CN104330104B - 一种干涉型传感器臂长差的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干涉型传感器臂长差的测量装置，包括宽谱光源、马赫增德尔强度调制器、微波扫频源、功分器、直流稳压电源、高速光电探测器、射频放大器、移相器、混频器、低通滤波器、AD采样器和测量处理器。本发明测量装置打破了在纯光域上测量的思维模式，引入了微波信号，在不破坏传感器的情况下，利用其原有的光路结构将臂长差信号调制到光载微波的相位上，通过解调微波的相位，达到测量臂长差的目的；其主要的优势是成本低，测量范围大，精度高，实现成本低，不需要专用的仪器支持，另外能完成全自动测量，速度快且不需要人工调节，只需要将被测传感器接上测量设备就可以输出测量结果。

Description

一种干涉型传感器臂长差的测量装置

技术领域

本发明属于光纤传感器性能测量技术领域，具体涉及一种干涉型传感器臂长差的测量装置。

背景技术

干涉型传感器是近20年兴起的传感设备，可以直接用于水声、电流、磁场等物理量的监测。这种类型的传感器具有灵敏度高、精度高、测量速度快以及抗干扰能力强等特点。干涉型传感器常见的结构有光纤迈克尔逊干涉仪(如图1所示)、马赫-曾德干涉仪(如图2所示)等；常见的光纤水听器，光纤磁场计等都是这种结构的传感器。其主要的工作原理：通常干涉型传感器具有两条长度不同的光纤臂，被测信号作用到传感器，使光纤内传播的光波相位发生变化，再利用干涉测量技术把两臂内的相位变化之差转换成光强，从而检测出被测信号。由其工作原理看出，干涉型传感器其两臂光纤的臂长差决定了传感器的性能与灵敏度，准确的测量光纤臂长差具有非常重要的意义。

当前用来测量臂长差的方法主要有：时域脉冲法、PGC零差检测法、白光干涉法、电流调制光源和观测干涉条纹可见度法、干涉仪干涉谱观测法、使用精密反射计法。其中时域脉冲法的主要原理为：使用飞秒激光器产生飞秒激光脉冲进入干涉仪，在干涉仪输出端使用高速信号采集仪，测量经两臂传输的两个脉冲的时间差，从而计算出臂长差。这个方法要使用飞秒激光发生器和高速信号采集设备，这两个设备的成本非常高。PGC零差检测法最初是用来做信号解调的，也有人将其用在臂长差测量上，其主要原理是：使用加直流电压的方式进行臂长差补偿，在传感器的两臂加上不同电压，使得等效的臂长差相同，然后通过计算两臂的电压差计算出臂长差；这种方法应用范围非常有限，它要求要能在被测传感器两臂上加电压，两光纤臂要对传感器有响应；要满足这两个要求，可能就会破坏传感器，大部分传感器都是密封的；加电压补偿也决定了他的测量范围也比较小。另外白光干涉法的测量原理是：使用白光干涉仪测量，通过调节白光干涉仪里的反射镜，人为的引入臂长差来补偿被测传感器的臂长差，当完全补偿时，输出信号最大，通过读取移动距离得到臂长差。其他几种技术都是基于观测干涉条纹的方法，通过条纹间距计算得到臂长差。

上述的几种测量技术共同特点就是全部在光域上完成测量，不仅需要昂贵的精密仪器支持，还需要人工调节；这使得完成一次测量付出的设备成本，时间成本和人工成本比较高。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种干涉型传感器臂长差的测量装置，不用拉直光纤，直接通过激光测量长度的方法，测量范围非常大，覆盖1厘米到1千米的范围，并且能提供较高的测量精度。

