反射式幹涉型光纖傳感器系統的製作方法
2023-05-14 19:39:51 1
專利名稱：反射式幹涉型光纖傳感器系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖傳感器，尤其涉及反射式幹涉型的光纖傳感器。
背景技術：
近30年來，光纖傳感器技術得到了快速發展，現在已經是傳感技術的一個重要領域，其發展直接影響到許多行業的進步。與傳統的傳感器相比，光纖傳感器的特點主要包括(1)抗電磁幹擾，電絕緣，耐腐蝕，本質安全；(2)靈敏度高；(3)重量輕，體積小，外形可變；(4)測量對象廣泛；(5)對被測介質影響小；(6)便於復用，便於成網；(7)成本低等等。由於上述優點，光纖傳感器技術在電力、石油化工、生醫生化、航空航天、國防、環境保護與檢測等諸多領域有廣泛的應用或應用前景。它利用外界因素改變光纖中光的強度 (振幅)、相位、偏振態或波長(頻率)，具體可測量物理量包括電流、電壓、電場、磁場、電功率、溫度、應力、應變、振動、速度、角速度、血流、體壓、氣體濃度等等。但是光纖傳感器應用光纖等光學材料作為光傳感和傳輸介質，而光學材料特性一般都容易受到溫度、振動、壓力等周圍環境的影響。尤其是對於相位調製型光纖傳感器而言，相位調製型光纖傳感器中的光電子模塊容易受到溫度、振動、壓力等外界因素幹擾，導致其傳感精度不良，使用壽命也受到影響。現有的光纖電流傳感器技術參見CN100575959C、CN101299147B、CN101364475B、 CN101521104B、CN101692401B、CN101915866A、CN101957395A、CN102087307A、CN102082606A
坐寸o本發明的目的在於以下幾個方面一、採用本發明設計的光纖傳感器測量範圍大， 測量範圍最大可遠遠突破幹涉信號周期性限制；二、採用本發明設計的光纖傳感器測量靈敏度高；三、採用閉環信號檢測方案，保證了採用本發明設計的光纖傳感器在測量範圍都具有很好的測量線性度(即在測量範圍內不用校正傳感器的標度因素)；四、本發明結構簡單，光路和電路均易於模塊化和集成；五、採用本發明設計的光纖傳感器光路互易性好，抗幹擾能力強；六、採用本發明設計的光纖傳感器體積小，重量輕，便於組網設計。
發明內容
為了簡化系統並有效提高系統可靠性，有必要針對傳感器的信號處理單元和數據採集單元進行一體化設計，從而保證傳感器的集成度和穩定性。鑑於上述情況，本發明提供一種光纖傳感器，包括光源、光學器件集成組件、探頭、 光電探測器、信號處理單元。所述光學器件集成組件中包括Y型光相位調製器；所述光學器件集成組件將光源輸出的光線起偏為兩束線偏振光並傳輸至探頭；接收從探頭處返回的光線並使得返回的光線在所述Y型光相位調製器中發生幹涉；將幹涉結果輸出到光電探測器；接收來自信號處理單元的反饋調製信息；所述光電探測器接收光學器件集成組件的光信號輸出，利用光電效應將光信號轉換為電信號，將電信號輸出到信號處理單元；所述信號處理單元中接收光電探測器的輸出的信號，對所述信號進行處理，並將信號處理結果作為反饋調製信息反饋給所述光學器件集成組件。根據本發明的一個方面，所述光學器件集成組件中還包括第一分光合光器件、第二分光合光器件，光延遲器；第一分光合光器件接收光源輸出的光線，並將該光線全部或部分地通過光纖輸入到Y型光相位調製器；將光路中返回的兩束偏振光的幹涉結果經過光纖輸出到光電探測器；第二分光合光器件接收Y型光相位調製器輸出的兩束偏振光,並將其轉換為模式正交的形式後耦合在同一根保偏光纖中輸出到光延遲器；接受從光延遲器返回的兩束模式正交的線偏振光，並將其轉換成偏振模式相同的線偏振光後，分解至第二分光合光器件的兩個保偏光纖尾纖回傳至Y型光相位調製器；光延遲器在第二分光合光器件至探頭之間傳輸兩束模式正交偏振光並調整傳感器本徵周期的大小。