CN108775974B - 基于多纵模自混合效应的温度传感测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学测量技术领域，具体为一种基于多纵模自混合效应的温度传感测量装置及方法，测量装置包括多纵模激光器、传感单元、振动目标、滑动装置、分光元件、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元，测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光器出射激光经传感单元后入射到振动目标上，然后再反馈回多纵模激光器谐振腔内形成自混合信号，上述过程中传感单元发生改变引起自混合信号波形改变，通过调节滑动装置使振动目标发生微移，形成在不同激光器外腔长度下的自混合信号，利用光电探测器采集不同外腔长度下的自混合信号，然后利用信号预处理单元和信号处理单元进行处理，即可得出传感单元的变化，该方法测量成本低、光路简单、测量精度高。

Description

基于多纵模自混合效应的温度传感测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种基于多纵模自混合效应的温度传感测量装置及方法。

背景技术

利用光学进行精密测量，一直是计量测量技术领域中的主要方法，目前，光学测量方法因其非接触测量、测量灵敏度高、测量精度高等优点已被成熟应用于温度测量、电压测量、磁场测量、应变测量、液体浓度测量等测量场合。

在温度测量技术领域，目前的测温方法主要分为接触式和非接触式两大类。接触式的测温方法主要有热敏电阻测温法、光纤光栅测温法等；非接触式的测温方法主要有红外测温方法、传统干涉光学测温法等。基于热敏电阻体积小，机械性能好等优点，热敏电阻测温法主要适用于测量点温、表面温度及快速变化的温度的场合，但其存在复现性较差和互换性较差的缺点。光纤光栅测温法适用于需要测量精度要求较高的表面温度的场合，但是受自身材料特性影响，其测温范围较小，并且需要结合昂贵的光谱仪或者复杂的解调技术，应用成本较高。红外测温法理论上无测量上限，但是当被应用于测量真实温度时，受被测对象辐射率的影响较大，测量精度较低，不满足高精度测温需求。传统干涉光学温度测量方法则一般采用马赫-曾德尔方案，信号光和参考光处在不同光路，受环境影响较大，结构相对复杂且调试困难。

在电压测量技术领域，传统测量电压的仪器有静电电压表、球隙、电磁式电压互感器、电阻分压器以及电容分压器等，但存在绝缘难度大、体积大、价格高、动态范围小、频带窄等问题。光学电压传感器具有抗电磁干扰能力强，绝缘性腔和测量带宽高等特点，可以利用泡克尔斯效应、电光克尔效应等进行传感测量，但对被测材料的要求很高，一般要求为泡克尔斯晶体和电光晶体，且测量的稳定性受限于材料的温度特性和传感头加工工艺，同时存在制作成本较高的问题。干涉式的光学电压传感系统中，主要采用的是迈克尔逊干涉型电压检测方法和马赫-曾德尔(M-Z)型电压检测方法，但测量时传感臂和参考臂太长且不在同一通道中，系统容易受到环境干扰。

在磁场测量技术领域，传统的磁场传感器一般是通过霍尔效应、Faraday磁光效应、巨磁感应效应、磁饱和效应等实现，但这些方法普遍存在测量系统体积大、成本高、测量频带窄、动态范围小等问题。随着光学传感技术的发展，光学磁传感器逐渐受到研究者重视。光学磁传感器主要有光纤光栅磁场传感器、赛格纳克磁场传感器、迈克尔逊磁场传感器、马赫-曾德尔磁场传感器和法布里-帕罗型磁场传感器。其中，光纤光栅磁场传感器及赛格纳克磁场传感器均需接入光谱仪观察不同磁场强度下的传感器输出光谱，成本较高且易受环境影响；迈克尔逊磁场传感器、马赫-曾德尔磁场传感器是通过采集传感臂和参考臂间的干涉信号来获得磁场强度，但信号光和参考光处在不同光路，受环境影响较大，结构复杂且调试困难；法布里-帕罗型磁场传感器则是利用空气腔中光的干涉效应对磁场强度进行传感，但空气腔易受环境干扰且光程有一定限制，不利于高灵敏度磁场强度测量。

在应变测量技术领域，传统的应变测量方法主要是利用电阻应变计(电阻应变片)来实现测量。该方法一般只能测量构件表面应变，难于显示其内部应变，并且存在测量仪器体积大、测量灵敏度低、动态范围小，不易被埋置在复合材料中等缺点。利用光学测量应变的方法主要包括光弹性测量法、全息干涉法、云纹法、光纤光栅法、传统光学干涉法等，其中光弹性测量法、全息干涉法、云纹法等方法存在受力模型复杂、测量材料有限、处理过程繁琐，处理数据量过大等问题；光纤光栅法则均需接入光谱仪观察不同应变下光栅反射波长的具体位置，测量成本较高且易受环境影响。而传统光学干涉法(如迈克尔逊、马赫-曾德尔等干涉法等)则需通过采集传感臂和参考臂间的干涉信号来获得应变大小，由于信号光和参考光处在不同光路，受环境影响较大，结构复杂且调试困难；法布里-帕罗型应变传感器则是利用空气腔中光的干涉效应对应变进行传感，但空气腔易受环境干扰且光程有一定限制，不适合高灵敏度应变测量。

在液体浓度测量技术领域中，相对传统的化学测量方法，物理测量方法具有在测量过程中不易改变液体本身性质的优点，现有的物理测量方法主要包括比重法，光学测量法等。其中，比重法存在测量分辨率低的缺点，而光学测量法因其具有非接触的优势，近年来逐渐受到重视。目前运用光学手段检测液体浓度(或者折射率)的方法主要有掠入射法、等离子共振法、吸收光谱法、法布里-帕罗腔干涉法、马赫-曾德尔干涉法等。掠入射法是根据折射率定律，测定待测物质浓度(或者折射率)，虽简单易行，但受参考物质的限定，测量精度较低。等离子共振法、吸收光谱法分别利用表面等离子体与待测液体共振吸收峰和待测液体对激光的吸收光谱进行液体浓度(或者折射率)测量，但必须根据光谱吸收峰寻找相应波长激光光源，部分波长激光造价昂贵且制作困难，不适合工业传感应用。而基于光学干涉效应测量溶液浓度的法布里-帕罗腔干涉法则受法布里-帕罗标准具的限制，测量灵敏度和测量范围受限，而马赫-曾德尔干涉法则是非本征结构传感器，传感臂和参考臂为不同光路，存在易受环境扰动，测量误差较大的缺点。

发明内容

针对现有技术中利用光学传感技术测量温度、电压、磁场、应变、液体浓度时存在的问题，本发明提供五种基于多纵模自混合效应的传感测量装置，分别能够实现温度、电压、磁场、应变、液体浓度五种物理量的传感测量，五种装置的基本结构相同，区别点仅在于传感测量装置中的传感单元结构不同。

为实现测量温度的技术目的，本发明的技术方案是：

一种基于多纵模自混合效应的温度传感测量装置，包括含尾纤的多纵模激光器、传感单元、振动目标、滑动装置、分光元件、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元；

所述振动目标能够发生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构；

所述传感单元包括传感光纤，所述传感光纤置于待测温度的环境内；

所述多纵模激光器用于出射激光，所述多纵模激光器的尾纤与传感光纤的一端相连，所述传感光纤另一端出射的激光入射到振动目标的振动面上，经反射结构反射后沿原路反馈回多纵模激光器谐振腔内，形成激光自混合信号；

所述振动目标底部固定于滑动装置上，通过调节滑动装置能够使振动目标沿出射激光所在光路方向发生移动；

所述分光元件为耦合器，用于将激光自混合信号分束到光电探测器上；

所述光电探测器用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元；

所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理包括整形、放大、滤波；

所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得传感光纤所处环境的温度变化。

基于上述测量装置的温度测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光器出射激光到振动目标上，出射激光经反射结构反射后，反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，上述过程中传感单元所处环境温度发生改变，导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿出射激光所在光路方向发生微移，以改变振动目标距离多纵模激光器的距离，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出传感光纤所处环境的温度变化，具体测量分析方法如下：

对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：

式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I₀为初始光强，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，φ_tj为j模式激光在外腔往返一周的相位，φ_tj(t)为j模式激光在外腔往返一周的实时相位，k_0j为真空中j模式的波数，op_t(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共轭,计算中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：

