CN112985476A - 一种光纤干涉型传感器静态工作点调整装置和方法 - Google Patents

一种光纤干涉型传感器静态工作点调整装置和方法 Download PDF

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Abstract

本案公开了一种光纤干涉型传感器静态工作点调整装置和方法,所述装置包括了激光器,用于发出波长可调的光信号;1×2光纤耦合器用于将激光器发出的光信号分为两部分输出;2×2光纤耦合器与所述1×2光纤耦合器相连,用于接收两部分光信号并再分为两路信号输出;第一光电探测器和第二光电探测器分别对应接收一路信号;微处理器,用于对接收到的两路信号进行处理并向激光器驱动发出波长控制信号;所述激光器驱动控制调节激光器所发出光信号的波长。本发明利用简单的调整装置实现了传感器静态工作点的调整,使得传感器处于高灵敏度工作区间,调整过程实时性强,保证了传感器静态工作点调整的准确性和高效性。

Description

一种光纤干涉型传感器静态工作点调整装置和方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域,具体的,本发明涉及一种光纤干涉型传感器静态工作点调整装置和方法。
背景技术
光纤干涉型传感器对比传统的电子传感器,在测量方面具有体积小、结构紧凑、监测方式简单、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、使用和维护的成本低、安全等优势。光纤干涉传感器的干涉光谱为余弦函数,通常来说,当静态工作点处于余弦曲线斜率最大的位置处即中间位置时,信号灵敏度最大。若静态工作点偏离中间位置,甚至位于余弦曲线顶部或底部位置时,传感器的灵敏度会降低,影响信号测量的准确性。目前,较常采用示波器对传感器静态工作点进行观测。这种方法需要人工调试,受人为因素影响较大,效率较低,不利于大规模的生产。
在公开号为CN107907203A的中国发明中,公开了一种光纤F-P腔式声波传感器的调解方法,利用快速采样光谱仪对受到声波调制的光纤F-P腔的瞬态绝对光程差进行实时测量,然后反演计算光程差,实现对声波的高灵敏度、大线性动态范围的测量并不受静态工作点漂移的影响。但在此方法中需要通过快速傅里叶变换反演计算光程差,计算过程繁冗,使得调节过程复杂。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处,本发明的目的是提供一种光纤干涉型传感器静态工作点调整装置和方法,利用简单的调整装置实现了传感器静态工作点的调整,并且通过可见度大小对光信号波长进行切换以来调整传感器的静态工作点,使得传感器处于高灵敏度工作区间,整个装置结构简单,并且调整过程实时性强,保证了传感器静态工作点调整的准确性和高效性。
第一方面,本发明披露了一种光纤干涉型传感器静态工作点调整装置,包括:
激光器,用于发出波长可调的光信号;
耦合器组,其包括1×2光纤耦合器和2×2光纤耦合器,所述1×2光纤耦合器与所述激光器的输出端相连,用于将激光器发出的光信号分为两路光信号后输出;所述2×2光纤耦合器与所述1×2光纤耦合器的输出端相连,用于接收两路光信号并再分为两路信号后输出;
光电探测器组,其包括第一光电探测器和第二光电探测器,所述第一光电探测器和第二光电探测器分别对应接收一路信号并将接收到的对应一路信号传出;
微处理器,其与所述光电探测器组相连,用于对接收的两路信号进行处理以得到波长控制信号,并将所述波长控制信号传输至一激光器驱动;
其中,所述激光器驱动与所述激光器相连,所述激光器驱动根据所述波长控制信号控制调节所述激光器所发出的光信号的波长。
优选地,所述1×2光纤耦合器与所述激光器的输出端通过第一光纤相连。
优选地,所述2×2光纤耦合器与所述1×2光纤耦合器通过一对传感光纤相连,所述一对传感光纤包括第一传感光纤和第二传感光纤。
优选地,所述第一传感光纤的两端分别连接于1×2光纤耦合器的第一输出端口和2×2光纤耦合器的第一输入端口,所述第二传感光纤的两端分别连接于1×2光纤耦合器的第二输出端口和2×2光纤耦合器的第二输入端口。
优选地,所述2×2光纤耦合器的第一输出端口与第一光电探测器以及2×2光纤耦合器的第二输出端口与第二光电探测器之间均通过一根第二光纤相连。
优选地,所述激光器是中心波长可调谐的单色或准单色激光器。