根據本發明的一個方面，所述信號處理單元中還包括放大濾波單元、模數轉換單元、數字解調單元、積分單元、數字累加單元、數模轉換及驅動單元、數值濾波單元、接口轉換單元；其中放大濾波單元，對光電探測器的輸出電信號進行處理，實現其幅值放大和噪聲降低；模數轉換單元，接收放大濾波單元的輸出，將經過放大濾波的模擬信號轉換為數位訊號，然後輸出到數字解調單元；數字解調單元，接收模數轉換單元輸出，將經過解調後的數位訊號輸出到積分單元進行積分運算；積分單元，接收數字解調單元的輸出，將解調後的信號進行積分，得到反饋階梯波的臺階高度信號，並將該信號分別輸出給數字累加單元和數值濾波單元；數字累加單元，接收積分單元的輸出，並按照時間步長對其進行累加，得到數字階梯波信號，該數字階梯波信號與偏置調製方波疊加，疊加結果作為數模轉換及驅動單元的輸入信號；數模轉換及驅動單元，接收數字累加單元的輸出，將數字階梯波與調製方波轉換為模擬電信號，然後把該電信號輸出給Y型光相位調製器，從而驅動Y型光相位調製器對光信號進行調製，以在兩束相干偏振光間引入偏置調製相位和反饋調製相位；數值濾波單元，接收積分單元的輸出，對接收到的信號進行濾波，得到濾波結果信號，並將該信號輸出到接口轉換單元；接口轉換單元，接收數值濾波單元的輸出，將該輸出信號轉換為符合特定格式的輸出信號，並以數位訊號形式輸出。根據本發明的一個方面，所述Y型光相位調製器是Y型集成光學光相位調製器。根據本發明的一個方面，幹涉時的相位差始終保持在土 /2左右的幹涉最靈敏區域。根據本發明的一個方面，在信號處理單元中，數字解調單元、積分單元、數值濾波單元集成為獨立的數字處理單元。如附圖所示，根據下文對最佳實施方式的詳細描述，本發明公開的這些和其他目的、特徵和優點將更為明顯。
圖I是本發明的光纖傳感器一個實施例的結構示意圖2是光纖傳感器中進行方波調製的原理圖；圖3是對階梯波進行調製的波形示意圖；圖4是對信號進行解調的波形示意圖。
具體實施例方式圖I是本發明所涉及的反射式相位調製型光纖傳感器的一個實施例的示意圖。根據該實施例，該光纖傳感器包括光源、第一分光合光器件(即圖I中的分光合光器件I)、Y 型光相位調製器、第二分光合光器件(即圖I中的分光合光器件2)、光延遲器、光電探測器、 放大濾波單元、模數轉換單元、數字解調單元、積分單元、數字累加單元、數模轉換及驅動單元、數值濾波單元、接口轉換單元。由於本發明所設計的傳感器可以用作通用傳感器，因此其中的探頭的作用是對待測量進行檢測，探頭的構成可根據具體待測量種類而定。比如測量電壓的探頭，它就主要有電光調製晶體構成。至於測定其它的待測量，則本領域的技術人員可以根據需要而自行選取相應的探頭，因此本發明的重點不在於探頭本身的改進，下文對探頭結構及其組成不再詳敘。在該實施例中，第一分光合光器件、Y型光相位調製器、第二分光合光器件、光延遲器既可以統一集成為一個獨立的光學組件，稱為光學器件集成組件，也可以按照設計需求， 將這些器件組成多個組件，以提高系統的集成程度，便於組件的生產，也有利於提高組件的可替換性。在優選的情況下，第一分光合光器件、Y型光相位調製器、第二分光合光器件、光延遲器構成模塊化的光學器件集成組件。在該實施例中，放大濾波單元、模數轉換單元、數字解調單元、積分單元、數字累加單元、數模轉換及驅動單元、數值濾波單元、接口轉換單元既可以統一集成為一個獨立的信號處理模塊，稱為信號處理單元(即圖I中的閉環信號處理單元)，也可以按照設計需求，將這些器件組成多個組件，以提高系統的集成程度，便於組件的生產，也有利於提高組件的可替換性。光源，用於輸出光線，對於本發明所涉及的相位調製式幹涉型的光纖傳感器，光源輸出的光線作為光頻載波信息。光源的輸出光線通過光纖輸入到第一分光合光器件。第一分光合光器件，用於接收光源輸出的光線，並將該光線全部或部分地通過光纖輸入到Y型光相位調製器。作為光相位調製器的一個實施例，此處採用Y型光相位調製器。