式(2)中φ_0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφ_sj为环境温度变化引起的传感单元相位变化，δφ_cj为补偿相位变化，测温时，δφ_sj＝-δφ_cj，op₀为激光器外腔初始光程，δop_s为环境温度变化引起的传感单元光程变化，δop_c为补偿光程变化，n_c为外腔空气折射率，其值为1，n_s为传感光纤的折射率，L_s为激光在传感光纤中传输的实际路径的总几何长度，L_c为补偿长度，δ(n_sL_s)为环境温度变化引起的传感单元光程变化,δ(n_cL_c)为补偿光程变化；

式(3)中ω₀为激光的角频率，c为真空中的光速，n_g为激光器谐振腔介质群折射率，L₀为激光器谐振腔腔长；

将式(3)代入式(1)得：

如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍：

φ_tj＝k_0jop_t＝2mk_0jn_gL₀＝mφ_gj 式(5)

即：

op_t＝2mn_gL₀ 式(6)

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φ_gj为激光在激光器谐振腔内往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波形分立，从式(5)可知，当传感光纤所处环境温度改变时，光在传感光纤传输时的相位会发生改变，导致各个模式的φ_tj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变外界反馈物位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波形，再通过测量外界反馈物位置得到补偿相位变化δφ_cj，进而获得环境温度变化引起的传感单元相位变化δφ_sj，这里，环境温度变化引起传感单元相位变化δφ_sj的关系如下式所示：

式(7)中

为传感光纤折射率温度系数，

为传感光纤线性膨胀系数，L_s0为激光在传感光纤中传输的实际路径的总初始几何长度，n_s0为传感光纤的初始折射率；

利用补偿相位并结合传感光纤材料初始折射率n_s0、激光在传感光纤中传输实际路径的总初始几何长度L_s0、传感光纤折射率温度系数

传感光纤线性膨胀系数

进行计算，可得传感光纤所处环境的温度变化。

为实现测量电压的技术目的，本发明的技术方案是：

一种基于多纵模自混合效应的电压传感测量装置，包括含尾纤的多纵模激光器、传感单元、振动目标、滑动装置、分光元件、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元；

所述振动目标能够发生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构；

所述传感单元包括圆柱形压电陶瓷和传感光纤，所述压电陶瓷由被测的电压源控制，所述传感光纤缠绕在压电陶瓷上；

所述多纵模激光器用于出射激光，所述多纵模激光器的尾纤与传感光纤的一端相连，所述传感光纤另一端出射的激光入射到振动目标的振动面上，经反射结构反射后沿原路反馈回多纵模激光器谐振腔内，形成激光自混合信号；

所述振动目标底部固定于滑动装置上，通过调节滑动装置能够使振动目标沿出射激光方向发生移动；

所述分光元件为耦合器，用于将激光自混合信号分束到光电探测器上；

所述光电探测器用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元；

所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理包括整形、放大、滤波；

所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得传感单元压电陶瓷的电压。

基于上述测量装置的电压测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光器出射激光到振动目标上，出射激光经反射结构反射后，反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，上述过程中压电陶瓷的电压发生改变，导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿出射激光所在光路方向发生微移，以改变振动目标距离多纵模激光器的距离，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出传感单元压电陶瓷的电压，具体测量分析方法如下：

对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：

式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I₀为初始光强，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，φ_tj为j模式激光在外腔往返一周的相位，φ_tj(t)为j模式激光在外腔往返一周的实时相位，k_0j为真空中j模式的波数，op_t(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共轭,计算中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：

式(2)中φ_0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφ_sj为电压变化引起的传感单元相位变化，δφ_cj为补偿相位变化，测电压时，δφ_sj＝-δφ_cj，op₀为激光器外腔初始光程，δop_s为电压变化引起的传感单元光程变化，δop_c为补偿光程变化，n_c为外腔空气折射率，其值为1，n_s为传感光纤的折射率，L_s为激光在传感光纤中传输的实际路径的总几何长度，L_c为补偿长度，δ(n_sL_s)为电压变化引起的传感单元光程变化,δ(n_cL_c)为补偿光程变化；

式(3)中ω₀为激光的角频率，c为真空中的光速，n_g为激光器谐振腔介质群折射率，L₀为激光器谐振腔腔长；

将式(3)代入式(1)得：

如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍：

φ_tj＝k_0jop_t＝2mk_0jn_gL₀＝mφ_gj 式(5)

即：

op_t＝2mn_gL₀ 式(6)

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φ_gj为激光在激光器谐振腔内往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波形分立，从式(5)可知，当施加在压电陶瓷上的电压改变时，光在传感光纤传输时的相位会发生改变，导致各个模式的φ_tj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变外界反馈物位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波形，再通过测量外界反馈物位置得到补偿相位变化δφ_cj，进而获得电压变化引起的传感单元相位变化δφ_sj，这里，压电陶瓷上的电压变化引起传感单元相位变化δφ_sj的关系如下式所示：

式(8)中，L_s0为激光在传感光纤中传输的实际路径的总初始几何长度，n_s0为传感光纤中的初始折射率，n_s为传感光纤中的折射率，

为传感光纤的应变系数，ν为激光输出频率，a为传感光纤半径，

为由于传感光纤半径变化导致的折射率变化，单模光纤中此值忽略不计，因此，应变引起的相位变化可表示为下式：

δφ_sj＝k_0jn_s0ξL_s0ε 式(9)

对于圆柱形压电陶瓷，由于施加在压电陶瓷上的电压变化导致的应变变化可表示为

其中，U为施加在压电陶瓷上的电压，r为圆柱形压电陶瓷的半径，d₃₃为压电系数，则由压电陶瓷上的电压引起的相位延迟可表示为：

利用补偿光程并结合传感光纤材料初始折射率n_s0、激光在传感光纤中传输实际路径的总初始几何长度L_s0、压电系数d₃₃、传感光纤应变系数ξ和压电陶瓷半径r进行计算，可得施加在传感单元压电陶瓷上的电压。

为实现测量磁场的技术目的，本发明的技术方案是：

一种基于多纵模自混合效应的磁场传感测量装置，包括含尾纤的多纵模激光器、传感单元、振动目标、滑动装置、分光元件、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元；

所述振动目标能够发生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构；

所述传感单元包括磁滞伸缩材料和传感光纤，所述磁滞伸缩材料置于待测磁场内，所述传感光纤固定在磁滞伸缩材料上；

所述多纵模激光器用于出射激光，所述多纵模激光器的尾纤与传感光纤的一端相连，所述传感光纤另一端出射的激光入射到振动目标的振动面上，经反射结构反射后沿原路反馈回多纵模激光器谐振腔内，形成激光自混合信号；

所述振动目标底部固定于滑动装置上，通过调节滑动装置能够使振动目标沿出射激光方向发生移动；

所述分光元件为耦合器，用于将激光自混合信号分束到光电探测器上；

所述光电探测器用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元；

所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理包括整形、放大、滤波；

所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得磁滞伸缩材料所处待测磁场的磁场强度。

基于上述测量装置的磁场测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光器出射激光到振动目标上，出射激光经反射结构反射后，反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，上述过程中待测磁场发生改变，导致磁滞伸缩材料发生改变，进而导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿出射激光所在光路方向发生微移，以改变振动目标距离多纵模激光器的距离，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出磁滞伸缩材料所处待测磁场的磁场强度，具体测量分析方法如下：

对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：

式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I₀为初始光强，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，φ_tj为j模式激光在外腔往返一周的相位，φ_tj(t)为j模式激光在外腔往返一周的实时相位，k_0j为真空中j模式的波数，op_t(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共轭,计算中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：

式(2)中φ_0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφ_sj为磁场变化引起的传感单元相位变化，δφ_cj为补偿相位变化，测磁场时，δφ_sj＝-δφ_cj，op₀为激光器外腔初始光程，δop_s为磁场变化引起的传感单元光程变化，δop_c为补偿光程变化，n_c为外腔空气折射率，其值为1，n_s为传感光纤的折射率，L_s为激光在传感光纤中传输的实际路径的总几何长度，L_c为补偿长度，δ(n_sL_s)为磁场变化引起的传感单元光程变化,δ(n_cL_c)为补偿光程变化；

式(3)中ω₀为激光的角频率，c为真空中的光速，n_g为激光器谐振腔介质群折射率，L₀为激光器谐振腔腔长；

将式(3)代入式(1)得：

如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍：

φ_tj＝k_0jop_t＝2mk_0jn_gL₀＝mφ_gj 式(5)

即：

op_t＝2mn_gL₀ 式(6)

