CN102162742B - 基于非平衡Michelson干涉式准分布光纤白光应变传感解调装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于非平衡Michelson干涉式准分布光纤白光应变传感解调装置。由光电器件、非平衡Michelson干涉仪、单模连接光纤、串行光纤传感器阵列组成；光电器件由宽谱光源、三端口环行器与光电探测器组成；非平衡Michelson干涉仪由镀膜光纤反射端、扫描反射镜、自聚焦透镜、3dB光纤2×2耦合器构成；串行光纤传感器阵列由光纤传感器串行连接构成。本发明具有结构简单、使用方便、造价低廉、可作分布式测量的扩展、动态测量范围宽、测量精度高、具有较强的抗干扰性等优点。可对分布式形变、应变、温度、压力等物理量进行传感探测。可用于大尺寸的智能结构监测，多任务传感、多元传感、局部应变传感以及大尺度形变传感。

Description

基于非平衡Michelson干涉式准分布光纤白光应变传感解调装置

技术领域

本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种基于非平衡Michelson干涉仪实现对多个传感器信号问讯的分布式光纤白光干涉应变传感解调装置。

背景技术

采用低相干、宽谱带光源，例如发光二极管(LED)、超自发辐射光源(ASE)或者超辐射激光二极管(SLD)驱动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其结构如图1所示，由单模光纤所搭建的Michelson式干涉仪中采用宽谱光源LED或者ASE作为光源，通过探测器所探测到的白光干涉条纹实现对待测物理量的测量。其工作原理如下，由低相干宽谱光源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，大约为几微米到几十微米，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的光程相匹配。当测量臂光程变化时，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，当测量光束在外界待测物理量的影响下其光程发生变化时，只需通过参考臂光程调整即可得到的白光干涉条纹的位置变化，从而获得被测量物理量的绝对变化值。与其他光纤干涉仪相比，光纤白光干涉除了具有高灵敏度、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)和空分复用技术(SDM)。

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及其实现方法，解决相关的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-Zehder干涉仪等分立式干涉仪结构。由于空间光程扫描范围有限，因此要求光纤Michelson干涉仪的两臂(传感臂含有传感器)初始长度大致相同，即使采用Fabry-Perot谐振腔或者光纤环形腔也大体如此。否则，为了匹配干涉仪两臂过大的光程差，扫描信号光将在谐振腔内反射次数过多，损耗过大，会导致信号衰减过大，幅度太小，而无法解调，给实际应用带来一定麻烦。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、使用方便、造价低廉、可作分布式测量的扩展、动态测量范围宽、测量精度高、具有较强的抗干扰性的基于非平衡Michelson干涉式准分布光纤白光应变传感解调装置。

本发明的目的是这样实现的：

由具有光发射与光探测功能的光电器件1、非平衡Michelson干涉仪2、单模连接光纤(3)、串行光纤传感器阵列4组成；所述光电器件1由宽谱光源111、三端口环行器121与光电探测器131组成；非平衡Michelson干涉仪2由镀膜光纤反射端211、扫描反射镜221、自聚焦透镜231、3dB光纤2×2耦合器241构成；串行光纤传感器阵列4由光纤传感器411串行连接构成；非平衡Michel son干涉仪作为解调问讯干涉仪对光纤传感器所引入的光程差进行补偿，当干涉仪二臂的光程差和光纤传感其前后两个反射端面形成的反射光信号之间的光程差匹配时，产生白光干涉条纹，而与光纤连线的长度无关。为保证每个相邻反射光对应的干涉条纹在扫描空间不重合，每一段传感光纤的长度略有不同。

用于连接低相干宽谱光源、非平衡Michelson干涉仪和光信号探测器的三端口光纤环行器的连接方式是第一端口1连接低相干宽谱光源，第一端口1的输入功率从第二端口2输出至非平衡Michelson干涉仪，从传感器阵列返回的信号光经过干涉仪后又返回到第二端口2并被送到第三端口3输出至光信号探测器。

非平衡Michelson干涉仪2所产生的光程差动态扫描范围可调，传感器感知的物理量的变化所导致的光程变化由补偿光程差的变化进行动态跟踪并被记录。

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411组成，而光纤传感器411由一段长度任意两端带有光纤插芯的单模光纤组成一系列长度不等的单模光纤段构成首尾相接的串行阵列。