此外，第一分光合光器件還將傳感器光路中返回的兩束偏振光幹涉結果經過光纖輸出到光電探測器，進行後續信號解調和處理。第一分光合光器件屬於現有技術，包括但不限於耦合器、環形器。圖I中的Y型光相位調製器為集成光學Y型光相位調製器，即Y型集成光學光相位調製器(以下簡稱為Y型光相位調製器)。Y型光相位調製器，用於接收第一分光合光器件輸出的光信號，隨即將該光信號起偏成線偏振光，並進一步地將該線偏振光等分成兩束， 沿著Y型光相位調製器的兩根保偏光纖尾纖前向傳輸。此外，Y型光相位調製器還用於接收數模轉換及驅動單元輸出的偏置調製和階梯波反饋控制信號，對兩束偏振光的相位進行調製。
此外，Y型光相位調製器還用於接受從第二分光合光器件返回的兩束線偏振光，這兩束線偏振光在Y型光相位調製器中發生幹涉後，幹涉結果經過光纖尾纖輸出到第一分光合光器件。第二分光合光器件，用於接收Y型光相位調製器輸出兩束偏振光,並將其轉換為模式正交的形式後稱合在同一根保偏光纖中輸出到光延遲器。此外，第二分光合光器件用於接受從光延遲器返回的兩束模式正交的線偏振光， 並將其轉換成偏振模式相同的線偏振光後，分解至第二分光合光器件的兩個保偏光纖尾纖回傳至Y型光相位調製器。需要說明的是，儘管分解回傳的兩束線偏振光的偏振模式與前向傳輸時的偏振模式相同，但是傳輸通道互換了，即沿光纖尾纖I (比如第二分光合光器件左邊的兩根光纖尾纖，上面的一根尾纖稱為光纖尾纖I，下面的一根稱為光纖尾纖2)前向傳輸的偏振光將沿光纖尾纖2回傳，而沿光纖尾纖2前向傳輸的偏振光將沿光纖尾纖I回傳。第二分光合光器件屬於現有技術，包括但不限於PBS(polarization beam splitter),即偏振光分離器。 本領域的技術人員完全能夠得知其具體實現方式，在本文中不再詳述。光延遲器，用於第二分光合光器件至探頭之間的兩束模式正交偏振光傳輸，它可以是幾米至幾千米的保偏光纖。光延遲器的另一作用是用於調整傳感器本徵周期T的大小，並以其作為傳感器信號處理環節的時序基準。本徵周期T是指偏振光在傳感器光路中的傳輸時間。探頭，用於直接敏感待測物理量，並由於敏感該物理量而在兩束正交偏振光間形成相位差。探頭一般至少由3部分組成，即傳感介質，包括光纖或其它的光學材料；反射鏡， 包括在傳感介質端面安裝鏡面或鍍膜形成鏡面；偏振光轉換器，比如1/4波片，或法拉第旋轉鏡等。此外，與輸入時相比，兩束模式正交的偏振光在輸出探頭時還實現了模式互換，即原來是X模式的線偏振光在反向回傳時變為Y模式，原來是Y模式的線偏振光在反向回傳時變為X模式。光電探測器，用於接收第一分光合光器件的光信號輸出，利用光電效應將光信號轉換為電信號，將電信號輸出到放大濾波單元。放大濾波單元，用於對光電探測器的輸出電信號進行處理，實現其幅值放大和噪聲降低。模數轉換單元，用於接收放大濾波單元的輸出，將經過放大濾波的模擬信號轉換為數位訊號，然後輸出到數字解調單元。數字解調單元，用於接收模數轉換單元輸出，將經過解調後的數位訊號輸出到積分單元進行積分運算。解調方法是，對輸入信號的前後半周期各取n個點累加求和，之後相減，即得解調結果。n可以是1，也可以是其它正整數。積分單元，用於接收數字解調單元的輸出，將解調後的信號進行積分，得到閉環信號處理單元反饋階梯波的臺階高度信號，並將該信號分別輸出給數字累加單元和數值濾波單元。數字累加單元，用於接收積分單元的輸出，並按照時間步長T對其進行累加，得到數字階梯波信號。該數字階梯波與在閉環信號處理單元中形成的土 n/2偏置調製方波疊加，疊加結果作為數模轉換及驅動單元的輸入信號。
