CN112985477A - 用于在恶劣环境中测量物理参数的光学传感器及其制造和使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量物理参数的光电子系统，包括：利用耦合器被一并耦合为组合光的具有不同峰值频率的两个窄带光源。所述组合光被分成第一法布里‑珀罗干涉仪和第二法布里‑珀罗干涉仪，所述第一法布里‑珀罗干涉仪被设置为暴露于温度和另一个物理参数，所述第二法布里‑珀罗干涉仪被设置为仅暴露于温度。所述系统还包括：第一光学检测器和第二光学检测器，被设置为通过包括透镜和/或反射镜的组合的光路和菲索干涉仪分别接收从第一、第二法布里‑珀罗干涉仪的腔反射的光。处理器被设置为分析第一光学检测器和第二光学检测器接收的数据，并计算温度值和物理参数。

Description

用于在恶劣环境中测量物理参数的光学传感器及其制造和使 用方法
相关申请的交叉引用
本申请主张2019年11月29日提交的美国临时专利申请号62/942,064的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本专利文献通常涉及一种光学传感器。更具体地，本专利文献的主题涉及一种用于航空发动机、诸如燃气或蒸汽涡轮的陆基涡轮或具有燃烧室的任意发电机的光学传感器。
背景技术
光纤传感技术提供一些优于监视和控制航空发动机、诸如燃气或蒸汽涡轮的陆基涡轮或具有燃烧室的任意发电机的物理参数的传统的电传感技术的一些优点。尤其，以下优点已被证实：(i)被提高的测量精度和带宽；(ii)对外扰动，即电磁干扰和射频干扰的固有的不灵敏性；(iii)以可忽略不计的信号衰减进行远程至超远程测量；(iv)分布式传感：复用单独定址的大量点传感器的可能性；以及(v)与高温至极高温的兼容性。因此，以光纤传感器替代电传感器对许多应用，尤其对航空航天应用是可取的。
在航空航天应用中，航空发动机需要多个传感系统以可靠且安全地进行操作。一些传感系统向电子发动机控制器(EEC)提供物理参数，以控制发动机操作。其他传感系统向发动机监控单元(EMU)提供参数，以监控发动机操作，当需要彻底检修发动机时，在不安全状况或地面上的维护的情况下对飞行员进行警告。在当前的航空发动机中，所有传感器都基于电气工作原理技术，例如压电、压阻以及电容测量原理。对于每个单独的传感器，均通过连接至发动机电子单元的电线发送电读出信号。这些离散的输出导致具有多个连接器的电缆线束较长，增加发动机架构的复杂性并显著增加重量，从而增加发动机的燃料消耗。
一种特定的应用是在发动机高压压缩机的最新级与燃烧室之间的压力的测量。该测量输出在发动机操作的控制回路中使用。迄今为止，尚没有发明被证明能够在操作过程中在超过300℃的温度下可靠地测量绝对(静态)压力，并且绝对没有可以在高于400℃或500℃的温度下进行处理的。因此，发动机控制依赖于位于被安装在发动机的风扇壳体的电子单元的低温压力传感器，该低温压力传感器是发动机的最低温度区域(最大操作温度通常在80℃至125℃之间)。这种配置需要将压力管从燃烧室布线路由至传感器，并补偿测量中的温度差。此外，可能会导致在某些环境条件下测量不稳定。本发明的一个目的在于，直接测量发动机核中的压力，消除压力管，减轻重量，并提高测量精度。
发明内容
本发明提供一种用于测量物理参数的光电子系统。所述光电子系统特别适合在诸如在发动机舱中发现的恶劣(harsh)环境中测量物理参数。
在一优选实施例中，所述光电子系统包括光学传感器，所述光学传感器包括：第一法布里-珀罗干涉仪，其被设置为接收组合光的第一部分，其中所述第一法布里-珀罗干涉仪暴露于感兴趣的物理参数和温度；以及第二法布里-珀罗干涉仪，其被设置为接收所述组合光的第二部分，其中所述第二法布里-珀罗干涉仪暴露于温度而不暴露于所述感兴趣的物理参数；
