CN101324444A - 一种简化式多路复用白光干涉光纤传感解调装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种简化式多路复用白光干涉光纤传感解调装置。其组成包括单纤双向光收发模块、光纤谐振腔、单模传输光纤、由光纤传感阵列；单纤双向光收发模块是由一个作为发射的半导体光源和一个作为接收的半导体光电探测器以及相关器件封装在一起组成；光纤环形腔由光纤耦合器、光纤自聚焦透镜、以及可移动的角锥反射器组合而成。本发明通过在单模光纤中嵌入单纤双向光收发模块和光纤谐振腔实现对多个光纤传感器的问询和测量，结构简单，容易实现；传输光缆没有长度限制，也不受外界环境的影响，稳定性和可靠性好；可用于对分布式形变、应变、温度等物理量的测量，亦可用于多任务传感、多元传感、局部应变传感以及大尺度形变传感等。

Description

一种简化式多路复用白光干涉光纤传感解调装置

(一)技术领域

本发明涉及的是一种测量装置，具体地说是一种简化式多路复用白光光纤干涉仪的传感解调的光纤阵列传感器。

(二)背景技术

采用低相干、宽谱带的光源的光纤干涉仪通常被称为白光光纤干涉仪。典型的光纤白光干涉仪如图1所示，其结构组成为利用光纤搭建Micheslon式干涉仪，并采用宽谱光源LED或者ASE对干涉仪进行驱动，为其提供光能，通过探测器探测白光干涉条纹实现对待测物理量的测量。其工作原理如下，由宽谱光源11发出的宽谱光进入单模光纤后，被3dB单模光纤2×2耦合器13分成两束，一束光进入被作为测量臂的单模光纤14，被其后端的光学反射面15反射后沿原路返回，经过单模光纤14、耦合器13到达光电探测器12，这束光称为测量信号光；由光源11发出光被耦合器13分路的另外一束光，进入作为参考臂的单模连接光纤16、自聚焦透镜17，经过移动反射镜18的反射后同样沿原路返回到达光电探测器12，这束光被称为参考信号光。测量信号光和参考信号光在探测器表面发生相干叠加，由于宽谱光源的相干长度很短，大约为几个微米到几十个微米，只有当参考信号光和测量信号光程差小于光源的相干长度时，才会产生相干叠加，输出白光干涉图样(参见附图2)。

如图2所示，白光干涉条纹的特征是有一个主极大值，称为中心条纹，它与零光程差为之相对应，即对应于参考光束和测量光束光程相等时，称为参考光束与测量光束具有光程匹配关系。通过改变光纤延迟线的延迟量，使参考信号的光程发生变化，可以获得中心干涉条纹。中心条纹的位置为测量提供了一个可靠的绝对位置参考，当测量光束由于外界待测物理量的影响光程发生变化时，只需通过参考臂光程扫描得到的白光干涉条纹的位置变化，即可获得被测量物理量的绝对值。与其他光纤干涉仪相比，除了具有高灵敏度、本质安全、抗电磁场干扰等优点外，最大特点是可对压力、应变、温度等待测量进行绝对测量。因此白光干涉性光纤干涉仪被广泛用于物理量、机械量、环境量、化学量、生物医学量的测量。

为了解决光纤干涉仪的多路复用问题，人们开展了多方面的研究，已经发展的多路复用技术有：时分复用技术(TDM)、频分复用技术(FDM或FMCW)、波分复用技术(WDM)和空复用技术(SDM)。

Jackson等人[Santos，J.L.，Jackson，D.A.，Coherence sensing of time-addressedoptical-fiber sensors illuminated by a multimode laser diode Appl.Opti，30，5068-5076，1991]发展的时分复用技术(TDM)，是利用在同一光纤总线上的传感单元的光程差，即光纤对光波的延迟效应来寻址的复用技术。技术方案为：多模激光二极管发出的小于光纤总线上相邻传感器间传输时间的光脉冲，并注入光纤总线的输入端时，由于在总线上各传感单元距光脉冲发射端的距离不同，在光纤总线的终端将会接受到一系列的脉冲，其中每一个光脉冲所包含的信息对应光纤总线上的一个传感单元，光脉冲的时延大小反映该传感单元的地址分布。如果能够在光脉冲宽度的时间内完成对白光传感单元的连续光程扫描，即可对得到传感器的传感信息。这种方法结构复杂，复用数量有限，测量范围小，测量精度低。

