CN105180977B - 一种单光纤迈克尔逊干涉传感器及传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于光纤传感器技术领域，提供了一种单光纤迈克尔逊干涉传感器，包括依次在普通单模光纤上前、后刻写的第一啁啾光栅、第二啁啾光栅，两个啁啾光栅具有相同反射谱、反射率低于1％的低反射率光栅。本发明还公开了一种单光纤迈克尔逊干涉传感器的传感系统，包括激光光源，光环行器，光电探测器，带A/D转换的数据采集卡，计算机信号处理。该单光纤迈克尔逊干涉传感器具有结构简单、制作方便、灵敏度高、配置灵活、抗电磁干扰、耐腐蚀和可用于恶劣环境等优点。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体而言涉及一种单光纤迈克尔逊干涉传感器及传感系统。
背景技术
光纤迈克尔逊干涉传感器在光纤传感、光信号处理等领域有非常广泛的应用，包括光纤应力传感、光纤分布式振动传感等。普通光纤迈克尔逊干涉传感器通常需要利用光分路器将来自光源的光信号灯功率分配后，入射到两根分立的光纤中，当光在各自光纤的端面被反射后，再分别沿光路返回到光分路器，此时光分路器对返回光进行合波，两束返回光发生干涉，通过光电转换后进行强度采集，获取的信号可能呈现出余弦的周期性变化。在这种分立的光路中，参考臂容易受温度的影响，从而使干涉强度出现干扰。为了简化光纤迈克尔逊干涉传感器的干涉结构，专利“基于同轴光纤的迈克尔逊干涉仪”(专利号：ZL200910044807.4)、“光纤内集成式微型迈克尔逊干涉传感器及其制作方法”(专利号：ZL200910104579.5)和“微型光纤集成的光纤迈克尔逊干涉式温度传感器、制作方法”(专利号：ZL200910104580.8)等采用光纤复接或微加工的方法，在一段光纤上构建光纤迈克尔逊干涉传感器，但上述方法制作工艺复杂，批量生产困难，实用性不佳。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种单光纤迈克尔逊干涉传感器及系统，该装置结构简单、制作方便、灵敏度高、配置灵活、抗电磁干扰、耐腐蚀和可用于恶劣环境等优点。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种单光纤迈克尔逊干涉传感器，它由普通单模光纤以及光纤上分别刻写的两个与光纤轴垂直的第一啁啾光栅、第二啁啾光栅组成，第一啁啾光栅与第二啁啾光栅之间保持一定的间距前后排列，且有相同的反射光谱特性，其反射率低于1％。
本发明还提供了一种单光纤迈克尔逊干涉传感器的传感系统，包括窄带激光光源，光环行器，光电探测器，带A/D转换的数据采集卡，计算机，以及单光纤迈克尔逊干涉传感器。环形器的第一端口接激光光源，环形器的第二端口接单光纤迈克尔逊干涉传感器，环形器的第3端口接光电探测器，光电探测器与数据采集卡连接，数据采集卡与计算机连接。
激光光源的工作波长位于第一啁啾光栅、第二啁啾光栅的反射谱范围内。
单光纤迈克尔逊干涉传感器的尾端盘绕成半径小于5mm、圈数大于10圈的小圆，且光纤尾端的端面斜度小于60°，以降低端面反射。
计算机对干涉仪引起的相位变化进行解调，提取相应的物理参量的信息。
单光纤迈克尔逊干涉传感器的传感系统的工作原理如下：
激光光源发出的光经过环形器注入到单光纤迈克尔逊干涉传感器，假定第一啁啾光栅、第二啁啾光栅反射系数为R0，激光的光强为I0，则第一啁啾光栅反射光为I0*R0，透射光为I0*(1-R0)。透射光入射到第二啁啾光栅上时，反射信号的强度为I0*(1-R0)*R0，反射信号通过第一啁啾光栅后的强度为：I0*(1-R0)2*R0。则第一啁啾光栅、第二啁啾光栅两束返回光的强度之比为：1:(1-R0)2。
