荡器所产生微波信号的频率获得有关待测物理量的信息，由于使用了具有高分辨率和高速度的数字信号处理器模块来测量微波信号频率，可以有效地提高解调速度和分辨率。

现有技术中，湿度传感器在气象服务、化学和食品加工业、土木工程、空气调节、园艺以及电子制造等方面得到了广泛的应用，湿度计的测量原理集中在湿敏电子元件(即电容元件和电阻元件)上，湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺和酪酸醋酸纤维等，当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。由于需要电驱动，所以很容易受测量环境中的热、放射性、电磁干扰以及布线问题的困扰，这将会限制系统在一些特殊的恶劣的环境中工作，如在狭小的或高温高湿的空间内，并且无法快速恢复饱和状态。光学技术可以克服这些限制，它们在高相对湿度值下工作，具有良好的计量特性。在几种光学传感系统中，光纤传感器的优势是重量轻，体积小，化学惰性，抗电磁干扰和良好的计量性能。目前已经提出的光学湿度传感器包括光学吸收型，这种传感器是基于消逝场与湿敏材料涂层的相互作用，从而引起光谱的透射光功率的变化，由于该方法仅检测光功率变化，因此容易受光源波动的影响；光纤光栅型是利用湿敏涂层吸水引起的体积膨胀或折射率变化来改变光纤光栅的栅距或有效折射率；除此之外，还有模式干涉，法布里珀罗腔以及sagnac干涉仪等类型的传感器。虽然光纤传感器是化学惰性的，但它们可以通过使用响应涂层来实现对湿度的感测。响应涂层主要有聚合物、氧化物和碳基纳米粒子等，它们通过吸收和释放水蒸气来引起涂层的折射率或体积变化进而引起光纤的变化。虽然光纤传感器已经展现了十分优异的性能，但在大多数现有的基于光纤的传感方案中，光谱分析仪(Optical Spectrum Analyzer，OSA)被用作光信号监测仪器。由于OSA的低分辨率和低扫描速率，基于光纤的湿度传感器也具有低分辨率和低解调速度的缺点。