Wayne V.Sorin，Mountain View等[Multiplexed sensing using optical coherencereflectrometry，United States Patent，Patent Number 5,557,400，1996]，采用白光光纤多路复用干涉技术测量张力、应变、位移等参量，但是其方法所用的白光光源和光电检测装置相互独立，且其光电检测装置所用器件较多构造复杂。其它类似技术还有W.Don Morison，等[Fiber optic sensor usable over wide range of gage lengths，United States Patent，Patent Number6870975，2005]；Ralph Posey，等[Integratedfiber optic strain sensing using low-coherence wavelength-encoded addressing，United States Patent，Patent Number6289740，2001]也采用白光光纤多路复用干涉技术测量应变、位移等参量，该方法主要采用了调解光源波长的方法实现测量。国内文献如，中国专利公报公开的基于光放大的光纤Fizeau应变传感器频分复用系统及方法(公开号CN1553273A)等。上述光纤干涉仪的多路复用方法，主要基于时分复用技术，已有大量的技术专利和技术论文公开发表。

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(中国专利公开号：CA1963399A)，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(中国专利公开号：101074867A)，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。在上述应用中，特别是白光干涉仪连接有光纤传感器阵列时，本地的解调干涉仪与远端的传感干涉仪的光程通过光程匹配来实现光纤传感器阵列的问讯与解调。这样传感干涉仪阵列可以是完全无源的，其好处是阵列中输出的多个干涉信号对本地解调干涉仪和传感器阵列之间的连接光纤长度的变化不灵敏，增强了测量的稳定性和可靠性。

但在上述基于空分复用的干涉仪结构中，本地的解调干涉仪大多采用Michelson干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪等分立式干涉仪结构。它们通常具有两个相互独立的光传输通道，用于实现光程调谐与匹配。但由于它不存在共光路结构，极易受到环境因素(诸如温度和振动)的影响，导致两光路的光程产生不一致的变化，使传感器信号的解调产生影响，降低了干涉仪的信号解调灵敏度，使测量的精度下降，长期的稳定性和可靠性无法保证；同时干涉仪的结构也较为复杂，不利用于干涉仪的实用化。

(三)发明内容

本发明的目的在于解决此类光纤干涉仪的结构复杂，连接用光纤光缆与测量相关，测量可靠性差，稳定性低等问题，提供一种结构简单、复用数量高、测量范围大、测量精度高的一种简化式多路复用白光干涉光纤传感解调装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的简化式多路复用白光干涉光纤传感解调装置的组成包括单纤双向光收发模块1、光纤谐振腔2、单模传输光纤3、光纤传感阵列4；所述的单纤双向光收发模块1主要是由一个作为发射的半导体光源102、一个作为接收的半导体光电探测器103封装在一起组成，半导体光电探测器103通过与半导体光源102复用的三根电气引脚109，同时实现光源信号的输出与光干涉信号的检测；单纤双向光收发模块1发出的宽谱光进入单模光纤后，经光纤环形腔2分成两束，其中一束光，经过光纤环形腔2中光纤耦合器201后，直接进入被作为传感器5的由单模光纤503和光学反射面504串连组成的传感器阵列4，作为测量光束；另外一束光，经过光纤环形腔2的两个自聚焦率透镜202和扫描全反射棱镜203重新进入单模光纤耦合器201又被分为两路光束，一路光束在光纤谐振腔内继续绕环路传输，另一路光束进入光纤传感器阵列4传输并由光学部分反射器504反射后回到单纤双向光收发模块；单纤双向光收发模块1根据返回的测量光束与传感光束的干涉相关信号实现多路复用白光干涉光纤传感解调。。