所述系统还包括与所述光学传感器光通信的询问器(interrogator)，所述询问器包括：第一窄带光源，其具有第一峰值频率；第二窄带光源，其具有不同于所述第一峰值频率的第二峰值频率；耦合器，其被设置为将所述第一窄带光源和所述第二窄带光源耦合为所述组合光；第一菲索干涉仪，其被设置为通过包括透镜和/或反射镜的组合的光路，接收从所述第一法布里-珀罗干涉仪的第一腔反射到第一光学检测器的光；第二菲索干涉仪，其被设置为通过包括透镜和/或反射镜的组合的光路，接收从所述第二法布里-珀罗干涉仪的第二腔反射到第二光学检测器的光；以及处理器，其被设置为分析所述第一光学检测器和所述第二光学检测器接收的数据，并计算温度值和所述第二物理参数。
尽管可以利用本文教示的系统来测量任意的物理参数，但在优选的实施例中，测量压力和温度。
在一些实施例中，所述第一光源和第二光源是发射模块的一部分，所述发射模块与位于检测模块的所述第一菲索干涉仪、所述第二菲索干涉仪、所述第一光学检测器以及所述第二光学检测器在物理上分离。所述发射模块和所述检测模块一同构成所述询问器。在另一些实施例中，所述发射模块和所述检测模块的构件可以被组合成一个模块。
在优选实施例中，所述第一菲索干涉仪和所述第二菲索干涉仪、所述第一光学检测器和第二光学检测器以及光学元件均被安装于由热膨胀系数较低的材料制成的板上。在一些实施例中，所述热膨胀系数低于2x10-6/℃。在另一些实施例中，所述热膨胀系数低于1x10-6/℃。
本文教示的光电子系统是为了在恶劣环境中使用而专门设计的。尤其，本文教示的系统是为了与涡轮风扇发动机一起使用而设计的。为此，在一些实施例中，所述光学传感器被安装在涡轮风扇发动机的发动机核。在这样的实施例中，所述询问器可以被安装于所述涡轮风扇发动机的风扇壳体，并且经由至少一根光纤光耦合至光学换能器(Transducer)。
在一些实施例中，所述第一光源、所述第二光源、所述第一菲索干涉仪、所述第二菲索干涉仪、所述第一光学检测器以及所述第二光学检测器均被气密地密封在具有使用空气、真空或惰性气体的受控的内部气氛的金属盒中。
在本发明的另一方面，提供一种利用光学传感器在恶劣环境中检测物理参数的方法。在优选实施例中，所述方法包括：将具有与第一峰值频率的第一窄带光源与具有不同于所述第一峰值频率的第二峰值频率的第二窄带光源耦合起来以产生组合光；在第一法布里-珀罗干涉仪中接收所述组合光的第一部分；使所述第一法布里-珀罗干涉仪暴露于温度和第二物理参数；在第二法布里-珀罗干涉仪中接收所述组合光的第二部分；使所述第二法布里-珀罗干涉仪暴露于温度而不暴露于所述第二物理参数；通过包括透镜和/或反射镜的组合的光路和第一菲索干涉仪，接收从所述第一法布里-珀罗干涉仪的第一腔反射到第一光学检测器中的光；通过包括透镜和/或反射镜的组合的光路和第二菲索干涉仪，接收从所述第二法布里-珀罗干涉仪的第二腔反射到第二光学检测器中的光；以及分析所述第一光学检测器和所述第二光学检测器接收的数据，以计算温度值和所述第二物理参数。
所述方法的一些实施例还包括：通过检测沿第一光电路和第二光电路产生的相消干涉图的最大值，使用数值方法测量所述第一法布里-珀罗干涉仪的第一腔的第一尺寸，并测量所述第二法布里-珀罗干涉仪的第二腔的第二尺寸。
在另一些实施例中，所述方法还包括：基于线性或矩阵光检测器的像素强度，使用数值方法检测和追踪所述相消干涉图的最大值，其中，将干涉峰值信息与所述第一菲索干涉仪和所述第二菲索干涉仪的几何形状相结合，以计算所述第一尺寸和所述第二尺寸。
在一些实施例中，所述处理器计算干涉谱的傅里叶变换，以确定所述第一法布里-珀罗干涉仪的第一腔的尺寸的变化。
在一些实施例中，所述方法还包括：利用所述第二腔的物理性质将所述第二尺寸转换成温度测量，并利用所述第一腔的物理性质和所述温度测量将所述第一尺寸转换成所测量的物理参数。
在一些方法中，利用解调来去除所述第一光学检测器的不均匀光照，并利用低通滤波器来去除电光噪声。
为了检测和追踪相消干涉的峰值，一些方法利用模拟退火搜索或子像素插值。
在又一些实施例中，计算和分析条纹图的光谱的快速傅里叶变换，并在整个温度范围内使所述第一窄带光源和所述第二窄带光源的强度平衡。当达到平衡时，来自两个光源中的每一个的相同光功率到达所述光学检测器