第二方面,本发明披露了一种利用如上所述的调整装置进行光纤干涉型传感器静态工作点调整的方法,包括:
步骤S1:激光器通过第一光纤将光信号输入至1×2光纤耦合器,所述光信号被1×2光纤耦合器分为两路光信号后分别通过1×2光纤耦合器的第一输出端口和1×2光纤耦合器的第二输出端口传输至对应的第一传感光纤和第二传感光纤中;
步骤S2:两路光信号分别通过2×2光纤耦合器的第一输入端口和2×2光纤耦合器的第二输入端口到达2×2光纤耦合器并发生干涉,且2×2光纤耦合器将发生干涉后的光信号分为两路信号后通过2×2光纤耦合器的第一输出端口和2×2光纤耦合器的第二输出端口发出,而后所述两路信号分别通过对应的第二光纤传输至第一光电探测器和第二光电探测器,所述第一光电探测器和第二光电探测器分别接收两路信号的光强;
步骤S3:第一光电探测器和第二光电探测器将接收到两路信号的光强传输至微处理器,微处理器对两路信号的光强进行处理以得到可见度v,并将可见度的绝对值与设定阈值进行比较;当可见度的绝对值大于设定阈值时,执行步骤S4,当可见度的绝对值不大于设定阈值时,转至执行最终步骤,优选地所述设定值为0.8;
步骤S4:微处理器根据可见度得到波长控制信号并发送至激光器驱动,激光器驱动根据所述波长控制信号控制调节激光器所发出的光信号的波长,而后转至步骤1继续依序执行;
步骤S5:静态工作点处于安全区域,调节结束。
优选地,所述设定阈值为0.8。
优选地,可见度的计算公式如下:
Figure BDA0002595045450000031
其中:v为可见度,I1为第一光电探测器接收到的一路信号的光强,I2为第二光电探测器接收到的一路信号的光强,α为1×2光纤耦合器和2×2光纤耦合器的分光比,n为第一传感光纤和第二传感光纤的折射率,l1为第一传感光纤的长度,l2为第二传感光纤的长度,λ为激光器发出的光信号的波长。
优选地,1×2光纤耦合器和2×2光纤耦合器的分光比为0.5。
另一方面,本发明还要求保护一种光纤干涉型传感器,该光纤干涉型传感器包括马赫曾德干涉仪器和/或光纤模间干涉仪,所述马赫曾德干涉仪器和/或光纤模间干涉仪具有如前所述的静态工作点调整的装置,并采用前述的方法进行静态工作点调整。
本发明的有益效果是:
1)在本发明中,调整装置设有两个光电探测器来检测两路信号的光强,使得传感器的灵敏度得到翻倍提高,并且整个装置结构简单紧凑,还能够抗电磁干扰,有利于大规模生产。
2)在本发明中,调整方法利用了光纤干涉结构,各类微扰导致两条传感光纤之间的光程差发生变化,最终导致输出光强的变化,通过检测两路信号的光强,再根据光强来计算可见度,根据可见度大小来调节光信号的波长,从而利用波长变化来补偿微扰导致的光程差变化,保证传感器处于高灵敏度工作区间,调节方法易操作,并且可见度计算方法方便而又简洁,保证了调整过程实时性好、效率高。
上述说明仅是本申请技术方案的概述,为了能够更清楚了解本申请的技术手段,从而可依照说明书的内容予以实施,并且为了让本申请的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂,以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
根据下文结合附图对本申请具体实施例的详细描述,本领域技术人员将会更加明了本申请的上述及其他目的、优点和特征。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些图获得其他的附图。在所有附图中,类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中,各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本公开一实施例提供的一种光纤干涉型传感器静态工作点调整装置的结构示意图;
图2为本公开一实施例提供的一种光纤干涉型传感器静态工作点调整方法的流程图;
图3为本公开一实施例提供的测试过程中获得的两路信号的正常原始信号图以及可见度变化;
图4为本公开一实施例提供的测试过程中获得的两路信号削顶/底的原始信号图以及可见度变化;