一种干涉型传感器臂长差的测量装置，包括：

微波扫频源，用于产生正弦波形式的射频信号RF且该射频信号RF的频率在扫频范围内随时间单调变化；

功分器，用于对所述的射频信号RF功率平分，输出两路相同的射频信号RF1～RF2；

宽谱光源，用于产生宽谱激光；

马赫-曾德强度调制器，用于将射频信号RF1调制到宽谱激光上，进而将宽谱激光加载至干涉型传感器输入端；

直流稳压电源，用于为马赫-曾德强度调制器提供直流偏置电压，通过调节直流偏置电压的大小，使马赫-曾德强度调制器工作在线性工作点(即正交偏置点)上；

高速光电探测器，用于将干涉型传感器输出端产生的光信号转换成电信号；

射频放大器，用于对所述的电信号进行放大，得到射频信号RF3；

移相器，用于调节射频信号RF2的相位，使其与射频信号RF3相位相同；

混频器，用于对相位相同的两路射频信号RF2～RF3进行混频后输出中频信号；

低通滤波器，用于对所述的中频信号进行滤波；

AD采样器，用于对滤波后的中频信号进行采样；

测量处理器，用于根据采样得到的中频信号以及射频信号RF的频率，计算出干涉型传感器的臂长差。

所述的宽谱光源可以采用SLED光源、LED光源、ASE光源或其他干涉长度小于1mm的光源。

所述的马赫-曾德强度调制器基于铌酸锂晶体的电光效应，通过调节直流稳压电源输出直流偏置电压的大小，使马赫-曾德强度调制器工作在线性工作点上，进而能够使其强度调制效率最高。

所述的微波扫频源具有扫频功能，其扫频区间长度由要求的最小测量臂长差决定，其对应关系如下：

其中：L_min为要求的最小测量臂长差，f_d为扫频区间长度，n为干涉型传感器中光纤的折射率，k为类型参数，若干涉型传感器为马赫-曾德干涉仪则k＝1，若干涉型传感器为迈克尔逊干涉仪则k＝2。

所述的功分器采用3dB功分器，以实现射频功率的平均分配。

所述的高速光电探测器的工作波长与宽谱光源的工作波长相匹配；如果输入到高速光电探测器的光强较弱，并夹杂着杂散的光信号，需要采用高响应度的PIN光电二极管作为高速光电探测器，而且高速光电探测器的输出端设有隔直流电容。

所述的微波扫频源输出射频信号RF的频率受测量处理器控制。

所述的移相器采用可调节的移相器，其移相范围需覆盖0-360度。

所述的射频放大器为低噪声放大器，其工作频带范围覆盖微波扫频源的扫频范围，而且具有良好的增益平坦度。

所述的低通滤波器要求能滤掉射频信号，可以采用有源低通滤波器，也可以采用RC低通滤波器或LC低通滤波器。

所述的AD采样器采用8至24位的AD采样器，实现模拟信号向数字信号的转变。

所述的射频放大器的输出端与混频器的射频输入口相连，所述的移相器的输出端与混频器的本振输入口相连。

所述的测量处理器根据以下公式计算干涉型传感器的臂长差：

其中：Δl为干涉型传感器的臂长差，c为真空中的光速，n为干涉型传感器中光纤的折射率，k为类型参数，若干涉型传感器为马赫-曾德干涉仪则k＝1，若干涉型传感器为迈克尔逊干涉仪则k＝2；f₁和f₂分别为中频信号在扫频范围内相邻两个幅值为0的采样点所对应射频信号RF的频率。

本发明测量装置打破了在纯光域上测量的思维模式，引入了微波信号，在不破坏传感器的情况下，利用其原有的光路结构将臂长差信号调制到光载微波的相位上，通过解调微波的相位，达到测量臂长差的目的；其主要的优势是成本低，测量范围大，精度高，实现成本低，不需要专用的仪器支持，另外能完成全自动测量，速度快且不需要人工调节，只需要将被测传感器接上测量设备就可以输出测量结果。

附图说明

图1为迈克尔逊干涉仪的结构示意图。

图2为马赫-曾德干涉仪的结构示意图。

图3为本发明测量装置的结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图3所示，一种干涉型传感器臂长差测量装置，包含宽谱光源1、马赫增德尔强度调制器2、微波扫频源3、功分器4、直流稳压电源5、高速光电探测器7、射频放大器8、移相器9、混频器10、低通滤波器11、AD采样器12和测量处理器(MCU)13；其中：