在一些实施例中，校准所述询问器，以独立于所述第二换能器地测量所述第一法布里-珀罗干涉仪的腔尺寸。在这样的实施例中，可以将所述第二换能器的物理参数存储于所述询问器中。
前述各方面中的每一个可以与在权利要求中所阐述的内容以及关于在上文中总结并公开于本文的实施例进行描述的一同结合，以形成对装置、系统、制造方法和/或无限定地以公开于本文的任意方式的使用的权利要求。
下面参照附图对这些和其他特征、方面和优点进行描述，这些附图旨在说明而不是限制本发明。图中，相似的附图标记在整个相似的实施例中始终表示相应的特征。
附图说明
图1示出光学传感器的一实施例的系统概况的示意图。
图2示出图1的示意图，其中示出光学积分器和光学换能器的子构件。
图3示出被安装在涡轮风扇发动机上的如图1和图2中描述的光学传感器的一实施例。
图4示出高旁通比涡轮风扇发动机的光学传感器中的系统构件的一些典型长度。
图5示出与本文所述的光学传感器一起使用的光学换能器的一实施例的横剖视图。
图6示出与本文教示的光学传感器一起使用的延长电缆的示意图。
图7示出具有透明的外壳的光电子询问器的一实施例的等距视图。
图8示出图7的光电子询问器的分解图。
图9示出用于与本文公开的光学询问器一起使用的光学检测模块和光学发射模块的一实施例的光学设计和光路的示意图。
图10示出系统能够如何利用复用技术使用具有多个传感器的单个询问器的示意图。
图11示出根据系统需求被子模块化的光电子询问器LRU的一实施例的框图。
图12示出CPM的架构的一实施例的框图。
图13示出OIM的架构的一实施例的框图。
图14示出OIM的温度控制层的一实施例的示意图。
图15示出在所识别的图上具有最大相消干涉点的预期干涉条纹图。
图16示出具有(i)在条纹形状上方产生“钟形”调制的几何及光纤效应和(ii)电光噪声的干涉条纹图。
图17示出计算和补偿压力测量的系统信号处理的示例的框图。
具体实施方式
本发明是一种光纤传感系统，其缓解与如在背景技术中前述的机器的恶劣环境相关的问题。本文中的系统特别适合在恶劣环境中使用。尽管恶劣环境可以是任意不利的环境，但本文中使用的恶劣环境指如通常在航空发动机中发现的环境。因此，根据测量类型，询问器的温度在-40℃至80℃或-55℃至125℃的范围内，而换能器的温度在-55℃至700℃以上的范围内。这些温度与剧烈的振动相关联。在一示例中，该系统被设计用于飞机涡轮风扇发动机的燃烧室的静压测量。该系统能够以发动机应用所需的精度和可靠性测量压力和其他物理参数。通过将所有数据读取和处理集中在单个光电子询问器中和/或在一根光纤上复用多个传感器的输出，大大简化发动机传感架构，并且可以明显轻于电气系统。
系统描述
下面对航空涡轮风扇发动机的高温核中的压力和温度的测量的一示例性的实施例进行说明。替代实施例可以适用于如在背景技术部分中描述的机器，或者，可以在任意高温环境下使用；尤其，此前仅限于电传感器环境。仅作为一示例，本文中的传感系统可以用于氢动力发动机上。其他实施例可以使用相同的系统定义来测量其他参数，诸如温度、机械位移、机械应力、振动、加速度、转速(例如，轴的转速)、游隙、关闭/打开状态(例如，阀的关闭/打开状态)、气流量、以及用于控制机器操作或监控机器状况的其他物理参数。
图1示出光学传感器10的一实施例的系统概况的示意图。由图1中可见，光学传感器10可以由三个子系统构成：光电子询问器12、可选的光学延长电缆14和光学换能器16。这些子系统连接在一起，从而通过光纤在这些子系统之间交换光信号，如图1所示。若光学换能器16的积分电缆(integral cable)16A直接连接至光电子询问器12，则可以去除光学延长电缆14。