假定光栅的反射率R0等于1％，两束光的强度之比为1：0.9801，光强相差小于2％；而光栅的反射率降低到0.1％时，两束反射光的强度之比为1:0.998001，两束光强相差小于0.2％。这对干涉条纹的影响非常有限，可以近似为等功率两束光。两束光是同一激光光源的反射光，具有相同的传播方向和稳定的相位差，因此会产生双光束干涉，其反射机理符合迈克尔逊的工作机理，命名为单光纤迈克尔逊干涉传感器。其双光束干涉的表达式：
ID≈2R0*I0*{1+cos[4πneffL/λ+φr]} (1)
式中，ID为双光束干涉的光强，L为两光栅之间的距离，φr为两光栅之间的相位差。当两个光栅之间的光纤受到外界扰动时，干涉信号的相位差变化Δφ：
由公式(2)可知，当光源的波长确定后，两束干涉光的干涉相位变化系数与光栅间距L直接相关。光栅距离越长，相位变化的灵敏度越高。研究表明，普通光栅的相位变化为：
式中，d为光栅的长度。大多数光栅的长度在几个毫米，而迈克尔逊干涉传感器两个光栅之间的距离理论上由激光光源的相干长度确定。比较式(2)和(3)可知，在同样的应变参数下，单光纤迈克尔逊干涉传感器的灵敏度比单光栅高L/d倍。例如，假定光栅的长度为6mm，迈克尔逊干涉传感器的臂长L为60m，则系统的灵敏度提高1000倍，可以进行高灵敏度传感！
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)、干涉结构简单。基于弱光栅的传感器是在同一根光纤上制作，避免了传统光纤迈克尔逊传感器的双光纤结构，或者通过光学精密加工制作特定的双反射面。
2)、制作简单，无需进行复杂的机械加工，尤其适合拉丝塔工艺制作光栅，只需要在光纤拉丝过程中根据间距设计要求进行光栅刻写，易于工业化生产。
3)、灵敏度可以根据具体的应用场合灵活设计，即设计不同的光栅间距长度可以获得不同灵敏度的干涉仪。
4)、可以方便进行分布式传感。该传感系统采用窄线宽激光器作为光源，激光经过光栅反射后，具有良好的相干特性，因而可以将两个光栅之间的间距设计为数十米甚至更长，而两个光栅区间内的光纤上任何一点可作为传感介质，从而实现分布式传感。
附图说明
图1为采用双光栅构成本发明的结构示意图。
图2为采用本发明传感器构成传感系统的结构图。
图3为本发明传感系统的具体实施例。
图中：1—第一啁啾光栅，2—第二啁啾光栅，3—激光光源，4—光环行器，5—光电探测器，6—数据采集卡，7—计算机，8—单光纤迈克尔逊干涉传感器，9—传感光纤，10—解调仪表。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述：
本发明的一种单光纤迈克尔逊干涉传感器，结构如图1所示，它由普通单模光纤以及光纤上分别刻写的两个与光纤轴垂直的第一啁啾光栅1、第二啁啾光栅2组成，第一啁啾光栅1与第二啁啾光栅2之间保持一定的间距10米、前后排列，且有相同的反射光谱特性，其反射率低于0.1％。第一啁啾光栅1、第二啁啾光栅2采用相位掩模法制作，光栅长度约6mm。
如图2所示，本发明一种单光纤迈克尔逊干涉传感器所构成的传感系统，包括窄带(线宽10MHz)的激光光源3、光环行器4、光电探测器5、A/D转换的数据采集卡6、计算机7，以及本发明的单光纤迈克尔逊干涉传感器8。光环行器4的第一端口接激光光源1，光环行器4的第二端口接单光纤迈克尔逊干涉传感器8，光环行器4的第三端口接光电探测器5，光电探测器5与数据采集卡6连接，数据采集卡6与计算机连接7。
