CN100588912C - 光纤Mach-Zehnder与Michelson干涉仪阵列的组合测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种光纤Mach-Zehnder与Michdson干涉仪阵列测量仪。包括宽谱光源(1)、光电探测器(2)、3dB光纤2×2耦合器(3)、光纤Mach-Zehnder干涉仪、转置的3dB光纤2×2耦合器(7)、光纤Michelson干涉仪阵列(8)和(8′)、单模连接光纤(9)；其中光纤Mach-Zehnder干涉仪由衰减器(4)、自聚焦透镜(5)、全反射角锥棱镜(6)、连接光纤(9)连接组成。本发明利用应变与温度同时测量技术，实现了温度补偿技术和光纤传感器布设的阵列化，使多个传感器在互不干扰的情况下实现了绝对测量，降低了单点测量成本，保证了实时测量。同时技术简单，易实现。采用的光纤材料和器件均为标准光纤通信元件，成本低，易获得，便于推广。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种测量装置，具体地说是一种基于白光干涉原理的光纤干涉仪阵列的测量仪。
(二)背景技术
具有不同类型的低相干光源(宽谱光源，窄谱LED、SLED和ASE，多模激光二极管等)的光纤干涉测量系统的研究与发展已成为非常活跃的技术领域。作为光纤干涉的一个分支，低相干光源测量系统已展示出优于其他光纤干涉系统的许多优点。最大特点是可以对被测量进行绝对测量。另外，还具有高分辨率及宽动态范围，由于系统所用的低相干光源和多模光纤价格便宜，因此系统成本较低。白光干涉仪广泛用于各种物理量的测量。
目前已发展的白光干涉传感系统中，主要有时分复用技术(TDM)、频分复用技术(FDM)和空复用技术(SDM)等多路复用技术。如[SANTOS JL，JACKSON D A.Coherence sensing of time-addressed optical-fiber sensorsilluminated by a multimode laser diode，Appl.Opti.，30：5068-5077，1991]中公开的时分复用技术(TDM)，是利用光纤对光波的延迟效应来寻址的复用技术，这种方法结构复杂，复用数量有限，测量范围小，测量精度低；另外，[LIU T，FERNANDO G F.A frequency division multiplexed low-finesse fiber opticalFabry-Perot sensor system for strain and displacement measurements，Review ofScientific instruments，71(3)，1275-1278，2000]中公开的频分复用技术(FDM)，利用光谱分析仪直接测量多个腔长不同的Fabry-Perot干涉仪输出的光谱叠加结果，这种方法受腔长和腔长差的限制，干涉仪的复用数量很有限，仅几个。而[LiboYuan，Qingbin Li，Yijun Liang，Fiber optic 2-D sensor for measuring the strain insidethe concrete specimen.Sensors and Actuators A，94(2001)25-31]中公开的空分复用技术(SDM)，通过参考臂中的平面反射镜进行空间连续光程扫描，即可实现对多传感器的解调和问询，从而很方便的实现二维应变测量，这种方法结构简单，测量精度高，但由于只有一个参考平面，使得平面反射镜的扫描范围需要很大，而且当系统含有多个传感器时，由于传感臂反射信号强度的衰减，会使干涉信号对比度较差，白光干涉信号很弱，因此干涉仪的复用数量仅几个。
申请人于2006年公开了多路复用光纤干涉仪及其嵌套构建方法(申请号200610151043.5)，发明了可以构造传感器阵列和网络的全光纤干涉仪光纤及其实现方法，解决光纤干涉仪的多路复用问题；申请人于2007年公开的低相干绞扭式类Sagnac光纤形变传感装置(申请号：200710072350.9)，主要用来解决光纤传感器阵列布设过程中的抗毁坏的问题。