图5为本公开一实施例提供的测试过程中获得的一路信号的正常原始信号图以及两路信号相减后的信号图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。在下面的描述中,提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本申请的实施例。因此,本领域技术人员应该清楚,可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本申请的范围和精神。另外,为了清除和简洁,实施例中省略了对已知功能和构造的描述。
应该理解,说明书通篇中提到的“一个实施例”或“本实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此,在整个说明书各处出现的“一个实施例”或“本实施例”未必一定指相同的实施例。此外,这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是,一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理,但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外,各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止,但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。
此外,本申请可以在不同例子中重复参考数字或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的,其本身并不指示所讨论各种实施例或设置之间的关系。还需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含。
本发明公开了一种基于平衡接收机的光纤干涉型传感器静态工作点调整的装置,如图1所示,所述装置包括:激光器、耦合器组、光电探测器组、第一光纤、一对传感光纤、第二光纤、微处理器以及激光器驱动。
其中,激光器用于发出波长可调的光信号,激光器是中心波长可调谐的单色或准单色激光器,例如激光器可以为DFB激光器或VCSEL激光器,但不限于此。激光器通过第一光纤与耦合器组相连,耦合器组包括了1×2光纤耦合器和2×2光纤耦合器,所述1×2光纤耦合器通过第一光纤与所述激光器的输出端相连,1×2光纤耦合器和2×2光纤耦合器通过一对传感光纤相连,所述一对传感光纤包括了第一传感光纤和第二传感光纤,具体的,1×2光纤耦合器具有一个输入端口和两个输出端口,2×2光纤耦合器具有两个输入端口和两个输出端口,所述第一传感光纤的两端分别连接于1×2光纤耦合器的第一输出端口和2×2光纤耦合器的第一输入端口,所述第二传感光纤的两端分别连接于1×2光纤耦合器的第二输出端口和2×2光纤耦合器的第二输入端口。当激光器发出的光信号通过第一光纤传输至1×2光纤耦合器,1×2光纤耦合器将所述光信号分为两路光信号后分别通过第一传感光纤和第二传感光纤传输至2×2光纤耦合器,2×2光纤耦合器接收到两路光信号后并再分为两路信号输出。
进一步地,2×2光纤耦合器通过两根第二光纤与光电探测器组相连,光电探测器组包括第一光电探测器和第二光电探测器。所述2×2光纤耦合器的第一输出端口与第一光电探测器以及2×2光纤耦合器的第二输出端口与第二光电探测器之间均通过一根第二光纤相连,从而2×2光纤耦合器的两个输出端口(即2×2光纤耦合器的第一输出端口和第二输出端口)能够分别通过一根第二光纤将两路信号分别传输至第一光电探测器和第二光电探测器。第一光电探测器和第二光电探测器的输出端均与一微处理器相连,从而能够将两路信号传输至微处理器,微处理器对接收到的两路信号进行处理并根据处理结果产生波长控制信号并将该波长控制信号传输至一激光器驱动,激光器驱动根据接收到的波长控制信号控制调节激光器发出的光信号的波长,使得激光器发出的波长发生变化以补偿微扰导致的第一传感光纤和第二传感光纤之间的光程差变化,从而控制传感器的静态工作点处于高灵敏度工作区间,整个调节装置结构简单且紧凑,灵敏度高,还能够抗电磁干扰,有利于大规模生产。
本发明还公开了一种利用如上所述的装置进行光纤干涉型传感器静态工作点调整的方法,如图2所示,所述方法包括了如下步骤:
步骤S1:激光器通过第一光纤将光信号输入至1×2光纤耦合器,所述光信号被1×2光纤耦合器分为两路光信号后分别通过1×2光纤耦合器的第一输出端口和1×2光纤耦合器的第二输出端口传输至对应的第一传感光纤和第二传感光纤中。
在该步骤中,激光器发出的光信号的强度为Iin,输入电场为Ein,振幅为A,振动频率为ω,初始相位为