所述的单纤双向光收发模块1的组成包括模块封装壳体101、半导体光源102、半导体光电探测器103、热沉104、光纤105、粘接环氧树脂106、光源出射光束107、探测器接收光束108和模块电气引脚109构成。半导体光源102固化在半导体光电探测器103之上，二者由三根电气引脚109引出，其中一根电气引脚由半导体光源102和半导体光电探测器103复用。半导体光电探测器103之下连接热沉104，半导体光源102之上用粘接环氧树脂106连接光纤105，上述所有器件均封装在壳体101之中作为单纤双向光收发模块1。

所述的单纤双向光收发模块1发出的宽谱光进入单模光纤后，经光纤环形腔2分成两束，其中一束光，经过光纤环形腔2中光纤耦合器201后，直接进入被作为传感器5的由N段单模光纤503和N个光学部分反射面504组成的传感器阵列4，作为测量光束；另外一束光，经过光纤环形腔2的两个自聚焦率透镜202和扫描全反射棱镜203重新进入单模光纤耦合器201又被分为两路光束，一路光束在光纤谐振腔内继续绕环路传输，另一路光束进入光纤传感器阵列4传输并由光学部分反射器504反射后回到单纤双向光收发模块1。

所述的光纤环形腔2由一个2×2单模光纤耦合器201、两个单模自聚焦透镜202和一个扫描全反射棱镜203组成；光纤耦合器201的分光比可以在1％～99％范围内选择。

所述的光纤传感阵列4由若干个首尾依次串接的光纤传感器5组成。

所述的光纤传感器5由一段长度任意两端带有光纤插芯501的单模光纤503组成。

所述的光纤传感阵列4的连接方法是光纤传感器5通过光纤套管502与其他带有光纤插芯501的光纤传感器5或者连接光纤3连接。

所述的光纤器件都工作在单模状态。

本发明方法的基本原理是白光光纤Michelson干涉仪原理。

单纤双向光收发模块1发出的宽谱光进入单模光纤后，经光纤环形腔2中的单模光纤2×2耦合器201分成两束，如图4所示。其中一束作为测量光束，经过光纤耦合器201后，直接进入被作为传感器5的由N段单模光纤503和N个光学反射面504组成的传感器阵列4；另外一束光，经过光纤环形腔2的两个自聚焦率透镜202和扫描全反射棱镜203重新进入单模光纤耦合器201又被分为两路光束，一路光束在光纤谐振腔内继续绕环路传输，另一路光束作为参考光束进入光纤传感器阵列4传输并由光学部分反射器504反射后回到单纤双向光收发模块1。

光纤谐振腔的初始长度可以设定为L₀，在N个部分反射器中间的光纤传感器的长度为L_j(j＝1，2，3，......N)，此长度与L₀接近但稍微长一点，且每一段光纤传感器的长度均有微小的变化。此时，可调的光纤谐振腔内的光程长度为nL₀+2X，其中X为扫描棱镜与双梯度折射率透镜之间的光程，其值可以通过控制扫描棱镜调节。当第j个光纤传感器受到光源信号问讯时，由经过光纤谐振腔与第j个光纤传感器左侧部分反射器得到的参考信号为以下三种形式：

$(\mathrm{nL}+n{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{j-1}{l}_i)+(n{L}_0+2X_j)+(\mathrm{nL}+n{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{j-1}{l}_i)+({\mathrm{nL}}_0+{2X}_j)---\left(1\right)$

$(\mathrm{nL}+n{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{j-1}{l}_i)+(\mathrm{nL}+n{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{j-1}{l}_i)+2({\mathrm{nL}}_0+2X_j)---\left(2\right)$

$(\mathrm{nL}+n{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{j-1}{l}_i)+2({\mathrm{nL}}_0+2X_j)+(\mathrm{nL}+n{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{j-1}{l}_i)---\left(3\right)$