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φ_gj为激光在激光器谐振腔内往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波形分立，从式(5)可知，当待测磁场强度改变时，光在传感光纤传输时的相位会发生改变，导致各个模式的φ_tj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变外界反馈物位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波形，再通过测量外界反馈物位置得到补偿相位变化δφ_cj，进而获得磁场变化引起的传感单元相位变化δφ_sj，这里，磁滞伸缩材料的应变引起传感单元相位变化δφ_sj的关系如下式所示：

式(8)中，L_s0为激光在传感光纤中传输的实际路径的总初始几何长度，n_s0为传感光纤中的初始折射率，n_s为传感光纤中的折射率，

为传感光纤的应变系数，ν为激光输出频率，a为传感光纤半径，

为由于传感光纤半径变化导致的折射率变化，单模光纤中此值忽略不计，因此，应变引起的相位变化可表示为下式：

δφ_sj＝k_0jn_s0ξL_s0ε 式(9)

由于待测磁场的变化导致磁感材料的应变变化可表示为ε＝CH²，其中C为磁滞伸缩材料的伸缩系数，H为磁场强度，则由磁场变化导致的相位延迟可表示为：

δφ_sj＝k_0jn_s0ξCH²L_s0 式(11)

利用补偿光程并结合传感光纤材料初始折射率n_s0、激光在传感光纤中传输的实际路径总初始几何长度L_s0、磁滞伸缩材料的伸缩系数C和传感光纤应变系数ξ进行计算，可得磁感材料所处待测磁场的磁场强度。

为实现测量应变的技术目的，本发明的技术方案是：

一种基于多纵模自混合效应的应变传感测量装置，包括含尾纤的多纵模激光器、传感单元、振动目标、滑动装置、分光元件、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元；

所述振动目标能够发生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构；

所述传感单元包括第一平台、第二平台和传感光纤；所述第一平台和第二平台沿应变变化方向顺序设置，所述第一平台固定不动，所述第二平台能够相对第一平台沿应变变化方向移动，所述传感光纤的中段均匀粘贴在第一平台和第二平台上；

所述多纵模激光器用于出射激光，所述多纵模激光器的尾纤与传感光纤的一端相连，所述传感光纤另一端出射的激光入射到振动目标的振动面上，经反射结构反射后沿原路反馈回多纵模激光器谐振腔内，形成激光自混合信号；

所述振动目标底部固定于滑动装置上，通过调节滑动装置能够使振动目标沿出射激光方向发生移动；

所述分光元件为耦合器，用于将激光自混合信号分束到光电探测器上；

所述光电探测器用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元；

所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理包括整形、放大、滤波；

所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得第二平台移动引起的传感光纤的应变变化。

基于上述测量装置的应变测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光器出射激光到振动目标上，出射激光经反射结构反射后，反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，上述过程中第二平台相对第一平台发生移动，导致传感光纤发生应变变化，进而导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿出射激光所在光路方向发生微移，以改变振动目标距离多纵模激光器的距离，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出第二平台移动引起的传感光纤的应变变化，具体测量分析方法如下：

对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：

式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I₀为初始光强，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，φ_tj为j模式激光在外腔往返一周的相位，φ_tj(t)为j模式激光在外腔往返一周的实时相位，k_0j为真空中j模式的波数，op_t(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共轭,计算中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：

式(2)中φ_0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφ_sj为应变引起的传感单元相位变化，δφ_cj为补偿相位变化，测应变时，δφ_sj＝-δφ_cj，op₀为激光器外腔初始光程，δop_s为应变引起的传感单元光程变化，δop_c为补偿光程变化，n_c为外腔空气折射率，其值为1，n_s为传感光纤的折射率，L_s为激光在传感光纤中传输的实际路径的总几何长度，L_c为补偿长度，δ(n_sL_s)为应变引起的传感单元光程变化,δ(n_cL_c)为补偿光程变化；

式(3)中ω₀为激光的角频率，c为真空中的光速，n_g为激光器谐振腔介质群折射率，L₀为激光器谐振腔腔长；

将式(3)代入式(1)得：

如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍：

φ_tj＝k_0jop_t＝2mk_0jn_gL₀＝mφ_gj 式(5)

即：

op_t＝2mn_gL₀ 式(6)

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φ_gj为激光在激光器谐振腔内往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波形分立，从式(5)可知，当传感光纤所受应变改变时，光在传感光纤传输时的相位会发生改变，导致各个模式的φ_tj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变外界反馈物位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波形，再通过测量外界反馈物位置得到补偿相位变化δφ_cj，进而获得传感光纤应变引起的传感单元相位变化δφ_sj，这里，由传感单元应变引起的传感单元相位变化与应变的关系如下式所示：

式(8)中，ε为应变，L_s0为激光在传感光纤中传输的实际路径的总初始几何长度，n_s0为传感光纤中的初始折射率，n_s为传感光纤中的折射率，

为传感光纤的应变系数，ν为激光输出频率，a为传感光纤半径，

为由于传感光纤半径变化导致的折射率变化，单模光纤中此值忽略不计，因此，应变引起的相位变化可表示为下式：

δφ_sj＝k_0jn_s0ξL_s0ε 式(9)

利用补偿相位并结合传感光纤材料初始折射率n_s0、激光在传感光纤中传输实际路径的总初始几何长度L_s0、传感光纤应变系数ξ进行计算，可得施加在传感光纤上的应变变化。

为实现测量液体浓度的技术目的，本发明的技术方案是：

一种基于多纵模自混合效应的液体浓度传感测量装置，包括多纵模激光器、传感单元、反射镜组件、振动目标、滑动装置、分光元件、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元，

所述振动目标能够发生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构；

所述传感单元为液体池，所述液体池内充有待测浓度的液体；

所述多纵模激光器用于出射激光，所述多纵模激光器出射的激光进入液体池并经多次反射后从液体池内射出，射出的激光经反射镜组件入射到振动目标的振动面上，入射到振动面上的激光经反射结构反射后沿原路反馈回多纵模激光器谐振腔内，形成激光自混合信号；

所述振动目标底部固定于滑动装置上，通过调节滑动装置能够使振动目标沿出射激光方向发生移动；

所述分光元件为分束器，用于将激光自混合信号分束到光电探测器上；

所述光电探测器用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元；

所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理包括整形、放大、滤波；

所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得液体池液体的浓度变化。

基于上述测量装置的液体浓度测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光器出射激光到振动目标上，出射激光经反射结构反射后，反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，上述过程中液体池液体浓度发生改变，导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿出射激光所在光路方向发生微移，以改变振动目标距离多纵模激光器的距离，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出液体池液体的浓度变化，具体测量分析方法如下：

对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：

式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I₀为初始光强，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，φ_tj为j模式激光在外腔往返一周的相位，φ_tj(t)为j模式激光在外腔往返一周的实时相位，k_0j为真空中j模式的波数，op_t(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共轭,计算中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：

式(2)中φ_0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφ_sj为液体浓度变化引起的传感单元相位变化，δφ_cj为补偿相位变化，测浓度时，δφ_sj＝-δφ_cj，op₀为激光器外腔初始光程，δop_s为液体浓度变化引起的传感单元光程变化，δop_c为补偿光程变化，n_c为外腔空气折射率，其值为1，n_s为液体池液体的折射率，L_s为激光在液体池中传输的实际路径的总几何长度，L_c为补偿长度，δ(n_sL_s)为液体浓度变化引起的传感单元光程变化,δ(n_cL_c)为补偿光程变化；

式(3)中ω₀为激光的角频率，c为真空中的光速，n_g为激光器谐振腔介质群折射率，L₀为激光器谐振腔腔长；

将式(3)代入式(1)得：

如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍：

φ_tj＝k_0jop_t＝2mk_0jn_gL₀＝mφ_gj 式(5)

即：

op_t＝2mn_gL₀ 式(6)

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φ_gj为激光在激光器谐振腔内往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波形分立，从式(5)可知，当液体池液体浓度改变时，光在传感光纤传输时的相位会发生改变，导致各个模式的φ_tj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变外界反馈物位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波形，再通过测量外界反馈物位置得到补偿相位变化δφ_cj，进而获得液体池内由浓度变化引起的传感单元相位变化δφ_sj，这里，由液体池液体浓度变化引起的传感单元相位变化与浓度变化量的关系如下式所示：