光纤传感器对于应变和温度的响应是本征的，即环境温度的变化以及外界应力的作用都会引起传感器的输出。在多路复用的光纤传感阵列和网络中，特别是对于智能结构的测量与应用中，应变传感器，无论是点式还是大尺度的传感器，都会遇到温度补偿的问题。因此，温度补偿问题，对于应变传感测量及其其它光纤传感测量而言，是一个非常重要，也是一个极为棘手的问题。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种在互不干扰的情况下能够实现多点阵列测量的光纤Mach-Zehnder与Michelson干涉仪阵列的组合测量仪。
本发明的目的是这样实现的：
它包括宽谱光源1、光电探测器2、3dB光纤2×2耦合器3、光纤Mach-Zehnder干涉仪、转置放置的3dB光纤2×2耦合器7、光纤Michelson干涉仪阵列8和8′；其中光纤Mach-Zehnder干涉仪由衰减器4、自聚焦透镜5、全反射角锥棱镜6、单模连接光纤9连接组成；宽谱光源1发出的光谱通过适配器注入光纤后，进入3dB光纤2×2耦合器3，出3dB光纤2×2耦合器3的两束光，分别进入光纤Mach-Zehnder干涉仪的两个阵列，从这两个阵列出来的光再经转置放置的3dB光纤2×2耦合器7定向耦合入光纤Michelson干涉仪阵列8和8′，阵列8为参考阵列，阵列8′为传感阵列，从参考阵列8的反射端面返回的一束光再经过转置放置的3dB光纤2×2耦合器7、衰减器4、耦合进光电探测器2，成为参考信号光；从传感阵列8′的反射端面返回的另一束光经过转置放置的3dB光纤2×2耦合器7、自聚焦透镜5、全反射角锥棱镜6、到达光电探测器2，成为被调制的测量信号光。
本发明还可以包括：
1、所述的Michelson干涉仪阵列由一系列具有一定反射率的光纤反射端面8和8′构成，这些光纤反射端面8和8′分别构成光纤Michelson干涉仪的作为参考阵列和传感阵列两个臂，同一阵列上的光纤传感器之间由光纤连接器紧密连接，每个光纤段依次编码，参考阵列上的各个光纤段长度相等，传感阵列上各个光纤段的长度依次增加或减小。
2、所述的Michelson干涉仪阵列由一系列具有一定反射率的光纤反射端面8和8′构成，这些光纤反射端面8和8′分别构成光纤Michelson干涉仪的作为参考阵列和传感阵列的两个臂，同一阵列上的光纤传感器之间由光纤连接器紧密连接，每个光纤段依次编码，而且各个光纤段的长度依次增加或减小，位于不同阵列上相对应的一对光纤段长度相等。
本发明方法的基本原理是基于白光干涉和空分复用原理。低相干宽谱光源1发出的光谱通过适配器注入光纤后，由3dB光纤2×2耦合器3分成两束，分别进入光纤Mach-Zehnder干涉仪的两个臂，从这两个臂出来的光再经转置放置的3dB光纤2×2耦合器7定向耦合入光纤Michelson干涉仪阵列8和8′，阵列8为参考臂，阵列8′为传感臂，从参考阵列8的反射端面返回的一束光再经过转置放置的3dB光纤2×2耦合器7、衰减器4、耦合进光电探测器2，成为参考信号光；从传感阵列8′的反射端面返回的另一束光经过转置放置的3dB光纤2×2耦合器7、自聚焦透镜5、全反射角锥棱镜6、同样到达光电探测器2，成为被调制的测量信号光。参考信号光和测量信号光在光电探测器表面发生干涉，由于低相干光源的相干长度极短，大约为几微米到几十微米，只有当参考信号光和测量信号光的光程差几乎相等时才会产生干涉现象，看到有白光干涉图样输出。白光干涉条纹的特征是有一个主极大值，称为零级中心干涉条纹。它对应于参考信号光和测量信号光的光程相等的位置。通过调整全反射角锥棱镜6的位置，就可以使参考信号光和测量信号光的光程相等，获得中心干涉条纹。这个中心干涉条纹为测量提供了一个初始的参考位置，当待测量变化引起测量信号光的光程变化时，我们只需扫描全反射角锥棱镜6，就可以从中心干涉条纹的位置变化获得待测量变化的绝对值。
为了实现空分复用技术，设计了光纤Michelson干涉仪阵列8和8′，每个反射面之间设有一定长度的传感臂或参考臂，这些传感臂和参考臂的长度设置保证了干涉条纹相互独立，互不干扰，又可以通过全反射角锥棱镜6的空间光程扫描，对多个传感器加以区分，实现对多个待测量的问询与测量。这种多个传感器的中心干涉条纹在光程扫描空间内的相互分立技术，称为空分复用技术。