Figure BDA0002595045450000071
不考虑光纤损耗,输入电场满足如下公式:
Figure BDA0002595045450000072
而激光器发出的光信号的光强满足如下公式:
Figure BDA0002595045450000073
1×2光纤耦合器的分光比为α,1×2光纤耦合器的第一输出端口的输出电场为E1,1×2光纤耦合器的第二输出端口的输出电场为E2,则E1和E2满足如下公式:
Figure BDA0002595045450000074
步骤S2:两路光信号分别通过2×2光纤耦合器的第一输入端口和2×2光纤耦合器的第二输入端口到达2×2光纤耦合器并发生干涉,且2×2光纤耦合器将发生干涉后的光信号分为两路信号后通过2×2光纤耦合器的第一输出端口和2×2光纤耦合器的第二输出端口发出,而后所述两路信号分别通过对应的第二光纤传输至第一光电探测器和第二光电探测器,所述第一光电探测器和第二光电探测器分别接收两路信号的光强。
在此步骤中,2×2光纤耦合器的第一输入端口的输入电场E1’和2×2光纤耦合器的第二输入端口的输入电场E2’满足如下公式:
Figure BDA0002595045450000081
在上式中,l1为第一传感光纤的长度,l2为第二传感光纤的长度,λ为激光器发出的光信号的波长,n为第一传感光纤和第二传感光纤的折射率(即第一传感光纤和第二传感光纤的折射率相同)。
2×2光纤耦合器的第一输出端口的输出电场E3和2×2光纤耦合器的第二输出端口的输出电场E4满足如下公式:
Figure BDA0002595045450000082
值得注意的是,2×2光纤耦合器的分光比和1×2光纤耦合器的分光比相同均为α,将上述公式进一步用欧拉公式展开可以分别得到2×2光纤耦合器的第一输出端口的输出电场E3和2×2光纤耦合器的第二输出端口的输出电场E4如下:
Figure BDA0002595045450000083
Figure BDA0002595045450000091
通过2×2光纤耦合器的第一输出端口的输出电场E3和2×2光纤耦合器的第二输出端口的输出电场E4可以分别得出第一光电探测器接收到的光强I1和第二光电探测器接收到的光强I2,具体如下:
Figure BDA0002595045450000092
Figure BDA0002595045450000101
进一步地,可以求得第一光电探测器和第二光电探测器接收到的光强之差以及光强之和,具体如下:
Figure BDA0002595045450000102
Figure BDA0002595045450000103
第一光电探测器和第二光电探测器接收到的两路信号的相位差
Figure BDA0002595045450000104
取决于第一传感光纤和第二传感光纤之间的长度差ΔL,具体的计算公式为:
Figure BDA0002595045450000105
当仅采用一个光电探测器检测一路信号光强时,通过对一个光电探测器检测到的光强对外部的微扰求导,可以得到此时传感器的灵敏度,在本实施例中,我们利用第一光电探测器检测的光强I1来进行灵敏度的计算,具体计算公式详见如下推导,在其他一些实施例中,此处也可以利用第二光电探测器检测的光强I2来进行灵敏度的计算。值得注意的是,外部的微扰包括但不限于微应力ε和温度T;
Figure BDA0002595045450000111
在上式中,,由于0<α<1,故此时灵敏度的最大值为:ζ1=|2α(α-1)A2|=2α(1-α)A2
当采用第一光电探测器和第二光电探测器两个光电探测器检测两路信号的光强时,利用第一光电传感器和第二光电传感器检测到的光程之差可以得到此时传感器的灵敏度ζ2,具体的,通过I1-I2对微扰进行求导:
Figure BDA0002595045450000112
0<α<1,故此时灵敏度最大值为:ζ2=|4α(α-1)A2|=4α(1-α)A2
由上可见ζ2=2ζ1,从而可见采用两个光电探测器使得传感器的最大灵敏度能够得到翻倍提高。由此可知,在本发明中采用了两个光电探测器,使得光纤干涉型传感器的灵敏度更高。如图5所示,为在测试过程中获得的一路信号的正常原始信号图以及两路信号相减后的信号图,其中,图中曲线510为在测试过程中检测到的两路信号相减后的信号图,曲线520为第一光电探测器检测到的一路信号图,图中左边的纵坐标表示灵敏度大小,右边的纵坐标表示信号幅度,对方框内区域分析可知,只具备一个光电探测器的传感器灵敏度平均值约为500,而具备两个光电探测器的传感器的灵敏度平均值约为1000,故当采用两个光电探测器时,传感器灵敏度能够翻倍。