式中：n为光纤纤芯的折射率，L为连接光缆的长度。

经过光纤谐振腔与第j个光纤传感器右侧部分反射器得到的测量信号为以下形式：

$(\mathrm{nL}+n{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{j-1}{l}_i)+{\mathrm{nl}}_j+{\mathrm{nl}}_j+(\mathrm{nL}+n{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{j-1}{l}_i)---\left(4\right)$

比较参考信号与测量信号可以得到：

nL₀+2X_j＝nl_j，j＝1，2，3......(5)

还存在着第二种参考信号类型，即在L₀≈2l_sensor情况下：

$(\mathrm{nL}+n{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{j-1}{l}_i)+({\mathrm{nL}}_0+{2X}_j)+(\mathrm{nL}+n{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{j-1}{l}_i)---\left(6\right)$

$(\mathrm{nL}+n{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{j-1}{l}_i)+(\mathrm{nL}+n{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{j-1}{l}_i)+({\mathrm{nL}}_0+2X_j)---\left(7\right)$

测量信号不变化：

$(\mathrm{nL}+n{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{j-1}{l}_i)+{\mathrm{nl}}_j+{\mathrm{nl}}_j+(\mathrm{nL}+n{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{j-1}{l}_i)---\left(8\right)$

在这种情况下比较参考信号与测量信号可以得到：

nL₀+2X_j＝2nl_j，j＝1，2，3......(9)

由公式(5)和公式(9)可以看出，当测量信号光和参考信号光光程匹配时，将在单纤双向光收发模块1发生相干叠加，由于宽谱光源的相干长度很短，大约为几个微米到几十个微米，只有当参考信号光和测量信号光程差小于光源的相干长度时，才会产生相干叠加，输出白光干涉图样。

同时也可以从公式(5)和公式(9)看出，对于第j个光纤传感器的光程匹配关系，与连接光缆的长度L和其他光纤传感器的长度l均无关系，即连接光缆的长度不受限制，同时环境对连接光缆的影响被消除。另外，传感器相互之间由于光程关系相互独立，也不产生串扰。

当光纤传感器l_j受到应力、应变等外界因素作用发生形变时，调节光纤谐振腔中的可调参量X_j，使光程匹配使得：

${\mathrm{\ΔX}}_j=\mathrm{\Δ}\frac{{\mathrm{nl}}_j}{2},j=\mathrm{1,2,3}......---\left(10\right)$

或者ΔX_j＝Δ(nl_j)，j＝1，2，3......(11)

假设光纤传感器l₁变化到l₁+Δl₁，l₂变化到l₂+Δl₂，......l_N变化到l_N+Δl_N，则可以得到整个传感器的应变系数

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{{\mathrm{\Δl}}_1}{l_1},{\mathrm{\ϵ}}_2=\frac{{\mathrm{\Δl}}_2}{l_2},\·\·\·\·\·\·{\mathrm{\ϵ}}_N=\frac{{\mathrm{\Δl}}_N}{l_N}---\left(12\right)$

由于采用宽谱光源的光纤干涉仪的干涉现象只发生在相干长度内，对应于光程匹配条件附近的几个微米到几十个微米之间，因此可以将多个光纤干涉仪进行串联，并使不同光纤传感器所对应的干涉信号相互分立，单独区分，即可实现光纤干涉仪调制解调的多路复用。测量光束经过不同光学分路不同反射面所经历的光程，可以和参考光束的光程发生一一对应的匹配关系，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，基于上述思想可以实现多路复用白光光纤干涉仪的调制解调。

本发明的优点和特点是：

(1)本发明基于光纤干涉仪调制解调的多路复用技术，通过嵌入一个单纤双向光收发模块和一个光纤谐振腔，在一根光纤中即可实现对多个光纤干涉传感器的问询和测量，极大地简化了测量系统的光路结构，容易实现。

(2)本发明采用了双向共光路结构，使连接单纤双向光收发模块、光纤谐振腔，光纤传感阵列、以及阵列中光纤传感器之间的连接光缆的长度不受限制，同时也消除了环境对连接光缆的影响，提高了对系统抗干扰能力，增强了测量的可靠性和稳定性。