式(12)中，δc为浓度变化量，

为浓度变化引起的折射率变化系数，L_s0为激光在液体池中传输的实际路径的总初始几何长度；

利用补偿相位并结合激光在液体池中传输实际路径的总初始几何长度L_s0和浓度变化引起的折射率变化系数

进行计算，可得液体浓度变化量。

从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：

1.测量装置的传感单元为无源光学传感器,本身无需供电；

2.测试装置体积较小，成本较低；

3.能够实现非接触实时高精度测量；

4.测量装置光路为单光路，受环境干扰小且结构简单、调节光路方便；

5.可通过传感单元参数设计及选择不同外腔测量工具调节测量灵敏度和分辨率。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例1的仿真模拟结果示意图；

图3是本发明实施例2的结构示意图；

图4是本发明实施例2的仿真模拟结果示意图；

图5是本发明实施例3的结构示意图；

图6是本发明实施例3的仿真模拟结果示意图；

图7是本发明实施例4的结构示意图；

图8是本发明实施例4的仿真模拟结果示意图；

图9是本发明实施例5的结构示意图；

图10是本发明实施例5的仿真模拟结果示意图。

具体实施方式

结合图1和图2，详细说明本发明的实施例1，但不对本发明的权利要求做任何限定。

如图1所示，一种基于多纵模自混合效应的温度传感测量装置，包括含尾纤的多纵模激光器1、传感单元2、振动目标3、滑动装置4、分光元件5、光电探测器6、信号预处理单元7和信号处理单元8；振动目标3能够发生振动，且振动目标的3振动面附着有反射结构；传感单元包括传感光纤21，传感光纤21置于待测温度的环境内；多纵模激光器1用于出射激光，多纵模激光器1的尾纤与传感光纤21的一端相连，传感光纤21另一端出射的激光入射到振动目标3的振动面上，经反射结构反射后沿原路反馈回多纵模激光器1谐振腔内，形成激光自混合信号；振动目标3底部固定于滑动装置4上，通过调节滑动装置4能够使振动目标沿出射激光所在光路方向发生移动；分光元件5采用耦合器，用于将激光自混合信号分束到光电探测器6上；光电探测器6用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元7；信号预处理单元7用于对接收到的电信号进行预处理，预处理至少包括整形、放大、滤波；信号处理单元8用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得传感光纤所处环境的温度变化。

上述装置中：

1.滑动装置4包括滑轨41及设于滑轨41上的滑块42，振动目标底部固定于滑块42上；滑轨41与出射激光处于同一直线上；

2.反射结构可以为反射平面镜，也可以为反射膜等具有散射特性或者反射特性材料；

3.振动目标3可以采用由信号发生器31驱动的扬声器32或者压电陶瓷，图1中分别用实线和虚线表示的两个扬声器32，分别代表扬声器随滑动装置滑动时滑动前和滑动后的位置；

4.信号处理单元8可以为计算机、示波器或者频谱仪。

基于上述测量装置的温度测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光器出射激光到振动目标上，出射激光经反射结构反射后，反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，上述过程中传感单元所处环境温度发生改变，导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿出射激光所在光路方向发生微移，以改变振动目标距离多纵模激光器的距离，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出传感光纤所处环境的温度变化，具体测量分析方法如下：

对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：

式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I₀为初始光强，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，φ_tj为j模式激光在外腔往返一周的相位，φ_tj(t)为j模式激光在外腔往返一周的实时相位，k_0j为真空中j模式的波数，op_t(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共轭,计算中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：

式(2)中φ_0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφ_sj为环境温度变化引起的传感单元相位变化，δφ_cj为补偿相位变化，测温时，δφ_sj＝-δφ_cj，op₀为激光器外腔初始光程，δop_s为环境温度变化引起的传感单元光程变化，δop_c为补偿光程变化，n_c为外腔空气折射率，其值为1，n_s为传感光纤的折射率，L_s为激光在传感光纤中传输的实际路径的总几何长度，L_c为补偿长度，δ(n_sL_s)为环境温度变化引起的传感单元光程变化,δ(n_cL_c)为补偿光程变化；

式(3)中ω₀为激光的角频率，c为真空中的光速，n_g为激光器谐振腔介质群折射率，L₀为激光器谐振腔腔长；

将式(3)代入式(1)得：

如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍：

φ_tj＝k_0jop_t＝2mk_0jn_gL₀＝mφ_gj 式(5)

即：

op_t＝2mn_gL₀ 式(6)

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φ_gj为激光在激光器谐振腔内往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波形分立，从式(5)可知，当传感光纤所处环境温度改变时，光在传感光纤传输时的相位会发生改变，导致各个模式的φ_tj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变外界反馈物位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波形，再通过测量外界反馈物位置得到补偿相位变化δφ_cj，进而获得环境温度变化引起的传感单元相位变化δφ_sj，这里，环境温度变化引起传感单元相位变化δφ_sj的关系如下式所示：

式(7)中

为传感光纤折射率温度系数，

为传感光纤线性膨胀系数，L_s0为激光在传感光纤中传输的实际路径的总初始几何长度，n_s0为传感光纤的初始折射率；

利用补偿相位并结合传感光纤材料初始折射率n_s0、激光在传感光纤中传输实际路径的总初始几何长度L_s0、传感光纤折射率温度系数

传感光纤线性膨胀系数

进行计算，可得传感光纤所处环境的温度变化。

基于上述技术方案建立实验装置，实验装置双模LD激光器，采用利用仿真软件进行模拟仿真，为简单起见，我们这里仅考虑幅度相同的双模LD激光自混合信号的强度叠加波形，具体的仿真参数如下：op₀＝29032.50mm，δop_c＝0mm，k₀＝9.378×10⁶，L_s0＝20.00m，n_s＝1.45，n_g0＝3.5，L₀＝300um时，温度变化为3.5℃。

仿真模拟如图2所示，从图2可以看出，当温度为T₁℃时，此时激光器外腔初始光程为29032.50mm，为n_gL₀的整数倍，m＝27650，此时激光自混合信号波形不发生分立。当传感单元环境温度增加3.5℃后，环境温度变化导致传感单元光程发生微小变动，重叠后激光自混合信号波形发生分立，此时微调补偿外腔长度为0.33mm，激光器外腔光程再次成为n_gL₀的整数倍，m＝27650，叠加后的激光自混合信号波形分立消失，通过测量补偿光程，最终获得传感单元环境温度变化，实现环境温度测量。

由公式(7)可进一步获得温度传感器外腔变化灵敏度S_mLc和邻级温度差ΔT_m。S_mLc和ΔT_m均是由传感光纤长度、材料折射率及光纤折射率温度系数、光纤线性膨胀系数共同决定的。其中，外腔变化灵敏度S_mLc是指单位温度变化引起的补偿外腔长度变化，邻级温度差ΔT_m是指温度T₂(变化后)引起的外腔等相位点位置(m+1级)与温度T₁(变化前)外腔等相位点位置(m级)所对应的邻级温度差值。一般而言，在环境温度测量过程中，如果连续两次测量间隔中的测量温差大于邻级温度差ΔT_m，须记录连续两次测量间隔中自混合信号波形变化周期数即m值的改变量，通过调节补偿外腔长度，使激光自混合信号波形恢复到第m级对应的信号波形重合位置。

式(13)和(14)为外腔变化灵敏度S_mLc和邻级温度差ΔT_m表达式：

采用本实施例所述的装置进行温度测量时，具有以下优点：

1.测量装置的传感单元为无源光学传感器,本身无需供电；

2.测试装置体积较小，成本较低；

3.能够实现非接触实时高精度测量；

4.测量装置光路为单光路，受环境干扰小且结构简单、调节光路方便；

5.可通过传感单元参数设计及选择不同外腔测量工具调节温度测量灵敏度和分辨率。

为了提高本实施例所述的测量装置性能，对装置可以进行以下改进：

1.在分光元件5与振动目标3之间的光路上增加光衰减器9，通过光衰减器9，调节光反馈光的强度。

2.多纵模激光器1采用半导体激光器，利用半导体激光器的特点，将光电二极管集成于半导体激光器内实现光电探测器的功能，从而使得整个装置的光路得以简化，去掉分光元件和光电探测器。