该传感系统运行时，激光光源3发出约10dBm的连续光功率信号，进入光环行器4，再进入本发明的单光纤迈克尔逊干涉传感器8，形成反射干涉谱，经过光环行器4进入光电探测器5，将光信号的变化转换为电信号的变化，再经过带A/D转换的数据采集卡6，完成电信号的模/数转换计算，最后进入计算机7，计算机7对数据进行处理，识别信号相位的变化，解调传感参量。
将该传感器设置在需要进行应变监测的场合，如图3所示，当两个光栅之间传感光纤9受到2外力作用，传感光纤9为普通单模光纤，光纤将产生应变，其长度发生变化，从而引起相位按式(2)发生改变。这种变化将引起光强信号的变化，这种变化被转换成电信号经A/D转换进入解调仪表10(该仪表集成光源、环形器和计算机等)，采用相位解调算法(如全数字相位载波解调PGC)解调这种相位的变化，即可精确获得传感光纤9上对应的应变变化。
将该传感器设置在需要进行振动监测(如光纤围栏)的场合时，人攀爬引起围栏的周期性振动，这种振动引起光纤上的受力变化，其瞬时工作原理同应变监测类似，解调仪表10采用相位解调算法(如全数字相位载波解调PGC)解调不同时刻相位变化，再通过傅里叶变换等技术手段，获取振动信号的频率信息。
本发明所涉及的相位解调算法等，属于已有技术且在水听计、光电信号检测等领域已有多种形式和应用。在此只是列举部分实现方式，不对算法的细部特征再做具体叙述。
本发明不仅具有普通光纤传感器的优点，还具有结构简单、制作方便、灵敏度高、配置灵活等优点，可以根据不同的应用场合进行配置，实现不同灵敏度的监测，具有较强的灵活性和适应性。
Claims (7)
1.一种单光纤迈克尔逊干涉传感器，其特征在于：在普通单模光纤上分别刻写两个与光纤轴垂直的第一啁啾光栅(1)、第二啁啾光栅(2)，第一啁啾光栅(1)与第二啁啾光栅(2)之间保持一定的间距前后排列。
2.根据权利要求1所述一种单光纤迈克尔逊干涉传感器，其特征在于：所述第一啁啾光栅(1)、第二啁啾光栅(2)具有相同的反射光谱特性，其反射率低于1％。
3.一种单光纤迈克尔逊干涉传感器的传感系统，包括激光光源(3)，光环行器(4)，光电探测器(5)，带A/D转换的数据采集卡(6)，计算机(7)，以及权利要求1～2所述任意一种单光纤迈克尔逊干涉传感器(8)，其特征在于：所述光环行器(4)的第一端口接激光光源(3)，所述光环行器(4)的第二端口接所述单光纤迈克尔逊干涉传感器(8)，所述光环行器(4)的第3端口接光电探测器(5)，光电探测器(5)与所述数据采集卡(6)连接，数据采集卡(6)与计算机(7)连接。
4.如权利要求3所述一种单光纤迈克尔逊干涉传感器的传感系统，其特征在于：所述的激光光源(3)的工作波长，位于第一啁啾光栅(1)、第二啁啾光栅(2)的反射谱范围内。
5.如权利要求3所述一种单光纤迈克尔逊干涉传感器的传感系统，其特征在于：所述单光纤迈克尔逊干涉传感器(8)的尾端盘绕成半径小于5mm、圈数大于10圈的小圆，且光纤尾端的端面斜度小于60°。
6.采用根据权利要求3至5中任一权利要求所述的单光纤迈克尔逊干涉传感器的传感系统的传感方法，其特征在于，激光光源(3)发出连续光功率信号，进入光环行器(4)，再进入单光纤迈克尔逊干涉传感器(8)，形成反射干涉谱，经过光环行器(4)进入光电探测器(5)，将光信号的变化转换为电信号的变化，再经过带A/D转换的数据采集卡(6)，完成电信号的模/数转换计算，最后进入计算机(7)，计算机(7)对数据进行处理，识别信号相位的变化，解调传感参量。
7.根据权利要求3至5中任一权利要求所述的单光纤迈克尔逊干涉传感器的传感系统，应用于应变监测或振动监测。
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