(3)本发明构造的简化式多路复用白光光纤干涉仪，通过选择功率合适的宽谱光源和适当的光纤部分反射器，可以使复用的传感器的个数达到近百个，实现光纤传感器布设的阵列化，极大地简化了系统复杂程度，降低了测试费用，保证了测试系统的实时性，提高了测量的可靠性。

(4)本发明采用的光纤材料和器件均为标准光纤通信元件，成本价格低廉，容易获得，有利于推广。

本发明提出了一种简化式多路复用白光光纤干涉仪的调制解调构建方法，并由此构造光纤干涉仪传感器阵列。本发明的核心内容是利用集成化的思想，基于白光干涉技术，通过嵌入双向光收发组件和光纤环形腔，实现在单根光纤中构造光纤白光干涉仪，以及光纤传感器多路复用与解调。具体而言，采用了光源背向检测的封装方法将白光光源与白光干涉信号检测电路封装在一个单纤双向光收发模块器件之中，实现了白光光源与白光干涉信号检测的多路复用；利用光纤环形腔的光程调谐功能，同时输出多个光程不同的参考光信号，完成对多个光纤传感器的解调。

(四)附图说明

图1是典型的白光光纤Michelson干涉仪结构示意图。

图2是典型的白光干涉信号示意图。

图3是本发明的结构示意图。

图4是光纤环形腔结构示意图。

图5是光纤传感器结构及其连接方法示意图。

图6是单纤双向光收发模块的结构示意图。

(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：

实施例一：如图3所示。简化式多路复用白光光纤干涉仪，由单纤双向光收发模块1、光纤谐振腔2、连接用光纤光缆3、光纤阵列传感器4组成。

单纤双向光收发模块1发出的宽谱光进入单模光纤后，经光纤环形腔2中的单模光纤2×2耦合器201分成两束，如图4所示。其中一束作为测量光束，经过光纤耦合器201后，直接进入被作为传感器5的由N段单模光纤503和N个光学反射面504组成的传感器阵列4；另外一束光，经过光纤环形腔2的两个自聚焦率透镜202和扫描全反射棱镜203重新进入单模光纤耦合器201又被分为两路光束，一路光束在光纤谐振腔内继续绕环路传输，另一路光束作为参考光束进入光纤传感器阵列4传输并由光学部分反射器504反射后回到单纤双向光收发模块1。当扫描全反射棱镜203进行光程扫描时，使传感器前后端面504反射的光信号实现光程匹配，即产生产生的白光干涉峰值时扫描全反射棱镜203的位置与传感阵列或者网路中特定长度的传感器的相对应。当某一个传感器由于温度、应力等参量的作用，产生应变或者位移时，其对应的出现白光干涉峰值的光程扫描位置也随之变化，记录变化前后的位置值，根据转换关系，即可进行参量的传感测量。

单纤双向光收发模块1是一种高性能的光电器件，半导体光源102、半导体光电探测器103的功能集成在一个标准封装中。如图6所示，单纤双向光收发模块的功能集成在一个标准1×3管脚封装中，半导体光电探测器103工作方式为背光检测，即通过与半导体光源102复用的三根电气引脚109，同时实现光源信号的输出与光干涉信号的检测。半导体光源102将驱动电流转化为信号光，作为光能量源供给干涉仪；半导体光电探测器103可以将光信号转换成电流，经过放大、滤波，提取出白光干涉信号。该器件利用一根光纤实现双向地光发射与光探测功能，可以提高光纤的利用效率。

如图4所示，光纤谐振腔2中的两个自聚焦透镜202，其插入损失范围为0.5dB，自聚焦透镜与扫描全反射镜之间的跨度3mm-70mm(对应参考光程范围6mm-140mm)，他们之间的损耗为4～8dB，谐振腔的光程长度选择在1990mm，近似等于两倍的光纤传感器长度。