3.为了提高出射激光的准直性能，传感光纤21的另一端连接准直器10，通过准直器10保证激光平行出射至振动目标上。

结合图3和图4，详细说明本发明的实施例2，但不对本发明的权利要求做任何限定。

如图3所示，一种基于多纵模自混合效应的电压传感测量装置，包括含尾纤的多纵模激光器1、传感单元2、振动目标3、滑动装置4、分光元件5、光电探测器6、信号预处理单元7和信号处理单元8；振动目标3能够发生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构；传感单元2包括圆柱形压电陶瓷22和传感光纤21，压电陶瓷22由被测的电压源控制，传感光纤21缠绕在压电陶瓷22上；多纵模激光器用于出射激光，多纵模激光器1的尾纤与传感光纤21的一端相连，传感光纤21另一端出射的激光入射到振动目标的振动面上，经反射结构反射后沿原路反馈回多纵模激光器1谐振腔内，形成激光自混合信号；振动目标3底部固定于滑动装置4上，通过调节滑动装置4能够使振动目标沿出射激光方向发生移动；分光元件5采用耦合器，用于将激光自混合信号分束到光电探测器6上；光电探测器6用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元7；信号预处理单元7用于对接收到的电信号进行预处理，预处理至少包括整形、放大、滤波；信号处理单元8用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得传感单元压电陶瓷22的电压。

上述装置中：

1.滑动装置4包括滑轨41及设于滑轨上的滑块42，振动目标底部固定于滑块42上；滑轨41与出射激光处于同一直线上；

2.反射结构可以为反射平面镜，也可以为反射膜等具有散射特性或者反射特性材料；

3.振动目标3可以采用由信号发生器31驱动的扬声器32或者压电陶瓷，图3中分别用实线和虚线表示的两个扬声器32，分别代表扬声器随滑动装置滑动时滑动前和滑动后的位置；

4.信号处理单元8可以为计算机、示波器或者频谱仪。

基于上述测量装置的电压测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光器出射激光到振动目标上，出射激光经反射结构反射后，反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，上述过程中压电陶瓷的电压发生改变，导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿出射激光所在光路方向发生微移，以改变振动目标距离多纵模激光器的距离，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出传感单元压电陶瓷的电压，具体测量分析方法如下：

对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：

式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I₀为初始光强，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，φ_tj为j模式激光在外腔往返一周的相位，φ_tj(t)为j模式激光在外腔往返一周的实时相位，k_0j为真空中j模式的波数，op_t(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共轭,计算中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：

式(2)中φ_0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφ_sj为电压变化引起的传感单元相位变化，δφ_cj为补偿相位变化，测电压时，δφ_sj＝-δφ_cj，op₀为激光器外腔初始光程，δop_s为电压变化引起的传感单元光程变化，δop_c为补偿光程变化，n_c为外腔空气折射率，其值为1，n_s为传感光纤的折射率，L_s为激光在传感光纤中传输的实际路径的总几何长度，L_c为补偿长度，δ(n_sL_s)为电压变化引起的传感单元光程变化,δ(n_cL_c)为补偿光程变化；

式(3)中ω₀为激光的角频率，c为真空中的光速，n_g为激光器谐振腔介质群折射率，L₀为激光器谐振腔腔长；

将式(3)代入式(1)得：

如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍：

φ_tj＝k_0jop_t＝2mk_0jn_gL₀＝mφ_gj 式(5)

即：

op_t＝2mn_gL₀ 式(6)

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φ_gj为激光在激光器谐振腔内往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波形分立，从式(5)可知，当施加在压电陶瓷上的电压改变时，光在传感光纤传输时的相位会发生改变，导致各个模式的φ_tj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变外界反馈物位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波形，再通过测量外界反馈物位置得到补偿相位变化δφ_cj，进而获得电压变化引起的传感单元相位变化δφ_sj，这里，压电陶瓷上的电压变化引起传感单元相位变化δφ_sj的关系如下式所示：

式(8)中，L_s0为激光在传感光纤中传输的实际路径的总初始几何长度，n_s0为传感光纤中的初始折射率，n_s为传感光纤中的折射率，

为传感光纤的应变系数，ν为激光输出频率，a为传感光纤半径，

为由于传感光纤半径变化导致的折射率变化，单模光纤中此值忽略不计，因此，应变引起的相位变化可表示为下式：

δφ_sj＝k_0jn_s0ξL_s0ε 式(9)

对于圆柱形压电陶瓷，由于施加在压电陶瓷上的电压变化导致的应变变化可表示为

其中，U为施加在压电陶瓷上的电压，r为圆柱形压电陶瓷的半径，d₃₃为压电系数，则由压电陶瓷上的电压引起的相位延迟可表示为：

利用补偿光程并结合传感光纤材料初始折射率n_s0、激光在传感光纤中传输实际路径的总初始几何长度L_s0、压电系数d₃₃、传感光纤应变系数ξ和压电陶瓷半径r进行计算，可得施加在传感单元压电陶瓷上的电压。

基于上述技术方案建立实验装置，实验装置双模LD激光器，采用利用仿真软件进行模拟仿真，为简单起见，我们这里仅考虑幅度相同的双模LD激光自混合信号的强度叠加波形，具体的仿真参数如下：op₀＝54705.00mm，δop_c＝0mm，L_s0＝37.68m，n₁＝1.45，n_g＝3.5，L₀＝300um，r＝3cm，d₃₃＝250pm/v，电压升高40V。

仿真模拟如图4所示，从图4可以看出，当电压为0时，此时激光器外腔初始光程为54705.00m，为n_gL₀的整数倍，m＝52100，此时激光自混合信号波形不发生分立。当传感单元电压增加40V后，电压变化导致传感单元光程发生微小变动，重叠后激光自混合信号波形发生分立，此时微调补偿外腔长度为0.686mm，激光器外腔光程再次成为n_gL₀的整数倍，m＝52100，叠加后的激光自混合信号波形分立消失，通过测量补偿光程，最终获得传感单元电压变化，实现电压测量。

由公式(8)可进一步获得电压传感器相位变化灵敏度S_mLc和邻级电压差ΔU_m。S_mLc和ΔU_m均是由传感单元光纤材料折射率、传感单元光纤长度、压电常数和光纤应变系数共同决定的。其中，外腔变化灵敏度S_mLc是指单位电压变化引起的补偿外腔长度变化，邻级温度差ΔU_m是指电压U₂(变化后)引起的外腔等相位点位置(m+1级)与电压U₁(变化前)外腔等相位点位置(m级)所对应的邻级电压差值。一般而言，在电压测量过程中，如果连续两次测量间隔中的测量电压差大于邻级电压差ΔU_m，须记录连续两次测量间隔中自混合信号波形变化周期数即m值的改变量，通过调节补偿外腔长度，使激光自混合信号波形恢复到第m级对应的信号波形重合位置。

式(15)和(16)为外腔变化灵敏度S_mLc和邻级电压差ΔU_m表达式：

采用本实施例所述的装置进行电压测量时，具有以下优点：

1.测量装置的传感单元为无源光学传感器,本身无需供电；

2.测试装置体积较小，成本较低；

3.能够实现非接触实时高精度测量；

4.测量装置光路为单光路，受环境干扰小且结构简单、调节光路方便；

5.可通过传感单元参数设计及选择不同外腔测量工具调节电压测量灵敏度和分辨率。

为了提高本实施例所述的测量装置性能，对装置可以进行以下改进：

1.在分光元件5与振动目标3之间的光路上增加光衰减器9，通过光衰减器9，调节光反馈光的强度。

2.多纵模激光器1采用半导体激光器，利用半导体激光器的特点，将光电二极管集成于半导体激光器内实现光电探测器的功能，从而使得整个装置的光路得以简化，去掉分光元件和光电探测器。

3.为了提高出射激光的准直性能，传感光纤的另一端连接准直器10，通过准直器10保证激光平行出射至振动目标上。

结合图5和图6，详细说明本发明的实施例3，但不对本发明的权利要求做任何限定。

如图5所示，一种基于多纵模自混合效应的磁场传感测量装置，包括含尾纤的多纵模激光器1、传感单元2、振动目标3、滑动装置4、分光元件5、光电探测器6、信号预处理单元7和信号处理单元8；振动目标3能够发生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构；传感单元2包括磁滞伸缩材料23和传感光纤21，磁滞伸缩材料23置于待测磁场内，传感光纤21固定在磁滞伸缩材料23上；多纵模激光器1用于出射激光，多纵模激光器的尾纤与传感光纤21的一端相连，传感光纤21另一端出射的激光入射到振动目标3的振动面上，经反射结构反射后沿原路反馈回多纵模激光器1谐振腔内，形成激光自混合信号；振动目标3底部固定于滑动装置4上，通过调节滑动装置4能够使振动目标沿出射激光方向发生移动；分光元件5采用耦合器，用于将激光自混合信号分束到光电探测器6上；光电探测器6用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元7；信号预处理单元7用于对接收到的电信号进行预处理，预处理至少包括整形、放大、滤波；信号处理单元8用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得磁滞伸缩材料所处待测磁场的磁场强度。