可见基于空分复用技术的白光光纤干涉仪构造的基本思想是，测量光束经过不同的测量光路或者传感器所引入的光程，通过参考光束的光程扫描，可以与其发生一一对应的光程匹配，使产生的白光干涉条纹在光程扫描空间上相互独立，互不干扰。测量光束的分路可以通过增加光纤反射端面实现，参考光束的匹配可以直接利用连续可变的光学延迟线实现光程扫描。
光纤传感器在进行应变测量时，不可避免的要受到环境温度的变化的影响，这是因为传感器对于应变和温度的响应是本征的。因此，在智能结构的测量与应用中，应变传感器无论是点式还是大尺度的传感器，一个极为棘手的问题就是如何消除环境温度的影响，即温度补偿的问题。本发明中通过构造孪生传感器阵列来消除测量过程中的温度影响，其基本思想是，将测量臂和参考臂相互靠近，同时布设于待测环境内，并且将参考臂与待测环境隔离，测量臂同时感受应变和环境温度，参考臂仅用于感受温度，即温度对参考臂和测量臂的影响完全一致。这样测量臂中的光纤传感器的长度变化虽然与温度和应变都有关，但是参考臂中光纤传感器受到温度影响产生的长度与测量臂相同，这样当测量光与参考光进行干涉时，温度的影响就被削掉，即白光干涉峰值的变化仅与应变的大小有关，根据峰值偏移量的数值可以计算出相应的应变数值，从而实现测量。
本发明的优点和特点：
1.本发明是解决白光光纤干涉仪多路复用问题的一种方法，实现了光纤传感器布设的阵列化，使多个传感器在互不干扰的情况下实现了绝对测量，降低了单点测量成本，保证了实时测量。同时只需通过全反射角锥棱镜的空间连续扫描，就可以实现对多个传感器的问询与测量。由于参考臂的阵列化和衰减器的合理利用，使得全反射角锥棱镜的空间扫描范围明显减小，同时系统复用数量可以明显增加，而且技术简单易行。
2.本发明所采用的光纤材料和器件均为标准光纤通信元件，成本低，易获得，便于推广。
(四)附图说明
附图是本发明的结构示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合附图，光纤Mach-Zehnder与Michelson干涉仪阵列的组合测量仪的第一种实施方式的组成包括宽谱光源1、光电探测器2、3dB光纤2×2耦合器3、光纤Mach-Zehnder干涉仪、转置的3dB光纤2×2耦合器7、光纤Michelson干涉仪阵列8和8′、单模连接光纤9；其中光纤Mach-Zehnder干涉仪由衰减器4、自聚焦透镜5、全反射角锥棱镜6、连接光纤9连接组成；宽谱光源1发出的光谱通过适配器注入光纤后，进入3dB光纤2×2耦合器3，出3dB光纤2×2耦合器3的两束光，分别进入光纤Mach-Zehnder干涉仪的两个臂，从这两个臂出来的光再经转置放置的3dB光纤2×2耦合器7定向耦合入光纤Michelson干涉仪阵列8和8′，阵列8为参考臂，阵列8′为传感臂，从参考阵列8的反射端面返回的一束光再经过转置放置的3dB光纤2×2耦合器7、衰减器4、耦合进光电探测器2，成为参考信号光；从传感阵列8′的反射端面返回的另一束光经过转置放置的3dB光纤2×2耦合器7、自聚焦透镜5、全反射角锥棱镜6、到达光电探测器2，成为被调制的测量信号光。所述的Michelson干涉仪阵列由一系列具有一定反射率的光纤反射端面8和8′构成，这些光纤反射端面8和8′分别构成光纤Michelson干涉仪的作为参考阵列和传感阵列两个臂，同一阵列上的光纤传感器之间由光纤连接器紧密连接，每个光纤段依次编码，参考阵列上的各个光纤段长度相等，传感阵列上各个光纤段的长度依次增加或减小。在这种长度参数的设置下，通过适当调节衰减器及全反射角锥棱镜的空间连续扫描可以方便地确定每个传感器的初始位置，且每个传感器的初始位置之间等间距，间距值为相邻光纤段长度差的一半，之后传感阵列上任意光纤段的长度变化只需通过全反射角锥棱镜的空间连续扫描，就可以实现问询与绝对分立测量。