數模轉換及驅動單元，用於接收數字累加單元的輸出，將數字階梯波與偏置調製方波信號轉換為模擬電信號，然後把該電信號輸出給Y型光相位調製器,從而驅動Y型光相位調製器對光信號進行調製，以在兩束相干偏振光間引入土 n /2偏置調製相位和CtR反饋調製相位。數值濾波單元，用於接收積分單元的輸出，對接收到的信號進行濾波，得到濾波結果信號，並將該信號輸出到接口轉換單元。接口轉換單元，用於接收數值濾波單元的輸出，將該輸出信號轉換為符合特定格式的輸出信號，並以數位訊號形式輸出。如圖I所示，光源發出的光經第一分光合光器件後，通過光學器件集成組件起偏為線偏振光，並隨即分為模式正交、幅度相等的兩束線偏振光，分別沿光學器件集成組件中的Y型光相位調製器的兩根尾纖前向傳輸。根據本發明的一個實施方式，光源發出的光經第一分光合光器件後進入Y型集成光學光相位調製器，Y型集成光學光相位調製器對輸入光至少具有起偏、分束、相位調製等三項功能。兩束線偏振光在Y型光相位調製器中受到來自閉環反饋通道(即圖I中光學器件集成組件、光電探測器、閉環信號處理單元這三者形成的閉環)的數模轉換及驅動單元輸出信號的電光調製作用，在這兩束線偏振光間引入調製相位，使得兩束光在最終發生幹涉時的相位差始終保持在土 n /2附近浮動。所述調製相位的具體原理和波形參見圖2、3的內容，後文將進行進一步的描述。線偏振光經過調製後，經過第二分光合光器件的處理之後，經過光延遲器，傳輸至探頭。根據本發明的一個實施方式，轉變為兩束模式正交的線偏振光，沿著同一根保偏光纖的X模和Y模經過光延遲器(此光延遲器可以是一段保偏光纖，長度從數十米至數千米均可。其作用是適當調整光在光路中的傳輸時間T，T作為整個傳感器系統的本徵周期，也是信號處理信號單元中進行調製解調的時間基準)後到達傳感探頭。在探頭處，兩束光敏感某種物理效應，比如，法拉第磁光效應、泡克耳斯(Pockels)電光效應等等，產生非可逆相位差0 (參見下文第一個公式)，並且經探頭處的反射鏡反射，該兩束光模式互換後沿原光路返回。返回的光在Y型光相位調製器處發生幹涉，幹涉結果通過第一分光合光器件後耦合進光電探測器，然後送入信號處理單元進行信號提取。在閉環信號處理單元中，數字解調單元、積分單元、數值濾波單元等既可以統一集成為一個獨立的信號處理模塊，稱為數字處理單元，也可以按照設計需求，將這些模塊組成多個組件，以提高系統的集成程度，便於組件的生產，也有利於提高組件的可替換性。在閉環信號處理單元中，光電探測器輸出的信號經過放大濾波單元進行放大濾波，然後進行模數轉換得到數位訊號，數位訊號的轉換結果被送入數字處理單元，進行數位訊號的解調、積分、數值濾波等計算。數字處理單元中產生輸出信號以及偏置調製和反饋調製信息，其中偏置調製和反饋調製信息經數模轉換及驅動單元後輸出到光學器件集成組件中的Y型光相位調製器，從而形成閉環信號處理系統。根據本發明的一個具體實施例，如果數模轉換及驅動單元不向光學器件集成組件中的Y型光相位調製器進行相位調製的情況下，那麼兩束相干光的幹涉結果為Id = I0 (1+cos )(I)式中，Itl是兩束相干光的強度，0是兩束相干光在探頭處敏感待測物理量(比如電流、電壓等)形成的相位差信息。
從上式可以看出，幹涉結果Id是相位差0的餘弦函數。由於餘弦函數在零相位時斜率為零，對微小相位差反應不靈敏，所以從上式中直接提取相位信息0比較困難，同時不能分辨相差的符號。應用方波調製技術使相差信息產生土 /2偏置，使傳感器系統工作在較靈敏的區域，提高傳感器的響應靈敏度；同時通過方波調製，在頻域上將輸出信號頻譜由低頻區遷移到高頻，避開低頻區的1/f噪聲，減少了低頻噪聲的影響。這時，上式變為
權利要求
1.一種反射式幹涉型光纖傳感器系統，包括光源、光學器件集成組件、探頭、光電探測器、信號處理單元，其特徵在於，所述光纖傳感器為反射式幹涉型光纖傳感器；所述光纖傳感器中，兩束模式正交的線偏振光沿同一根保偏光纖的兩個正交模式傳輸至探頭，並在探頭內發生反射並使得兩束光的正交模式互換，之後沿原光路返回；所述光學器件集成組件中包括Y型光相位調製器；所述光學器件集成組件將光源輸出的光線起偏為兩束線偏振光並傳輸至探頭；接收從探頭處返回的光線並使得返回的光線在所述Y型光相位調製器中發生幹涉；將幹涉結果輸出到光電探測器；接收來自信號處理單元的反饋調製信息；所述光電探測器接收光學器件集成組件的光信號輸出，利用光電效應將光信號轉換為電信號，將電信號輸出到信號處理單元；所述信號處理單元中接收光電探測器的輸出的信號，對所述信號進行處理，並將信號處理結果作為反饋調製信息反饋給所述光學器件集成組件中的Y型光相位調製器。