针对灵敏度ζ2,由最小不等式可知:
Figure BDA0002595045450000113
当且仅当α=1-α即α=0.5时,ζ2取最大值A2,此时传感器性能最优,为了使得传感器具有高灵敏度,1×2光纤耦合器和2×2光纤耦合器的分光比取值均为0.5。
步骤S3::第一光电探测器和第二光电探测器将接收到两路信号的光强传输至微处理器,微处理器对两路信号的光强进行处理以得到可见度v,并将可见度的绝对值与设定阈值进行比较;当可见度的绝对值大于设定阈值时,执行步骤S4,当可见度的绝对值不大于设定阈值时,转至执行最终步骤。
在此步骤中,
Figure BDA0002595045450000121
当用v变量进行静态工作点观测时可以发现,v的振幅和直流偏置仅由耦合系数确定,取值范围为[8(α-0.5)2-1,1],并且与光源光强无关,因此静态工作范围也被唯一确定,即可见度与传感器的静态工作点位置相关联,当静态工作点位置发生变化时,可见度大小也相应发生变化。为了使传感器具备高灵敏度,α取值0.5,此时v的取值范围最大,为[-1,1]。
当用可见度v进行静态工作点观测时发现,当可见度v的绝对值不大于0.8时,静态工作点处于高灵敏度区间,即此时微扰对传感器的静态工作点的干扰不大,使得传感器的灵敏度仍处于高灵敏度区域。如图3所示,为测试时获得的两路信号的原始信号图以及根据两路信号计算得到的可见度,曲线310为第一光电探测器检测到的一路信号,曲线320为第二光电探测器检测到的一路信号,曲线330为根据两路信号求得的可见度,右边纵坐标表示信号的幅度,左边纵坐标表示可见度大小,由图中可见根据两路信号求得的可见度的绝对值均不大于0.8,则表明传感器处于高灵敏度工作区间内,无需对激光器发出的光信号的波长进行调节。
而当可见度v的绝对值大于0.8时,静态工作点发生变化偏离了高灵敏度区域,需要对传感器进行调节以使传感器的静态工作点重新调节至高灵敏度工作区间。如图4所示,为测试过程中获得的两路信号削顶/底的原始信号图以及可见度变化,图中曲线410表示第一光电探测器检测到的一路削顶/底信号,曲线420表示第二光电探测器检测到的一路削顶/底的信号,曲线430为根据两路削顶/底信号得到的可见度,右边纵坐标表示信号的幅度,左边纵坐标表示可见度大小,由图中可见,根据两路信号求得的可见度的绝对值大于0.8,故传感器的静态工作点偏离了高灵敏度工作区域,需要对传感器进行调节以使传感器的静态工作点重新调节至高灵敏度工作区间。
静态工作点的位置与第一光电探测器和第二光电探测器接收到的两路信号的相位差
Figure BDA0002595045450000131
相关,而
Figure BDA0002595045450000132
从式中可见,当外部的微扰导致第一传感光纤和第二传感光纤之间的光程差发生变化时,可以通过调节激光器发出的光信号的波长来补偿微扰对光程差造成的相位变化,整个过程可以用如下公式表示:
Figure BDA0002595045450000133
β对λ求微分有:
Figure BDA0002595045450000134
Figure BDA0002595045450000135
故可通过改变λ来调节
Figure BDA0002595045450000136
即通过调节光信号的波长来改变静态工作点的位置,使得传感器处于高灵敏度工作区间。
在此步骤中,外部的微扰造成了传感器的静态工作点位置的偏移,当微处理器根据两路光强信号进行处理得到可见度v,并将可见度的绝对值与设定阈值0.8进行比较,当可见度的绝对值不大于0.8时,表明此时的外部的微扰对静态工作点位置影响不大,静态工作点仍位于高灵敏度工作区间,无需进行调节,调节结束,即可进入最终步骤S5:静态工作点处于安全区域,调节结束。值得注意的是,步骤S5中的所述安全区域即是高灵敏度工作区间。当可见度的绝对值大于0.8时,表明此时的外部的微扰对静态工作点位置影响大,静态工作点偏离高灵敏度工作区间,需要通过调节光信号的波长来进行调整,即需要进一步执行步骤S4。
步骤S4:微处理器根据可见度得到波长控制信号并发送至激光器驱动,激光器驱动根据所述波长控制信号控制调节激光器所发出的光信号的波长,而后转至步骤1继续依序执行。