所述光纤器件都工作在单模状态。

本发明公开了一种基于非平衡Michelson干涉仪实现对多个传感器信号问讯的方法，基于此方法构造出一种结构简单的分布式阵列光纤白光干涉传感系统。这种光纤白光干涉仪具有结构简单、使用方便、造价低廉、可作分布式测量的扩展、动态测量范围宽、测量精度高、具有较强的抗干扰性等优点。可对分布式形变、应变、温度、压力等物理量进行传感探测。本发明可用于大尺寸的智能结构监测，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。

本发明通过将宽带光源、三端口环形器和光电探测器构成发射与接收的光电器件，避免了回波对光源的影响。通过使Michelson干涉仪两臂的长度不平衡产生一个光程差，使传感器前后两端面反射回的测量光波的光程差与干涉仪所引入的光程差发生匹配，获得白光干涉条纹，实现对多个传感器信号的问讯。

这种基于非平衡Michelson干涉仪实现问讯的分布式光纤白光干涉传感器阵列，由宽谱光源、三端口环行器、光电探测器非平衡Michelson干涉仪、单模连接光纤、串行光纤传感器阵列组成。

所述的宽谱光源与光电探测器通过三端口环行器构成发射和接收的光电器件。端口1连接低相干光源，端口1的输入功率从端口2输出至非平衡Michelson干涉仪，端口2的输出的具有一定光程差的问讯光信号被注入到光纤传感器阵列中，被光纤传感器返回的光信号从端口3输出至光信号探测器。

所述的非平衡Michelson干涉仪，由镀膜光纤反射端、扫描反射镜、自聚焦透镜、3dB光纤2×2耦合器共同构成问讯光程差发生器。从端口2输出的光经过2×2耦合器分成两束，其中一束光经过光纤传至光纤固定反射端211，再反射回来，经过2×2耦合器传输至传感器阵列4；另一束光，经过自聚焦透镜231和扫描全反射镜221回到2×2耦合器，传输至传感器阵列4。

所述的非平衡Michelson干涉仪器件，其两臂的光程差可以通过移动扫描反射镜实施调整，从而与每个具有一定长度差别的光纤传感器两反射端面形成的光程差进行主动问讯匹配，任一个光纤传感器长度的变化均可通过干涉仪问讯匹配光程差调整进行动态跟踪，从而实现对传感器变化的动态测量。

所述的光纤传感器组成的阵列，是由一系列长度不等的单模光纤段构成首尾相接的串行阵列。

所述的组成基于非平衡Michelson干涉仪实现问讯的分布式光纤白光干涉传感器阵列，由宽谱光源、三端口环行器、光电探测器、非平衡Michelson干涉仪、单模连接光纤、串行光纤传感器阵列，都工作在单模状态。

本发明方法的基本原理是基于低相干、宽谱光(白光)的干涉原理和空分复用原理。最简单的非平衡Michelson干涉式准分布光纤白光应变传感器阵列的结构如图3所示，即传感器阵列中只连接一个传感器的情况。白光光源111的出射光束通过一三端口环行器121直接达到非平衡Michel son干涉仪2，被干涉仪反射后，信号光输出；信号光又分别被传感器411(如图4所示)的前后两个端面反射后沿原路返回，再次经过非平衡Michelson干涉仪2后，到达光电探测器131。在上述一系列的具有不同光程的光信号中，我们将光信号从光源传输到传感器，以及传感器再反射回探测器的这个过程中，来回都仅经过一次非平衡Michelson干涉仪2，对光纤传感器的光程匹配，就是指由干涉仪构成的光纤传感器的两个端面中引入的静态光程差(无应变加载时)，被非平衡的Michelson两臂之间引入的光程差所补偿，而Michelson干涉仪两臂之间的光程差的变化，由两臂中的自聚焦透镜之间的位移的小范围扫描得到。测量光信号和参考光信号在探测器131表面发生相干叠加，由于宽谱低相干光源的相干长度很短，大约为几个微米到几十个微米，只有当参考信号和测量信号的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。

$I=I_1+I_2+2\sqrt{I_1\·I_2}\·\left|\mathrm{\γ}\left(x\right)\right|\·\cos (k\·x+\mathrm{\φ})---\left(1\right)$