2.根據權利要求I所述光纖傳感器系統，其特徵在於，所述光學器件集成組件中包括第一分光合光器件、第二分光合光器件、光延遲器； 第一分光合光器件接收光源輸出的光線，並將該光線全部或部分地通過光纖輸入到Y 型光相位調製器；將光路中返回的兩束偏振光的幹涉結果經過光纖輸出到光電探測器；第二分光合光器件接收Y型光相位調製器輸出的兩束偏振光，並將其轉換為模式正交的形式後耦合在同一根保偏光纖中輸出到光延遲器；接受從光延遲器返回的兩束模式正交的線偏振光，並將其轉換成偏振模式相同的線偏振光後，分解至第二分光合光器件的兩個保偏光纖尾纖回傳至Y型光相位調製器；光延遲器在第二分光合光器件至探頭之間傳輸兩束模式正交偏振光並調整傳感器本徵周期的大小。
3.根據權利要求I或2所述的光纖傳感器系統，其特徵在於，所述信號處理單元中還包括放大濾波單元、模數轉換單元、數字解調單元、積分單元、 數字累加單元、數模轉換及驅動單元、數值濾波單元、接口轉換單元；其中放大濾波單元，對光電探測器的輸出電信號進行處理，實現其幅值放大和噪聲降低；模數轉換單元，接收放大濾波單元的輸出，將經過放大濾波的模擬信號轉換為數位訊號，然後輸出到數字解調單元；數字解調單元，接收模數轉換單元輸出，將經過解調後的數位訊號輸出到積分單元進行積分運算；積分單元，接收數字解調單元的輸出，將解調後的信號進行積分，得到反饋階梯波的臺階高度信號，並將該信號分別輸出給數字累加單元和數值濾波單元；數字累加單元，接收積分單元的輸出，並按照時間步長對其進行累加，得到數字階梯波信號，該數字階梯波信號與偏置調製方波疊加，疊加結果作為數模轉換及驅動單元的輸入信號;數模轉換及驅動單元，接收數字累加單元的輸出，將數字階梯波與調製方波轉換為模擬電信號，然後把該電信號輸出給Y型光相位調製器，驅動Y型光相位調製器對光信號進行調製以在兩束相干偏振光間引入偏置調製相位和反饋調製相位；數值濾波單元，接收積分單元的輸出，對接收到的信號進行濾波，得到濾波結果信號， 並將該信號輸出到接口轉換單元；接口轉換單元，接收數值濾波單元的輸出，將該輸出信號轉換為符合特定格式的輸出信號，並以數位訊號形式輸出。
4.根據權利要求2所述的光纖傳感器系統，其特徵在於，所述Y型光相位調製器是Y型集成光學相位調製器。
5.根據權利要求1-4所述的光纖傳感器系統，其特徵在於，幹涉時的相位差始終保持在± /2左右的最靈敏區域。
6.根據權利要求3-5所述的光纖傳感器系統，其特徵在於，在信號處理單元中，數字解調單元、積分單元、數值濾波單元、數字累加單元、數模轉換及驅動單元、接口轉換單元可全部地或部分地集成。
全文摘要
本發明提出了一種反射式幹涉型光纖傳感器的通用方案。它包括光源、光電探測器、光學器件集成組件、探頭以及基於相關調製解調的數字閉環信號處理單元組成。其中光學器件集成組件由第一分光合光器件、Y型Y型光相位調製器、第二分光合光器件、光延遲器組成，作用包括分光合光、光起偏、偏振光分解、和光相位調製。該光纖傳感器的通用方案具有互易性光路，提高了傳感器對溫度、振動等環境因素的抗幹擾能力；它採用方波偏置調製結合階梯波反饋調製的數字閉環微弱信號檢測方法，使得傳感器由此可以高線性度、高準確度地測得待測物理量大小。
文檔編號G01D5/353GK102607620SQ20121008760
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月29日 優先權日2012年3月29日
發明者石金華 申請人:揚州永陽光電科貿有限公司