上述装置中：

1.滑动装置4包括滑轨41及设于滑轨上的滑块42，振动目标底部固定于滑块42上；滑轨41与出射激光处于同一直线上；

2.反射结构可以为反射平面镜，也可以为反射膜等具有散射特性或者反射特性材料；

3.振动目标3可以采用由信号发生器31驱动的扬声器32或者压电陶瓷，图5中分别用实线和虚线表示的两个扬声器32，分别代表扬声器随滑动装置滑动时滑动前和滑动后的位置；

4.信号处理单元8可以为计算机、示波器或者频谱仪。

基于上述测量装置的磁场测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光器出射激光到振动目标上，出射激光经反射结构反射后，反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，上述过程中待测磁场发生改变，导致磁滞伸缩材料发生改变，进而导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿出射激光所在光路方向发生微移，以改变振动目标距离多纵模激光器的距离，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出磁滞伸缩材料所处待测磁场的磁场强度，具体测量分析方法如下：

对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：

式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I₀为初始光强，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，φ_tj为j模式激光在外腔往返一周的相位，φ_tj(t)为j模式激光在外腔往返一周的实时相位，k_0j为真空中j模式的波数，op_t(t)为激光器实时外腔总光程c.c.表示前面公式的复共轭,计算中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：

式(2)中φ_0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφ_sj为磁场变化引起的传感单元相位变化，δφ_cj为补偿相位变化，测磁场时，δφ_sj＝-δφ_cj，op₀为激光器外腔初始光程，δop_s为磁场变化引起的传感单元光程变化，δop_c为补偿光程变化，n_c为外腔空气折射率，其值为1，n_s为传感光纤的折射率，L_s为激光在传感光纤中传输的实际路径的总几何长度，L_c为补偿长度，δ(n_sL_s)为磁场变化引起的传感单元光程变化,δ(n_cL_c)为补偿光程变化；

式(3)中ω₀为激光的角频率，c为真空中的光速，n_g为激光器谐振腔介质群折射率，L₀为激光器谐振腔腔长；

将式(3)代入式(1)得：

如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍：

φ_tj＝k_0jop_t＝2mk_0jn_gL₀＝mφ_gj 式(5)

即：

op_t＝2mn_gL₀ 式(6)

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φ_gj为激光在激光器谐振腔内往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波形分立，从式(5)可知，当待测磁场强度改变时，光在传感光纤传输时的相位会发生改变，导致各个模式的φ_tj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变外界反馈物位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波形，再通过测量外界反馈物位置得到补偿相位变化δφ_cj，进而获得磁场变化引起的传感单元相位变化δφ_sj，这里，磁滞伸缩材料的应变引起传感单元相位变化δφ_sj的关系如下式所示：

式(8)中，L_s0为激光在传感光纤中传输的实际路径的总初始几何长度，n_s0为传感光纤中的初始折射率，n_s为传感光纤中的折射率，

为传感光纤的应变系数，ν为激光输出频率，a为传感光纤半径，

为由于传感光纤半径变化导致的折射率变化，单模光纤中此值忽略不计，因此，应变引起的相位变化可表示为下式：

δφ_sj＝k_0jn_s0ξL_s0ε 式(9)

由于待测磁场的变化导致磁感材料的应变变化可表示为ε＝CH²，其中C为磁滞伸缩材料的伸缩系数，H为磁场强度，则由磁场变化导致的相位延迟可表示为：

δφ_sj＝k_0jn_s0ξCH²L_s0 式(11)

利用补偿光程并结合传感光纤材料初始折射率n_s0、激光在传感光纤中传输的实际路径总初始几何长度L_s0、磁滞伸缩材料的伸缩系数C和传感光纤应变系数ξ进行计算，可得磁感材料所处待测磁场的磁场强度。

基于上述技术方案建立实验装置，实验装置双模LD激光器，采用利用仿真软件进行模拟仿真，为简单起见，我们这里仅考虑幅度相同的双模LD激光自混合信号的强度叠加波形，具体的仿真参数如下：op₀＝14574.00mm，δop_c＝0mm，L_s0＝10m，n₁＝1.45，n_g＝3.5，L₀＝300um，C＝6.9×10^-15A^-2m^-2，磁场强度升高30k A/m。

仿真模拟如图6所示，从图6可以看出，当磁场强度为0时，此时激光器外腔初始光程为14574.00mm，为n_gL₀的整数倍，m＝13880，此时激光自混合信号波形不发生分立。当传感单元磁场强度增加30k A/m，磁场强度变化导致传感单元光程发生微小变动，重叠后激光自混合信号波形发生分立，此时微调补偿外腔长度为0.727mm，激光器外腔光程再次成为n_gL₀的整数倍，m＝13880，叠加后的激光自混合信号波形分立消失，通过测量补偿光程，最终获得传感单元磁场变化，实现磁场测量。

由公式(8)可进一步获得磁场传感器相位变化灵敏度S_mLc和邻级磁场强度差ΔH_m。S_mLc和ΔH_m均是由传感单元光纤材料折射率、传感单元光纤长度、磁滞伸缩材料的伸缩系数和光纤应变系数共同决定的。其中，外腔变化灵敏度S_mLc是指单位磁场强度变化引起的补偿外腔长度变化，邻级磁场强度差ΔH_m是指磁场强度H₂(变化后)引起的外腔等相位点位置(m+1级)与磁场强度H₁(变化前)外腔等相位点位置(m级)所对应的邻级磁场强度差值。一般而言，在磁场测量过程中，如果连续两次测量间隔中的测量磁场强度差大于邻级磁场强度差ΔH_m，须记录连续两次测量间隔中自混合信号波形变化周期数即m值的改变量，通过调节补偿外腔长度，使激光自混合信号波形恢复到第m级对应的信号波形重合位置。

式(17)和(18)为外腔变化灵敏度S_mLc和邻级磁场强度差ΔH_m表达式：

采用本实施例所述的装置进行磁场强度测量时，具有以下优点：

1.测量装置的传感单元为无源光学传感器,本身无需供电；

2.测试装置体积较小，成本较低；

3.能够实现非接触实时高精度测量；

4.测量装置光路为单光路，受环境干扰小且结构简单、调节光路方便；

5.可通过传感单元参数设计及选择不同外腔测量工具调节磁场强度测量灵敏度和分辨率。为了提高本实施例所述的测量装置性能，对装置可以进行以下改进：

1.在分光元件5与振动目标3之间的光路上增加光衰减器9，通过光衰减器9，调节光反馈光的强度。

2.多纵模激光器1采用半导体激光器，利用半导体激光器的特点，将光电二极管集成于半导体激光器内实现光电探测器的功能，从而使得整个装置的光路得以简化，去掉分光元件和光电探测器；

3.为了提高出射激光的准直性能，传感光纤的另一端连接准直器10，通过准直器10保证激光平行出射至振动目标上。

结合图7和图8，详细说明本发明的实施例4，但不对本发明的权利要求做任何限定。

如图7所示，一种基于多纵模自混合效应的应变传感测量装置，包括含尾纤的多纵模激光器1、传感单元2、振动目标3、滑动装置4、分光元件5、光电探测器6、信号预处理单元7和信号处理单元8；振动目标3能够发生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构；传感单元2包括第一平台24、第二平台25和传感光纤21；第一平台24和第二平台25沿应变变化方向顺序设置，第一平台24固定不动，第二平台25能够相对第一平台24沿应变变化方向移动，传感光纤21的中段均匀粘贴在第一平台24和第二平台25上；多纵模激光器1用于出射激光，多纵模激光器的尾纤与传感光纤21的一端相连，传感光纤21另一端出射的激光入射到振动目标3的振动面上，经反射结构反射后沿原路反馈回多纵模激光器1谐振腔内，形成激光自混合信号；振动目标3底部固定于滑动装置上，通过调节滑动装置4能够使振动目标沿出射激光方向发生移动；分光元件5采用耦合器，用于将激光自混合信号分束到光电探测器6上；光电探测器6用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元7；信号预处理单元7用于对接收到的电信号进行预处理，预处理至少包括整形、放大、滤波；信号处理单元8用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得第二平台25移动引起的传感光纤21的应变变化。