在此步骤中,可见度的绝对值大于了0.8,微处理器生成波长控制信号并根据此波长控制信号控制启动激光器驱动,激光器驱动根据波长控制信号控制调节激光器发出的光信号的波长,每一次改变光信号的波长,微处理器就可以对应得到一个可见度,当可见度的绝对值大于0.8时,微处理器需要一直控制改变光信号的波长,直至使得改变后的波长对应的可见度的绝对值不大于0.8,表明此时静态工作点的位置处于高灵敏度工作区间,即波长变化补偿了外部的微扰对光程差造成的相位变化,从而此时可以停止调节,否则,需一直循环执行步骤1-4,直至可见度的绝对值不大于0.8,则认为静态工作点处于安全区域,调节结束。
本发明的调整装置通过设置有两个光电探测器来检测两路信号的光强,使得传感器的灵敏度翻倍增加,并且整个装置结构简单且紧凑,还能够抗电磁干扰,有利于大规模生产。在本发明的调整方法中,利用光纤干涉结构,各类微扰导致两条传感光纤之间的光程差发生变化,最终导致输出光强的变化,通过检测两路信号的光强,再根据光强来得到可见度,根据可见度大小来判断调节光信号的波长,调整方法简单,并且使得传感器的静态工作点位于高灵敏度工作区间,而且可见度计算方法方便而又简洁,保证了调整过程实时性好,效率高。
本发明的上述光纤干涉型传感器静态工作点调整装置可以应用于马赫曾德干涉仪器或光纤模间干涉仪,在这些干涉仪中通过前述调整方法实现了传感器静态工作点的调整,使得传感器处于高灵敏度工作区间,调整过程实时性强,保证了传感器静态工作点调整的准确性和高效性。
对所有公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下,在其他实施例中实现。因此,本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种光纤干涉型传感器静态工作点调整的装置,其特征在于,包括:
激光器,用于发出波长可调的光信号;
耦合器组,其包括1×2光纤耦合器和2×2光纤耦合器,所述1×2光纤耦合器与所述激光器的输出端相连,用于将激光器发出的光信号分为两路光信号后输出;所述2×2光纤耦合器与所述1×2光纤耦合器的输出端相连,用于接收两路光信号并再分为两路信号后输出;
光电探测器组,其包括第一光电探测器和第二光电探测器,所述第一光电探测器和第二光电探测器分别对应接收一路信号并将接收到的对应一路信号传出;
微处理器,其与所述光电探测器组相连,用于对接收的两路信号进行处理以得到波长控制信号,并将所述波长控制信号传输至一激光器驱动;
其中,所述激光器驱动与所述激光器相连,所述激光器驱动根据所述波长控制信号控制调节所述激光器所发出的光信号的波长。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述1×2光纤耦合器与所述激光器的输出端通过第一光纤相连。
3.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述2×2光纤耦合器与所述1×2光纤耦合器通过一对传感光纤相连,所述一对传感光纤包括第一传感光纤和第二传感光纤。
4.根据权利要求3所述的装置,其特征在于,所述第一传感光纤的两端分别连接于1×2光纤耦合器的第一输出端口和2×2光纤耦合器的第一输入端口,所述第二传感光纤的两端分别连接于1×2光纤耦合器的第二输出端口和2×2光纤耦合器的第二输入端口。
5.根据权利要求4所述的装置,其特征在于,所述2×2光纤耦合器的第一输出端口与第一光电探测器以及所述2×2光纤耦合器的第二输出端口与第二光电探测器之间均通过一根第二光纤相连。
6.根据权利要求1-5任一项所述的装置,其特征在于,所述激光器是中心波长可调谐的单色或准单色激光器。
7.一种利用如权利要求1-6任一项所述的调整装置进行光纤干涉型传感器静态工作点调整的方法,其特征在于,包括:
步骤S1:激光器通过第一光纤将光信号输入至1×2光纤耦合器,所述光信号被1×2光纤耦合器分为两路光信号后分别通过1×2光纤耦合器的第一输出端口和1×2光纤耦合器的第二输出端口传输至对应的第一传感光纤和第二传感光纤中;
步骤S2:两路光信号分别通过2×2光纤耦合器的第一输入端口和2×2光纤耦合器的第二输入端口到达2×2光纤耦合器并发生干涉,且2×2光纤耦合器将发生干涉后的光信号分为两路信号后通过2×2光纤耦合器的第一输出端口和2×2光纤耦合器的第二输出端口发出,而后所述两路信号分别通过对应的第二光纤传输至第一光电探测器和第二光电探测器,所述第一光电探测器和第二光电探测器分别接收两路信号的光强;