图2示出图1的光学传感器10的示意图，其中示出光学询问器和光学换能器的子构件。光电子询问器12包括光源20、光学模块21、数字处理单元22、通信单元23以及电源管理单元24。光学延长电缆14包含和保护将光电子询问器12连接于光学换能器16的至少两根光纤。换能器16由压力传感元件31和温度32传感元件的两个传感元件组成。每个传感元件包括法布里-珀罗干涉仪腔，该法布里-珀罗干涉仪腔对所测量的物理参数敏感。两个元件都连接至由积分电缆33保护的光纤。
在一优选实施例中，系统10被安装于航空涡轮风扇发动机30上。图3示出被安装在涡轮风扇发动机上的如图1和图2中描述的光学传感器的一实施例。光电子询问器12被安装在发动机30的风扇壳体的外部部分，靠近发动机的其他电子单元，那里，发动机上的温度相当凉(最高温度通常在80℃至125℃之间，或者，根据发动机，甚至更热)。询问器12连接至光学延长电缆14，光学延长电缆14被路由至环境温度通常在125℃至250℃之间的发动机热区。光学延长电缆14的端部链接到。换能器16以能够感测温度能超过300℃或400℃甚至500℃的高压压缩机、燃烧室和涡轮区中的发动机空气的压力和温度的方式被安装在发动机核上。
尽管在图3中，换能器安装在发动机核上，但在其他实施例中，传感器可以安装在其他位置。通常的换能器安装位置可以是，但不限于，安装当前压力及温度传感器的位置(光学换能器将替代上述一般区域中的常规的压力及温度传感器)。换能器主体16通常会被固定于发动机安装结构上，诸如压缩机壳体(在高压压缩机侧)、燃烧壳体和/或涡轮壳体。换能器头(超出法兰40的区域，直到辐射防护屏43的末端)本身将通过相关的管道或壳体中的直属插件沉浸于气流中。
图4示出高旁通比(bypass ratio)涡轮风扇发动机的光学传感器中的系统构件的一些典型长度。可以理解的是，这些尺寸仅用于参考特定实施例，其他实施例可以对相同类型的发动机或不同类型的发动机或其他装置使用不同的长度。
在操作中，询问器12通过光学延长电缆14和16A向光学换能器16发送光信号。通过嵌入于压力传感元件16中的法布里-珀罗腔，根据所施加的外部压力调制光。通过光电子询问器12对反射的光信号进行分析。然后，通过询问器12的处理单元计算压力。温度以类似的方式测量，并用于补偿温度变化对传感元件的影响。然后，温度和压力数据以数字方式被输出至其他发动机电子单元。
光学换能器设计
图5示出与本文所述的光学传感器10一起使用的光学换能器16的一实施例的横剖视图。该光学换能器包括光纤法布里-珀罗温度41传感元件及压力42传感元件。如图5中可见，温度传感器41和压力传感器42均位于换能器16的前端。在图5所示的实施例中，压力传感器42位于温度传感器41的正前方。其包含在制于换能器前端的镂空主体中的隔间中。法布里-珀罗温度传感器41和压力传感器42分别具有腔45。
在优选实施例中，传感元件41、传感元件42由在高于300℃的环境温度下显示较低热膨胀系数(CTE)和较高机械阻力的镍基超合金制成。根据应用，换能器16的外壳40优选由不锈钢(AISI 316L)或镍基超合金制成。由镍基高超合金制成的特定辐射防护屏43被组装在换能器16的末端。在制造过程中，向外壳40的内容积施加真空，并引入惰性气体。
延长电缆设计
图6示出与本文教示的光学传感器10一起使用的延长电缆14的示意图。光学延长电缆14连接光学换能器16和光电子询问器12。在优选实施例中，根据系统的配置，光学延长电缆14光学延伸电缆14包括两根光纤，并且可以容纳电线。所述光纤由编织不锈钢层和PTFE层保护。所述编织不锈钢提供机械阻力。各端的连接器均压接于编织不锈钢上。PTFE套筒保护免受所有腐蚀性流体的侵袭。因此，光纤本身不受任何机械力，并且不会暴露任何污染。为了在优选的应用中工作，光缆14必须承受超过其最热端的温度的温度(即，与光换能器的连接，通常为150℃至250℃)。
在优选实施例中，根据应用，光学延长电缆的长度约为5米，且每个连接器的长度约为79mm。如本领域中的一般的技术人员可以理解，在不脱离本发明的范围的情况下可以对这些尺寸进行变更，其是仅作为参考实施例提供的。
光电子询问器设计