本发明的第二种实施方式包括了第一种实施方式的基本组成，其区别在于：Michelson干涉仪阵列由一系列具有一定反射率的光纤反射端面8和8′构成，这些光纤反射端面8和8′分别构成光纤Michelson干涉仪的作为参考阵列和传感阵列的两个臂，同一阵列上的光纤传感器之间由光纤连接器紧密连接，每个光纤段依次编码，而且各个光纤段的长度依次增加或减小，位于不同阵列上相对应的一对光纤段长度相等。这种实施方式与第一种相比，由于参考阵列和传感阵列中光纤段的剪切形式不同，在标定时，第一个传感器的起点不同以及衰减器的参数不同。
Claims (3)
1、一种光纤Mach-Zehnder与Michelson干涉仪阵列的组合测量仪，它包括宽谱光源(1)、光电探测器(2)、3dB光纤2×2耦合器(3)、光纤Mach-Zehnder干涉仪、转置放置的3dB光纤2×2耦合器(7)、第一光纤Michelson干涉仪阵列(8)、第二光纤Michelson干涉仪阵列(8′)；其特征是：其中光纤Mach-Zehnder干涉仪由衰减器(4)、自聚焦透镜(5)、全反射角锥棱镜(6)、单模连接光纤(9)连接组成；宽谱光源(1)发出的光谱通过适配器注入光纤后，进入3dB光纤2×2耦合器(3)，出3dB光纤2×2耦合器(3)的两束光，分别进入光纤Mach-Zehnder干涉仪的两个阵列，从这两个阵列出来的光再经转置放置的3dB光纤2×2耦合器(7)定向耦合入第一光纤Michelson干涉仪阵列(8)和第二光纤Michelson干涉仪阵列(8′)，第一光纤Michelson干涉仪阵列(8)为参考阵列，第二光纤Michelson干涉仪阵列(8′)为传感阵列，从第一光纤Michelson干涉仪阵列(8)的反射端面返回的一束光再经过转置放置的3dB光纤2×2耦合器(7)、衰减器(4)、耦合进光电探测器(2)，成为参考信号光；从第二光纤Michelson干涉仪阵列(8′)的反射端面返回的另一束光经过转置放置的3dB光纤2×2耦合器(7)、自聚焦透镜(5)、全反射角锥棱镜(6)、到达光电探测器(2)，成为被调制的测量信号光。
2、根据权利要求1所述的光纤Mach-Zehnder与Michelson干涉仪阵列的组合测量仪，其特征是：所述的Michelson干涉仪阵列由一系列具有一定反射率的光纤反射端面构成，这些光纤反射端面分别构成光纤Michelson干涉仪的作为参考阵列和传感阵列两个阵列，同一阵列上的光纤传感器之间由光纤连接器紧密连接，每个光纤段依次编码，参考阵列上的各个光纤段长度相等，传感阵列上各个光纤段的长度依次增加或减小。
3、根据权利要求1所述的光纤Mach-Zehnder与Michelson干涉仪阵列的组合测量仪，其特征是：所述的Michelson干涉仪阵列由一系列具有一定反射率的光纤反射端面构成，这些光纤反射端面分别构成光纤Michelson干涉仪的作为参考阵列和传感阵列的两个阵列，同一阵列上的光纤传感器之间由光纤连接器紧密连接，每个光纤段依次编码，而且各个光纤段的长度依次增加或减小，位于不同阵列上相对应的一对光纤段长度相等。
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Application publication date: 20081224 Assignee: Beijing Topsun Research Technology Development Co. Ltd. Assignor: Harbin Engineering Univ. Contract record no.: 2017230000002 Denomination of invention: Combination measuring instrument of optical fiber Mach-Zehnder and Michelson interferometer array Granted publication date: 20100210 License type: Common License Record date: 20170109 |
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