宽谱光源1输出端与马赫增德尔强度调制器2光输入端连接，微波扫频源3所产生的射频信号通过功分器4分成两路，其中一路与马赫增德尔强度调制器2射频输入端相连，马赫增德尔强度调制器2光输出端输送至被测传感器6的输入端。这样调制光经传感器6两臂携带臂长信息。传感器6的输出端口与光电探测器7的光输入端相连，高速光电探测器7的电输出端口与射频放大器8的输入口相连，射频放大器8的输出口和混频器10的射频输入口(RF口)相连，功分器4的另外一路射频信号经移相器9后输送至混频器10的本振输入口(LO口)，混频器10的中频输出口(IF口)与低通滤波器11输入端相连，低通滤波器11的输出口与AD采样器12的输入端相连。

利用上述装置进行臂长差测量方法为：宽谱光源输出端1与马赫增德尔强度调制器2光输入端连接，微波扫频源3所产生的射频信号通过功分器4分成两路，其中一路与马赫增德尔强度调制器2射频输入端相连，马赫增德尔强度调制器2光输出端输送至被测传感器6的输入端。这样调制光经传感器6两臂携带臂长信息。传感器6的输出端口与光电探测器7的光输入端相连，通过光电探测器7实现光强度到电信号的变化，光电探测器7输出的电信号强度(以Michelson型传感器为例)如下：

其中：f_rf为调制上的射频信号频率，n为光在光纤中的折射率，Δl为Michelson型传感器两臂的臂长差。

这样光电探测器输出的电信号幅度就携带了臂长差信息。我们通过功分器4的另外一路射频信号经移相器9后输送至混频器10的本振输入口(LO口)和光电探测器7输出的电信号进行混频，就可以在混频器10中频输出口(IF口)得到直流信号这样我们通过改变射频频率f_rf，混频器10中频输出口(IF口)的呈现周期性变化。这个直流量可以通过AD采样器12得到其幅度大小。只要测得相邻的两个频点f₁和f₂，使得直流输出为0，我们就可以得到臂长差

以Michelson型传感器为例，本实施方式的工作原理如下：

宽谱光源1产生的光的光波表达式为其中，A₀为激光场强幅度，ω₀为光波频率。

射频信号发生器3产生的模拟信号为V_rf(t)＝V_rfcosω_rft，V_rf为输入射频信号的幅度，ω_rf为射频信号频率。

直流稳压电源5所产生的电压值为V_DC。

马赫增德尔强度调制器2一条臂上的偏置电压为V_bias(t)＝V_DC+V_rfcos(2πf_rft)，它所对应的光相位变化为φ_bias(t)＝πV_DC/V_π+πV_rfcos(2πf_rft/V_π)，其中第一部分是直流偏置产生的初始相位，第二部分是由调制信号产生的相位差，当初始相位在π/2，输入信号为小信号时，强度的变化趋于线性状态，其中V_DC为稳压直流电源5提供的直流电压，V_π为马赫增德尔强度调制器2的半波电压。本发明中马赫增德尔强度调制器2偏置点都要放置在半波电压的位置，即V_DC＝V_π/2，这样就可使实验当中所使用的一阶电信号增益为最大值，同时可以很好的抑制二阶信号。

马赫增德尔强度调制器2输出光强的表示如下：

其中：φ(t)/2为调制器的啁啾产生的相位附加量，为激光器输入的光强，α_MZM为马赫增德尔强度调制器的损耗，P_MZM(t)是从马赫增德尔强度调制器输出的光强。

所以马赫增德尔强度调制器输出光经过光耦合器(图1中的14)分成两路功率相等的光，都为：分别经过光纤末端的反射镜15,16反射，两路反射光将要进入耦合器14时其光强分别变为:

其中：Δφ₁和Δφ₂为调制光分别在两臂中所产生的相位变化量，ω_rf为射频信号频率，n为光在光纤中的折射率，c为光速。

根据光电探测器探测原理，则光电探测器输出的光电流表达式如下：

I(t)＝ηα_loss[P_{1_back}(t)+P_{2_back}(t)]

其中：η为光电转换效率，α_loss＝α_linkα_MZM为链路的总损耗，包括调制器引入的损耗、链路光纤造成的损耗、和链路接口处的损耗。

由于本实施方式使用的高速光电探测器具有隔直流作用，所以我们不考虑拍频后的直流信号。将光电探测器输出的光电流表达式使用贝塞尔公式进行展开，同时忽略高阶分量，可以得到一阶信号输出电流如下：