优选地，光电子询问器12被设计为线路替换单元(LRU)。在优选实施例中，光电子询问器12被设计为安装在发动机的风扇壳体上，如图3所示。在其他实施例中，光学询问器的电子及光学模块(不带包装)可以直接实现为现有发动机的电子单元(例如，FADEC、EMU等)。
图7示出具有透明的外壳50的光电子询问器12的一实施例的等距视图。询问器的外壳50包括底座51、中央框架52以及盖板53。在优选实施例中，整个壳体50由黑色阳极氧化铝合金制成。在图7所示的实施例中，底座51具有四个支腿和安装适配器54，其包括用于将单元固定于发动机上并抑制发动机振动的定制的减震器。
在一些实施例中，光学模块被气密地密封在具有使用空气、真空或惰性气体的受控的内部气氛的金属或塑料盒中。在其他实施例中，整个光电子询问器盒可以被气密地密封。
图8示出图7的光电子询问器12的分解图。在光学询问器12的优选实施例中，所有电子板、连接器和光学模块均被组装在中央框架52上。另外，在优选实施例中，中央框架52由一个制成。这种架构尤其适合于高振动环境，并在系统配置方面提供极大的灵活性。例如，可以在不影响系统的稳健性的情况下在第一个框架的顶部组装额外的框架。这种配置为根据应用需求在系统中添加功能或传感信道提供灵活性。
询问器12包括光源、光学检测模块、复用级、温度调节级、中央处理模块(CPM)电子板以及光电子询问器模块(OIM)电子板。
在优选实施例中，光学检测模块和光学发射模块在询问器12内物理上分离。所谓“物理上分离”指至少两个被安装于不同的安装基底板。优选实施例中，物理上分离可以指利用阻尼器或其他机械隔离手段彼此机械隔离。
光学模块
图9示出用于与本文公开的光学询问器12一起使用的光学检测模块60和光学发射模块61的一实施例的光学设计和光路的示意图。光学询问器12内的光学检测模块60由封入密闭盒中的光电路组件构成。所述光电路包括分立的无源光学组件(和/或微光学元件)以及光电组件，诸如白炽灯、发光二极管(LED)、超发光LED(SLED)、激光二极管、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、激光器、可调谐激光器、超连续谱激光器、光电二极管、电荷耦合器件(CCD)图像传感器以及互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。光学及光电构件精确对准并固定于安被装在盒的基底板上的低热膨胀基底板。光纤耦合于所述系统，以进行外部光通信。可选地，分立光学元件的一些或全部功能可以被集成于光子集成电路(光子芯片)。
根据应用，发射模块61包含一个或多个LED62。在包括两个LED62的配置中，选择中央发射波长以使由检测模块60测量的相消干涉的影响最大化。例如，在一实施例中，第一LED可以在可见光谱中发射，第二LED可以在红外光谱中发射。在其他实施例中，可以使用其他波长。利用光耦合器63将由两个以上LED发射的光耦合到光纤中。
光学检测模块60具有两个主要功能。第一个作用是收集来自发射模块61的光，并通过光耦合器或分光器64分割光，以将其分配至一个以上的换能器66、换能器67。第二个功能是收集和分析从换能器66、换能器67的法布里-珀罗腔反射回来的光信号。并对其进行分析。该信号穿过与发射相同的分光器64。然而，在这种情况下，光被导向光学分析系统68。该光学分析系统68包括用于成形光束的一系列透镜和反射镜。在优选实施例中，光路中的反射镜和/或透镜被设计为改善整个菲索楔69中的光强度分布的均匀性。
最后一个光学元件是柱面镜或透镜，其向光电检测器70反射光线。菲索干涉仪69附于检测器70的前面。该固定且稳定的干涉仪69具有周知的特性，因此，可以通过来自传感器的信号与菲索干涉仪69自身的特色的互相关来推断换能器66、换能器67的法布里-珀罗腔的大小。
复用
图10示出系统可以如何利用复用技术使用具有多个传感器的单个询问器12的示意图。所述系统的设计提供测量一个以上的法布里-珀罗传感元件的机会。如上所述，所述系统使用单个源模块，该源模块可以被分割并发送至多个传感器。该方法能够基于复用方法，诸如时间复用、空间复用、以及波长复用，用同一光电工程询问多个传感元件。