式中：I₁、I₂为参考光束和测量光束的信号强度，k为波数，x为两干涉信号光程差，φ为初始相位，γ(x)为光源自相关函数。

按照前述参考信号与测量信号经历光程路径的定义，所谓参考光与测量光的匹配光程，具体到图3的光纤测量系统而言，即为测量信号在传感器4左右端面反射所累积的光程与参考信号在非平衡的Michelson两臂之间引入的光程差相等。

2nL₂-2(nL₁+X)＝nl                (2)

其中，L为共光程光纤部分的长度，l为左右反射面之间的光纤传感器的长度，n为光纤纤芯的折射率，L₁为Michel son干涉仪的短臂的臂长，L₂为Michelson干涉仪的长臂的臂长，X代表光纤延迟线的调整距离。

基于白光干涉原理的光纤干涉仪的干涉条纹只发生在光程匹配附近的几个微米到几十个微米之间。利用这个特点，无需利用复杂的时分或者频分复用技术，即可实现传感器的复用，如图7所示。将光纤传感器411首尾相接组成串行阵列4，如图5所示。每个传感器411的端面都具有一定的反射率。如果每个传感器的长度大于光源的相干长度，则测量光与参考光之间产生的干涉条纹在各自相干长度内，只存在单一的白光干涉信号，即干涉条纹互不干扰，相互独立；通过对非平衡的Michelson两臂进行调节可实现空间光程扫描，如果每个传感器的长度不同时，就能对多个传感器加以区分，从而实现对多个外界物理量的查询与问讯，能够十分方便的实现分布式传感测量。

由上述可见，基于非平衡的Michelson干涉仪实现问讯的分布式光纤白光干涉传感器阵列的基本构造思想是由传感器引入的光程差被非平衡的Michelson干涉仪两臂引入光程差所补偿时，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，从而实现分布式传感测量。

当传感器l_j受到应变等外界因素作用发生形变时，调节可变参量X_j，使光程匹配，即：

$\mathrm{\Δ}{X}_j=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{nl}}_j}{2}$ j＝1，2，3，...           (3)

假设光纤传感器长度由l₁变化到l₁+Δl₁，第二个传感器由l₂变化到l₂+Δl₂，第N个传感器由l_N变化到l_N+Δl_N，通过测量传感器长度的变化量，则可以得到每个传感器所感知的应变

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{{\mathrm{\Δl}}_1}{l_1},$ ${\mathrm{\ϵ}}_2=\frac{{\mathrm{\Δl}}_2}{l_2},$ …… ${\mathrm{\ϵ}}_N=\frac{{\mathrm{\Δl}}_N}{l_N}---\left(4\right)$

本发明的优点和特点是：

(1)本发明采用非平衡Michelson干涉仪构造了分布式光纤白光干涉传感器系统，扩大了空间光程扫描范围，提高了测量精度，并提高了对环境的抗干扰能力。

(2)采用非平衡Michelson干涉仪构造的分布式光纤白光干涉传感器系统，无需采用复杂的时分复用或频分复用技术，只需通过连续的空间光程扫描，即可实现对多个传感器信号的问讯和测量，技术简单，易于实现。

(3)本发明构造的分布式光纤白光干涉传感器阵列，可以实现光纤传感器布设的阵列化，在测量时各传感器互不影响，传感器长度可由使用者确定，其长度可以从几厘米到几百米范围内任意选择，具有多任务传感、多元传感、局部应变传感与大尺度形变传感的能力。

(4)本发明使用了三端口光纤环行器连接了输入、输出光路，由于每端都不会存在反射，避免了回波对光源的影响。保证了测试系统的稳定性，提高了测量系统的可靠性。

(5)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。

附图说明

图1是典型的白光干涉Michelson干涉仪结构示意图。

图2是典型的白光干涉条纹信号示意图。

图3是基于非平衡Michelson干涉仪实现问讯的最简单的光纤白光干涉传感器的结构示意图。

图4是低相干宽谱光源与光电探测器构成的光电器件示意图。

图5是光纤传感器的结构示意图。

图6是非平衡Michelson干涉仪的结构示意图。

图7是基于非平衡Michelson干涉仪实现问讯的分布式光纤白光干涉传感器阵列的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