步骤S3:第一光电探测器和第二光电探测器将接收到两路信号的光强传输至微处理器,微处理器对两路信号的光强进行处理以得到可见度v,并将可见度的绝对值与设定阈值进行比较;当可见度的绝对值大于设定阈值时,执行步骤S4,当可见度的绝对值不大于设定阈值时,转至执行最终步骤,优选地所述设定值为0.8;
步骤S4:微处理器根据可见度得到波长控制信号并发送至激光器驱动,激光器驱动根据所述波长控制信号控制调节激光器所发出的光信号的波长,而后转至步骤1继续依序执行;
步骤S5:静态工作点处于安全区域,调节结束。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,可见度的计算公式如下:
Figure FDA0002595045440000021
其中:v为可见度,I1为第一光电探测器接收到的一路信号的光强,I2为第二光电探测器接收到的一路信号的光强,α为1×2光纤耦合器和2×2光纤耦合器的分光比,n为第一传感光纤和第二传感光纤的折射率,l1为第一传感光纤的长度,l2为第二传感光纤的长度,λ为激光器发出的光信号的波长。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述1×2光纤耦合器和2×2光纤耦合器的分光比为0.5。
10.一种光纤干涉型传感器,其特征在于,该光纤干涉型传感器包括马赫曾德干涉仪器或光纤模间干涉仪,所述马赫曾德干涉仪器或光纤模间干涉仪包括权利要求1-6任一项所述的静态工作点调整的装置。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1719213A (zh) * 2005-07-28 2006-01-11 上海大学 高灵敏度光纤耦合渐逝波温度传感器及其信号处理系统
CN202267808U (zh) * 2011-06-20 2012-06-06 深圳职业技术学院 干涉型光纤传感器数字解调装置
CN103149639A (zh) * 2012-12-28 2013-06-12 宁波诺可电子科技发展有限公司 一种双向马赫-泽德干涉仪系统及其偏振态调节方法
JP2014025835A (ja) * 2012-07-27 2014-02-06 Toshiba Corp 光電流センサ
CN104764476A (zh) * 2015-04-03 2015-07-08 大连理工大学 一种波长循环调谐补偿干涉型传感器工作点漂移的方法及系统
CN108110612A (zh) * 2018-02-08 2018-06-01 中国科学院福建物质结构研究所 一种基于马赫-增德尔干涉仪的无调制稳频方法和装置
CN110967107A (zh) * 2019-12-03 2020-04-07 北京北方车辆集团有限公司 一种干涉式光纤布拉格光栅声发射信号传感系统

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1719213A (zh) * 2005-07-28 2006-01-11 上海大学 高灵敏度光纤耦合渐逝波温度传感器及其信号处理系统
CN202267808U (zh) * 2011-06-20 2012-06-06 深圳职业技术学院 干涉型光纤传感器数字解调装置
JP2014025835A (ja) * 2012-07-27 2014-02-06 Toshiba Corp 光電流センサ
CN103149639A (zh) * 2012-12-28 2013-06-12 宁波诺可电子科技发展有限公司 一种双向马赫-泽德干涉仪系统及其偏振态调节方法
CN104764476A (zh) * 2015-04-03 2015-07-08 大连理工大学 一种波长循环调谐补偿干涉型传感器工作点漂移的方法及系统
CN108110612A (zh) * 2018-02-08 2018-06-01 中国科学院福建物质结构研究所 一种基于马赫-增德尔干涉仪的无调制稳频方法和装置
CN110967107A (zh) * 2019-12-03 2020-04-07 北京北方车辆集团有限公司 一种干涉式光纤布拉格光栅声发射信号传感系统

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