光纤传感阵列4由6个光纤传感器5首尾依次串接组成。每个光纤传感器5由长度大致在1000mm的单模光纤503构成，并且两端带有单模光纤插芯501。光纤传感阵列4的连接方法采用光纤套管502，将光纤传感器5与其他带有光纤插芯501的光纤传感器5或者连接光纤3串接，则两个利用光纤套管连接的光纤插芯之间形成一个光学反射率1％～3％的光学反射面504，如图5所示。光纤耦合器201选择为3dB光纤2×2耦合器。其多路复用白光光纤干涉仪的调制解调原理可参考发明内容。该装置可用于张力、位移、温度的测量。

Claims (7)

1、一种简化式多路复用白光干涉光纤传感解调装置，其组成包括单纤双向光收发模块(1)、光纤谐振腔(2)、单模传输光纤(3)、光纤传感阵列(4)；其特征是：所述的单纤双向光收发模块(1)主要是由一个作为发射的半导体光源(102)、一个作为接收的半导体光电探测器(103)封装在一起组成，半导体光电探测器(103)通过与半导体光源(102)复用的三根电气引脚(109)，同时实现光源信号的输出与光干涉信号的检测；单纤双向光收发模块(1)发出的宽谱光进入单模光纤后，经光纤环形腔(2)分成两束，其中一束光，经过光纤环形腔(2)中光纤耦合器(201)后，直接进入被作为传感器(5)的由单模光纤(503)和光学反射面(504)串连组成的传感器阵列(4)，作为测量光束；另外一束光，经过光纤环形腔(2)的两个自聚焦率透镜(202)和扫描全反射棱镜(203)重新进入单模光纤耦合器(201)又被分为两路光束，一路光束在光纤谐振腔内继续绕环路传输，另一路光束进入光纤传感器阵列(4)传输并由光学部分反射器(504)反射后回到单纤双向光收发模块；单纤双向光收发模块(1)根据返回的测量光束与传感光束的干涉相关信号实现多路复用白光干涉光纤传感解调。

2、根据权利要求1所述的简化式多路复用白光干涉光纤传感解调装置，其特征是：所述的单纤双向光收发模块(1)的组成包括模块封装壳体(101)、半导体光源(102)、半导体光电探测器(103)、热沉(104)、光纤(105)、粘接环氧树脂(106)、光源出射光束(107)、探测器接收光束(108)和模块电气引脚(109)；半导体光源(102)固化在半导体光电探测器(103)之上，二者由三根电气引脚(109)引出，其中一根电气引脚由半导体光源(102)和半导体光电探测器(103)复用；半导体光电探测器(103)之下连接热沉(104)，半导体光源(102)之上用粘接环氧树脂(106)连接光纤(105)，上述所有器件均封装在壳体(101)之中。

3、根据权利要求2所述的简化式多路复用白光干涉光纤传感解调装置，其特征是：所述的光纤环形腔(2)由一个2×2单模光纤耦合器(201)、一个扫描全反射棱镜(203)和连接在2×2单模光纤耦合器(201)与扫描全反射棱镜(203)之间的两个单模自聚焦透镜(202)组成；光纤耦合器(201)的分光比在1％～99％范围内选择。

4、根据权利要求3所述的简化式多路复用白光干涉光纤传感解调装置，其特征是：所述的光纤传感阵列(4)由若干个首尾依次串接的光纤传感器(5)组成；

5、根据权利要求4所述的简化式多路复用白光干涉光纤传感解调装置，其特征是：所述的光纤传感器(5)由一段长度任意两端带有光纤插芯(501)的单模光纤(503)组成；

6、根据权利要求5所述的简化式多路复用白光干涉光纤传感解调装置，其特征是：所述的光纤传感阵列(4)的连接结构为：光纤传感器(5)通过光纤套管(502)与其他带有光纤插芯(501)的光纤传感器(5)或者连接光纤(3)连接。

7、根据权利要求1-6任何一项所述的简化式多路复用白光干涉光纤传感解调装置，其特征是：所述光纤器件都工作在单模状态。

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