利用非平衡Michelson干涉仪实现问讯构造的分布式光纤白光干涉传感器阵列的方案，如图7所示。由图可见，该分布式光纤白光干涉传感器阵列由光电器件1、非平衡Michelson干涉仪2、单模连接光纤3、串行传感器阵列4构成。光电器件1由低相干宽谱光源111、三端口环行器121与光电探测器131组成；如图5所示。非平衡Michelson干涉仪2由由镀膜光纤反射端211、扫描反射镜221、自聚焦透镜231、3dB光纤2×2耦合器241构成，串行阵列4由光纤传感器411串行连接构成。

如图4所示，使用宽带光源111与光电探测器131通过三端口环行器121构成的光电器件1。干涉仪工作时，光电器件中的低相干宽带光源111的光通过非平衡Michelson干涉仪2后直接耦合进入光纤传感器阵列4)被串行阵列中各个光纤传感器411的右端面反射后，形成了一系列具有不同光程的反射测量信号光；当入射光束被串行阵列中各个光纤传感器411的连接端面反射后，沿相同的路径经过非平衡Michelson干涉仪被传输回光电器件中的探测端131，形成了一系列具有不同光程的参考测量信号光；当传感器引入的光程差被非平衡Michelson干涉仪两臂引入光程差所补偿时，探测器将接收到由于干涉而产生的交流信号的峰值，通过光程的动态扫描，对干涉信号的峰值进行跟踪测量，即可实时得到传感器长度改变量的信息。通过Michelson干涉仪臂长的连续调整可实现空间光程扫描跟踪，由于每个光纤传感器的长度都不同，因此可以对多个传感器加以区分，从而实现多个外界物理量的查询与问讯。

光纤传感器411是由两端具有一定反射率的垂直于光纤端面的一段任意长度的光纤段构成，典型结构如图5所示，每个光纤传感器由长度大致相同的单模光纤504构成(如传感器长度取1000mm长)，并且两端加装陶瓷插芯501，端面经过抛光处理后，得到垂直于传输光方向的反射率大于等于1％的光纤端面。光纤传感器411可以通过陶瓷套管502与传感器或者光纤连接，陶瓷套管同时起到对传感器端面的保护作用。两个利用光纤套管连接的光纤插芯之间形成了一个光学反射率1％-3％的光学反射面504。若干个光纤传感器411首尾相接就形成一个串行的光纤传感器阵列4。

Claims (2)

1.一种基于非平衡Michelson干涉式准分布光纤白光应变传感解调装置，由具有光发射与光探测功能的光电器件(1)、非平衡Michelson干涉仪(2)、单模连接光纤(3)、串行光纤传感器阵列(4)组成；其特征是：所述光电器件(1)由低相干宽谱光源(111)、三端口环行器(121)与光电探测器(131)组成；非平衡Michelson干涉仪(2)由镀膜光纤反射端(211)、扫描反射镜(221)、自聚焦透镜(231)、3dB光纤2×2耦合器(241)构成；串行光纤传感器阵列(4)由光纤传感器(411)串行连接构成；非平衡Michelson干涉仪(2)的位置连接在具有光发射与光探测功能的光电器件(1)之后，串行光纤传感器阵列(4)之前；非平衡Michelson干涉仪作为解调问讯干涉仪对光纤传感器所引入的光程差进行补偿，当非平衡Michelson干涉仪二臂的光程差和光纤传感器前后两个反射端面形成的反射光信号之间的光程差匹配时，产生白光干涉条纹，而与光纤连线的长度无关；用于连接低相干宽谱光源、非平衡Michelson干涉仪和光电探测器的三端口环行器的连接方式是第一端口连接低相干宽谱光源，第一端口的输入功率从第二端口输出至非平衡Michelson干涉仪，从串行光纤传感器阵列返回的信号光经过非平衡Michelson干涉仪后又返回到第二端口并被送到第三端口输出至光电探测器；所述的串行光纤传感器阵列(4)由若干个首尾依次串接的光纤传感器(411)组成，而光纤传感器(411)由一段长度任意两端带有光纤插芯的单模光纤组成，一系列长度不等的单模光纤段构成首尾相接的串行阵列。

2.根据权利要求1所述的基于非平衡Michelson干涉式准分布光纤白光应变传感解调装置，其特征是：非平衡Michelson干涉仪(2)所产生的光程差动态扫描范围可调，光纤传感器感知的物理量的变化所导致的光程变化由补偿光程差的变化进行动态跟踪并被记录。

Images