电子单元
图11示出根据系统需求被子模块化的光电子询问器LRU的一实施例的框图。这是询问器的电子部分。该LRU被分解为两个子系统。第一子系统是标准化的主板组件72，称为中央处理模块72(CPM)，包括：1)主管软件(SW)及可编程逻辑的处理层；2)与其他LRU73交互的通信层；3)压力及温度数据的可配置获取控制器；4)功率管理及功率转换层74。
第二子系统是光电子询问器模块(OIM)80，包括：1)至少两个光学模块81；2)光源82的可配置电源；3)压力信号83及温度信号84的可配置获取接口；4)热管理层85。
由于系统的模块性和可扩展性特征，根据系统需求，LRU可以被可选地模块化。例如，在不更改现有子系统或外壳部件的情况下，可以包括一个附加的获取模块，用于扩展的获取功能。
中央处理模块(CPM)
图12示出CPM72的架构的一实施例的框图。CPM72的核心是全可编程系统(SoC)，包括主管特定SW应用的中央处理单元(CPU)、以及通过提供只需重新编程即可连接至大量不同的外围设备的功能来实现高灵活性的可编程逻辑(或FPGA)。
CPU和可编程逻辑提供系统处理以及支持各种通信接口的功能。可选地，CPM的所有处理功能也可以通过FPGA处理，而无需使用CPU。
提供通信层，以与其他LRU或地面站进行通信。在本实施例中，LRU提供ARINC-429、以太网和RS-232接口。可以通过更换CPM72的线可拆卸子模块来提供替代及附加接口(例如CAN，RS-422，RS-485，……)。
在一优选实施例中，CPM72包括向LRU的任意其他子系统提供可用的通信、控制和反馈信号的夹层连接器，从而，提供非常模块化的结构。在本实施例中，这些内部信号用于对压力及温度信号的获取进行编程和控制，并控制系统的热管理。CPM72还包括与航空器功率输入交互并向LRU的其他子系统提供稳定的电源的功率管理层74。
光学询问器模块(OIM)
图13示出OIM80的架构的一实施例的框图。图13中的OIM80包括：来自光学检测模块81的压力信号84及温度83信号的调节及获取接口。由此，能够由CPM72独立地控制每个输入信号的获取参数。这包括对每个信道的增益和采样频率的独立控制。两个独立的电流源为光学发射模块81的光源提供功率。CPM72对供应至每个源的电流的动态调整根据诸如内部组件的温度或在光学检测模块81上接收到的实际光强度的内部参数进行。还提供多个温度传感器85，以监视各种系统构件的温度值并将其报告给CPM72。该温度数据可以包括板温度、CCD温度、LED温度以及将有助于CPM72的OIM80中的任意其他温度。当暴露于不同于室温的温度时，来自OIM80的温度数据可以用于进一步补偿构件的电位变化。
热调节设计
为了缓和由于温度引起的光学元件的特性变化，尤其高温下光功率的损失，在OIM80中实现温度管理层。其由光学模块的主动温度控制构成。光发射及检测模块的温度由温度传感器测量，并由热电调节器控制。14示出OIM80的温度控制层85的一实施例的示意图。利用热电冷却器91、热电冷却器92(TEC或珀耳帖元件)来实现光学元件的冷却或加热。TEC91附接于光学发射模块61，另一个TEC92附接于光学检测模块65，以从设备中抽出热量并将其退至散热器。LRU外壳50用于吸收热量并用作散热器，使得热量被拒绝在LRU外部。因此，该实施例优选于使用置于LRU内部的标准散热器，因为那些会导致内部温度更显著升高。相反地，若需要，可以使用TEC91、TEC92来加热模块。热传感器附接于模块来提供模块温度的测量，以使TEC控制器根据温度来调节供应至TEC91、TEC92的功率。在数据的数字处理期间，光电元件的温度信息(若不或部分地储热调温)可以进一步用于补偿对输出信号的热效应/移位。
信号处理