将此一阶电信号与功分器另一路经过移相器9的射频信号在混频器10中进行混频，经低通滤波器11得到直流信号其中Δφ₁＝4πf_rfnl₁/c，Δφ₂＝4πf_rfnl₂/c。经化简后的直流信号为可以看到臂长差信息反应在直流中。在测量过程中，我们通过改变射频频率f_rf，通过AD采样器12测得连续两个功率最小点，然后记录两点分别所对应的频率值f_rf1和f_rf2。通过这两个频点，我们可以计算得到臂长差：

本实施方式使用扫频测频差的方法实现臂长差的测量，在保证大的测量范围的情况下有高的测量精度，此外方法中使用记录功率最小点来作为测频差依据简化了信号处理电路的复杂性，大大降低了成本。

Claims (10)

1.一种干涉型传感器臂长差的测量装置，其特征在于，包括微波扫频源、功分器、宽谱光源、马赫曾德强度调制器、直流稳压电源、高速光电探测器、射频放大器、移相器、混频器、低通滤波器、AD采样器和测量处理器；其中：

所述微波扫频源与测量处理器和功分器相连，用于产生正弦波形式的射频信号RF且该射频信号RF的频率在扫频范围内随时间单调变化；

所述功分器与微波扫频源、马赫曾德强度调制器和移相器相连，用于对所述的射频信号RF功率平分，输出两路相同的射频信号RF1～RF2；

所述宽谱光源用于产生宽谱激光；

所述马赫曾德强度调制器与功分器、干涉型传感器和直流稳压电源相连，用于将射频信号RF1调制到宽谱激光上，进而将宽谱激光加载至干涉型传感器输入端；

所述直流稳压电源与马赫曾德强度调制器相连，用于为马赫曾德强度调制器提供直流偏置电压，通过调节直流偏置电压的大小，使马赫曾德强度调制器工作在线性工作点上；

所述高速光电探测器与射频放大器和干涉型传感器相连，用于将干涉型传感器输出端产生的光信号转换成电信号；

所述射频放大器与高速光电探测器和混频器相连，用于对所述的电信号进行放大，得到射频信号RF3；

所述移相器与功分器和混频器相连，用于调节射频信号RF2的相位，使其与射频信号RF3相位相同；

所述混频器与移相器、射频放大器和低通滤波器相连，用于对相位相同的两路射频信号RF2～RF3进行混频后输出中频信号；

所述低通滤波器与AD采样器和混频器相连，用于对所述的中频信号进行滤波；

所述AD采样器与测量处理器和低通滤波器相连，用于对滤波后的中频信号进行采样；

所述测量处理器与微波扫频源和AD采样器相连，用于根据采样得到的中频信号以及射频信号RF的频率，计算出干涉型传感器的臂长差。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的宽谱光源采用SLED光源、LED光源、ASE光源或其他干涉长度小于1mm的光源。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的马赫曾德强度调制器基于铌酸锂晶体的电光效应。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的微波扫频源具有扫频功能，其扫频区间长度由要求的最小测量臂长差决定，其对应关系如下：

其中：L_min为要求的最小测量臂长差，f_d为扫频区间长度，n为干涉型传感器中光纤的折射率，k为类型参数，若干涉型传感器为马赫-曾德干涉仪则k＝1，若干涉型传感器为迈克尔逊干涉仪则k＝2。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的功分器采用3dB功分器，以实现射频功率的平均分配。

6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的微波扫频源输出射频信号RF的频率受测量处理器控制。

7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的低通滤波器采用有源低通滤波器、RC低通滤波器或LC低通滤波器。

8.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的AD采样器采用8至24位的AD采样器。

9.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的射频放大器的输出端与混频器的射频输入口相连，所述的移相器的输出端与混频器的本振输入口相连。

10.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的测量处理器根据以下公式计算干涉型传感器的臂长差：

$\mathrm{\Δ}l=\frac{c}{kn|f_1-f_2|}$

其中：Δl为干涉型传感器的臂长差，c为真空中的光速，n为干涉型传感器中光纤的折射率，k为类型参数，若干涉型传感器为马赫-曾德干涉仪则k＝1，若干涉型传感器为迈克尔逊干涉仪则k＝2；f₁和f₂分别为中频信号在扫频范围内相邻两个幅值为0的采样点所对应射频信号RF的频率。