上述装置中：

1.滑动装置4包括滑轨41及设于滑轨41上的滑块42，振动目标底部固定于滑块42上；滑轨41与出射激光处于同一直线上；

2.反射结构可以为反射平面镜，也可以为反射膜等具有散射特性或者反射特性材料；

3.振动目标3可以采用由信号发生器31驱动的扬声器32或者压电陶瓷，图7中分别用实线和虚线表示的两个扬声器32，分别代表扬声器随滑动装置滑动时滑动前和滑动后的位置；

4.信号处理单元8可以为计算机、示波器或者频谱仪。

基于上述测量装置的应变测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光器出射激光到振动目标上，出射激光经反射结构反射后，反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，上述过程中第二平台相对第一平台发生移动，导致传感光纤发生应变变化，进而导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿出射激光所在光路方向发生微移，以改变振动目标距离多纵模激光器的距离，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出第二平台移动引起的传感光纤的应变变化，具体测量分析方法如下：

对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：

式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I₀为初始光强，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，φ_tj为j模式激光在外腔往返一周的相位，φ_tj(t)为j模式激光在外腔往返一周的实时相位，k_0j为真空中j模式的波数，op_t(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共轭,计算中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：

式(2)中φ_0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφ_sj为应变引起的传感单元相位变化，δφ_cj为补偿相位变化，测应变时，δφ_sj＝-δφ_cj，op₀为激光器外腔初始光程，δop_s为应变引起的传感单元光程变化，δop_c为补偿光程变化，n_c为外腔空气折射率，其值为1，n_s为传感光纤的折射率，L_s为激光在传感光纤中传输的实际路径的总几何长度，L_c为补偿长度，δ(n_sL_s)为应变引起的传感单元光程变化,δ(n_cL_c)为补偿光程变化；

式(3)中ω₀为激光的角频率，c为真空中的光速，n_g为激光器谐振腔介质群折射率，L₀为激光器谐振腔腔长；

将式(3)代入式(1)得：

如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍：

φ_tj＝k_0jop_t＝2mk_0jn_gL₀＝mφ_gj 式(5)

即：

op_t＝2mn_gL₀ 式(6)

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φ_gj为激光在激光器谐振腔内往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波形分立，从式(5)可知，当传感光纤所受应变改变时，光在传感光纤传输时的相位会发生改变，导致各个模式的φ_tj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变外界反馈物位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波形，再通过测量外界反馈物位置得到补偿相位变化δφ_cj，进而获得传感光纤应变引起的传感单元相位变化δφ_sj，这里，由传感单元应变引起的传感单元相位变化与应变的关系如下式所示：

式(8)中，ε为应变，L_s0为激光在传感光纤中传输的实际路径的总初始几何长度，n_s0为传感光纤中的初始折射率，n_s为传感光纤中的折射率，

为传感光纤的应变系数，ν为激光输出频率，a为传感光纤半径，

为由于传感光纤半径变化导致的折射率变化，单模光纤中此值忽略不计，因此，应变引起的相位变化可表示为下式：

δφ_sj＝k_0jn_s0ξL_s0ε 式(9)

利用补偿相位并结合传感光纤材料初始折射率n_s0、激光在传感光纤中传输实际路径的总初始几何长度L_s0、传感光纤应变系数ξ进行计算，可得施加在传感光纤上的应变变化。

基于上述技术方案建立实验装置，实验装置双模LD激光器，采用利用仿真软件进行模拟仿真，为简单起见，我们这里仅考虑幅度相同的双模LD激光自混合信号的强度叠加波形，具体的仿真参数如下：op₀＝29032.50mm,δop_c＝0mm，k₀＝9.378×10⁶，L_s0＝20.00m，n_s0＝1.45，n_g＝3.5，L₀＝300μm时，应变为13×10^-6。

仿真模拟如图8所示，从图8可以看出，当应变为0时，此时激光器外腔初始光程为29032.50mm,为n_gL₀的整数倍，m＝27650,此时激光自混合信号波形不发生分立。当传感单元光纤应变增加15×10^-6时，光纤应变变化导致传感单元相位发生微小变动，重叠后的激光自混合信号波形发生分立，此时我们微调补偿外腔长度为0.3mm,此时激光器外腔相位再次成为φ_g的整数倍，m＝27650,叠加后的激光自混合信号波形分立消失，通过测量补偿相位，最终获得相应传感单元光纤应变的变化，实现对激光器传感单元应变的测量。

由公式(9)可以进一步获得该微应变传感器外腔变化灵敏度S_mLc和邻级应变差Δε_m，S_mLc和Δε_m均是由传感单元光纤长度、材料折射率及光纤应变系数，泊松比，应变光学常数共同决定的。其中，外腔变化灵敏度S_mLc是指单位应变变化引起的补偿外腔长度变化。邻级应变差Δε_m是指应变ε₂(变化后)引起的外腔等相位点位置(m+1级)与微应变ε₁(变化前)外腔等相位点位置(m级)所对应的邻级应变差值。一般而言，在应变测量过程中，如果连续两次测量间隔中的测量应变差大于邻级应变差Δε_m，须记录连续两次测量间隔中自混合信号波形变化周期数即m值的改变量，通过调节补偿外腔长度，使激光自混合信号波形恢复到第m级对应的信号波形重合位置。

式(19)和(20)为外腔变化灵敏度S_mLc和邻级应变差Δε_m表达式：

采用本实施例所述的装置进行应变测量时，具有以下优点：

1.测量装置的传感单元为无源光学传感器,本身无需供电；

2.测试装置体积较小，成本较低；

3.能够实现非接触实时高精度测量；

4.测量装置光路为单光路，受环境干扰小且结构简单、调节光路方便；

5.可通过传感单元参数设计及选择不同外腔测量工具调节应变测量灵敏度和分辨率。

为了提高本实施例所述的测量装置性能，对装置可以进行以下改进：

1.在分光元件5与振动目标3之间的光路上增加光衰减器9，通过光衰减器9，调节光反馈光的强度。

2.多纵模激光器1采用半导体激光器，利用半导体激光器的特点，将光电二极管集成于半导体激光器内实现光电探测器的功能，从而使得整个装置的光路得以简化，去掉分光元件和光电探测器；

3.为了提高出射激光的准直性能，传感光纤21的另一端连接准直器10，通过准直器10保证激光平行出射至振动目标上。

结合图9和图10，详细说明本发明的实施例5，但不对本发明的权利要求做任何限定。

如图9所示，一种基于多纵模自混合效应的液体浓度传感测量装置，包括多纵模激光器1、传感单元2、反射镜组件27、振动目标3、滑动装置4、分光元件5、光电探测器6、信号预处理单元7和信号处理单元8，振动目标3能够发生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构；传感单元包括液体池26，液体池26内充有待测浓度的液体；多纵模激光器1用于出射激光，多纵模激光器出射的激光进入液体池26并经多次反射后从液体池26内射出，射出的激光经反射镜组件27入射到振动目标3的振动面上，入射到振动面上的激光经反射结构反射后沿原路反馈回多纵模激光器1谐振腔内，形成激光自混合信号；振动目标3底部固定于滑动装置4上，通过调节滑动装置4能够使振动目标沿出射激光方向发生移动；分光元件5采用分束器，用于将激光自混合信号分束到光电探测器6上；光电探测器6用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元7；信号预处理单元7用于对接收到的电信号进行预处理，预处理至少包括整形、放大、滤波；信号处理单元8用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得液体池液体的浓度变化。

上述装置中：

1.滑动装置4包括滑轨41及设于滑轨41上的滑块42，振动目标3底部固定于滑块42上；滑轨41与出射激光处于同一方向上；

2.反射结构可以为反射平面镜，也可以为反射膜等具有散射特性或者反射特性材料；

3.振动目标3可以采用由信号发生器31驱动的扬声器32或者压电陶瓷，图9中分别用实线和虚线表示的两个扬声器32，分别代表扬声器随滑动装置滑动时滑动前和滑动后的位置；

4.信号处理单元8可以为计算机、示波器或者频谱仪。

基于上述测量装置的液体浓度测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光器出射激光到振动目标上，出射激光经反射结构反射后，反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，上述过程中液体池液体浓度发生改变，导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿出射激光所在光路方向发生微移，以改变振动目标距离多纵模激光器的距离，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出液体池液体的浓度变化，具体测量分析方法如下：

对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：

式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I₀为初始光强，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，φ_tj为j模式激光在外腔往返一周的相位，φ_tj(t)为j模式激光在外腔往返一周的实时相位，k_0j为真空中j模式的波数，op_t(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共轭,计算中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：

式(2)中φ_0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφ_sj为液体浓度变化引起的传感单元相位变化，δφ_cj为补偿相位变化，测浓度时，δφ_sj＝-δφ_cj，op₀为激光器外腔初始光程，δop_s为液体浓度变化引起的传感单元光程变化，δop_c为补偿光程变化，n_c为外腔空气折射率，其值为1，n_s为液体池液体的折射率，L_s激光在液体池中传输的实际路径的总几何长度，L_c为补偿长度，δ(n_sL_s)为液体浓度变化引起的传感单元光程变化,δ(n_cL_c)为补偿光程变化；

式(3)中ω₀为激光的角频率，c为真空中的光速，n_g为激光器谐振腔介质群折射率，L₀为激光器谐振腔腔长；

将式(3)代入式(1)得：

如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍：

φ_tj＝k_0jop_t＝2mk_0jn_gL₀＝mφ_gj 式(5)

即：

op_t＝2mn_gL₀ 式(6)

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φ_gj为激光在激光器谐振腔内往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波形分立，从式(5)可知，当液体池液体浓度改变时，光在传感光纤传输时的相位会发生改变，导致各个模式的φ_tj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变外界反馈物位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波形，再通过测量外界反馈物位置得到补偿相位变化δφ_cj，进而获得液体池内由浓度变化引起的传感单元相位变化δφ_sj，这里，由液体池液体浓度变化引起的传感单元相位变化与浓度变化量的关系如下式所示：

式(12)中，δc为浓度变化量，

为浓度变化引起的折射率变化系数，L_s0为激光在液体池中传输的实际路径的总初始几何长度；

利用补偿相位并结合激光在液体池中传输实际路径的总初始几何长度L_s0和浓度变化引起的折射率变化系数

进行计算，可得液体浓度变化量。

基于上述技术方案建立实验装置，实验装置双模LD激光器，采用利用仿真软件进行模拟仿真，为简单起见，我们这里仅考虑幅度相同的双模LD激光自混合信号的强度叠加波形，具体的仿真参数如下：op₀＝84000.00mm，δop_c＝0mm，L_s0＝60.00m，n_g＝3.5，L₀＝300um，L_c＝83920.32mm；初始质量浓度c＝0ppm，初始折射率n_s＝1.328，浓度升高35.0ppm。

仿真模拟如图10所示，从图10可以看出，此时激光器外腔初始光程为84000.00mm,为n_gL₀的整数倍，m＝80000，此时激光自混合信号波形不发生分立。当质量浓度增加35.0ppm后，导致传感单元光程发生微小变动，重叠后激光自混合信号波形发生分立，此时微调补偿外腔长度为0.39mm，激光器外腔光程再次成为n_gL₀的整数倍，m＝80000，叠加后的激光自混合信号波形分立消失，通过测量补偿光程，最终获得传感单元浓度变化，实现浓度测量。

由公式(12)可进一步获得浓度传感器外腔变化灵敏度S_mLc和邻级浓度差Δc_m。S_mLc和Δc_m均是由

决定的。其中，外腔变化灵敏度S_mLc是指单位浓度变化引起的补偿外腔长度变化，邻级浓度差Δc_m是指浓度c₂(变化后)引起的外腔等相位点位置(m+1级)与浓度c₁(变化前)外腔等相位点位置(m级)所对应的邻级浓度差值。一般而言，在浓度测量过程中，如果连续两次测量间隔中的测量浓度差大于邻级浓度差Δc_m，须记录连续两次测量间隔中自混合信号波形变化周期数即m值的改变量，通过调节补偿外腔长度，使激光自混合信号波形恢复到第m级对应的信号波形重合位置。

式(21)和(22)为外腔变化灵敏度S_mLc和邻级浓度差Δc_m表达式：

采用本实施例所述的装置进行浓度测量时，具有以下优点：

1.测量装置的传感单元为无源光学传感器,本身无需供电；

2.测试装置体积较小，成本较低；

3.能够实现非接触实时高精度测量；

4.测量装置光路为单光路，受环境干扰小且结构简单、调节光路方便；

5.可通过传感单元参数设计及选择不同外腔测量工具调节浓度测量灵敏度和分辨率。

为了提高本实施例所述的测量装置性能，对装置可以进行以下改进：

1.在分光元件5与振动目标3之间的光路上增加光衰减器9，通过光衰减器9，调节光反馈光的强度。

2.多纵模激光器采用半导体激光器，利用半导体激光器的特点，将光电二极管集成于半导体激光器内实现光电探测器的功能，从而使得整个装置的光路得以简化，去掉分光元件和光电探测器。

综上所述，本发明具有以下优点：

1.测量装置的传感单元为无源光学传感器,本身无需供电；

2.测试装置体积较小，成本较低；

3.能够实现非接触实时高精度测量；

4.测量装置光路为单光路，受环境干扰小且结构简单、调节光路方便；

5.可通过传感单元参数设计及选择不同外腔测量工具调节测量灵敏度和分辨率。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于多纵模自混合效应的温度传感测量装置，其特征在于：包括含尾纤的多纵模激光器、传感单元、振动目标、滑动装置、分光元件、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元；

所述振动目标能够发生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构；

所述传感单元包括传感光纤，所述传感光纤置于待测温度的环境内；

所述多纵模激光器用于出射激光，所述多纵模激光器的尾纤与传感光纤的一端相连，所述传感光纤另一端出射的激光入射到振动目标的振动面上，经反射结构反射后沿原路反馈回多纵模激光器谐振腔内，形成激光自混合信号；

所述振动目标底部固定于滑动装置上，通过调节滑动装置能够使振动目标沿出射激光所在光路方向发生移动；

所述分光元件为耦合器，用于将激光自混合信号分束到光电探测器上；

所述光电探测器用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元；

所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理包括整形、放大、滤波；

所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得传感光纤所处环境的温度变化。

2.基于权利要求1所述的基于多纵模自混合效应的温度传感测量装置的温度测量方法，其特征在于：振动目标发生振动，多纵模激光器出射激光到振动目标上，出射激光经反射结构反射后，反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，上述过程中传感单元所处环境温度发生改变，导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿出射激光所在光路方向发生微移，以改变振动目标距离多纵模激光器的距离，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出传感光纤所处环境的温度变化，具体测量分析方法如下：

对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：

式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I₀为初始光强，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，φ_tj为j模式激光在外腔往返一周的相位，φ_tj(t)为j模式激光在外腔往返一周的实时相位，k_0j为真空中j模式的波数，op_t(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共轭,计算中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：

式(2)中φ_0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφ_sj为环境温度变化引起的传感单元相位变化，δφ_cj为补偿相位变化，测温时，δφ_sj＝-δφ_cj，op₀为激光器外腔初始光程，δop_s为环境温度变化引起的传感单元光程变化，δop_c为补偿光程变化，n_c为外腔空气折射率，其值为1，n_s为传感光纤的折射率，L_s为激光在传感光纤中传输的实际路径的总几何长度，L_c为补偿长度，δ(n_sL_s)为环境温度变化引起的传感单元光程变化,δ(n_cL_c)为补偿光程变化；

式(3)中ω₀为激光的角频率，c为真空中的光速，n_g为激光器谐振腔介质群折射率，L₀为激光器谐振腔腔长；

将式(3)代入式(1)得：

如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍：

φ_tj＝k_0jop_t＝2mk_0jn_gL₀＝mφ_gj 式(5)

即：

op_t＝2mn_gL₀ 式(6)

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φ_gj为激光在激光器谐振腔内往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波形分立，从式(5)可知，当传感光纤所处环境温度改变时，光在传感光纤传输时的相位会发生改变，导致各个模式的φ_tj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变外界反馈物位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波形，再通过测量外界反馈物位置得到补偿相位变化δφ_cj，进而获得环境温度变化引起的传感单元相位变化δφ_sj，这里，环境温度变化引起传感单元相位变化δφ_sj的关系如下式所示：

式(7)中

为传感光纤折射率温度系数，

为传感光纤线性膨胀系数，L_s0为激光在传感光纤中传输的实际路径的总初始几何长度，n_s0为传感光纤的初始折射率；

利用补偿相位并结合传感光纤材料初始折射率n_s0、激光在传感光纤中传输实际路径的总初始几何长度L_s0、传感光纤折射率温度系数

传感光纤线性膨胀系数

进行计算，可得传感光纤所处环境的温度变化。

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