由光学检测器读取的条纹干涉的最小位置与换能器的法布里-珀罗腔的尺寸直接相关。然后，可以从该信息中重建其所暴露的压力及温度刺激。处理目标是识别最大相消干涉信号。图15示出在所识别的图上具有最大相消干涉点的预期干涉条纹图。
干涉不是决定信号的形状的唯一行为者。其他两个作用可能会影响信号的形状。图16示出具有(i)在条纹形状上方产生“钟形”调制的几何及光纤效应和(ii)电光噪声的干涉条纹图。为了正确地执行检测，两种作用均应被消除或补偿。
图17示出计算和补偿压力测量的系统信号处理的示例的框图。对该过程的输入为由光学检测器102获取的光干涉信号，每个信道一个(例如，温度和压力)。中间输出块103-106是两个腔的尺寸的测量。如前所述，这些被发送至各个转换块107，以产生温度的测量值和压力的第一估计值。然后，在温度校正块108内将该估计值转换为最终值。噪声消除块由低通频率FIR滤波器构成。低通截止频率与干涉图条纹周期相关。贝尔解调由通过平均减法实现的高通滤波器构成。平均的大小由干涉图条纹周期确定。
在滤波/解调后的信号上确定最大相消干涉(条纹信号的最小)点。搜索策略由以时间追踪位置为中心的局部最小搜索构成。通过实施由阈值退火控制的最小跳跃策略，可以减轻错误的最小发现(例如，局部极值上的噪声峰值)。一旦确定，执行像素位置标准抛物线子像素插值，以提高结果的准确性。
一旦以子像素精度确定了像素最小位置(称为像素索引(pixel index))，利用通过前校准确定的菲索楔查找表将其转换为代表相应法布里-珀罗腔的尺寸的纳米。通过作为温度(thermal coefficients and membrane sensitivity)的函数代表腔的物理性质的其他查找表(热系数和膜灵敏度)，可以从腔尺寸转换为压力测量107。
为此，处理器使用数值方法通过检测沿两个光电路中的每一个产生的相消干涉图的最大值来测量两个法布里-珀罗腔中的每一个的尺寸。处理器基于由光学电路产生的线性或矩阵光检测器的像素强度来检测和追踪相消干涉图的最大值。所述方法将干涉峰信息与菲索干涉仪的几何形状结合，以计算法布里-珀罗腔尺寸。处理器还可以利用第二法布里-珀罗腔的物理性质将第二法布里-珀罗腔尺寸转换成温度。利用第一腔的物理性质和第二腔体的温度测量值，将第一法布里-珀罗腔尺寸转换为测得的物理参数(例如，压力)。
在其他实施例中，处理器计算干涉谱的快速傅立叶变换(FFT)，以确定法布-珀罗干涉仪的尺寸变化。
在一些实施例中，处理器使用数值方法来计算和分析条纹图的光谱的FFT，并在整个温度范围内使两个光源的强度平衡。可以额外使用干涉图的FFT信息来连续地确定光电路的完整性(机内测试—BIT)。
最后，在一些实施例中，以询问器和换能器可互换的方式校准系统。校准询问器，以独立于换能器地测量法布里-珀罗腔尺寸。将换能器的物理参数存储于询问器中，以法布里-珀罗腔尺寸转换为测得的物理参数(例如，压力)。
光电构件控制
已经引入了对光源和CCD水平的平衡的控制，以提高测量能力。若该控制无法达到预定的条件，则将故障信号发送至BIT(机内测试)块。BIT将对光电路中的不同的故障进行检测和分类，如温度或压力CCD饱和、温度或压力CCD低信号、源1或源2或任意其他源的低电平。
首先，系统通过分析像素水平的值来验证CCD是否正常工作。基于最大及平均像素值分别确定饱和和低光级条件。在饱和的情况下，CCD的积分时间会减少，直到饱和消失为止。在低光级的情况下，CCD的积分时间会增加，直到平均水平达到接受条件为止。如果无法达到这样的条件，则向BIT发送信号。
当CCD在预定的接受范围内工作时，将独立地分析其信号。对于每个CCD，对干涉信号进行傅立叶变换，并将识别光谱中的两个局部峰值。每个局部峰值对应于个别光源的贡献。局部峰值检测在以由相应的源峰值波长λ、菲索干涉仪α的斜率和CCD像素尺寸Psize确定的频率F为中心的范围内起作用。
F＝tg(α)*Psize/λ
对于每个CCD而言，若两个峰值的差值低于预定义的阈值，则意味着源电平(source levels)均衡。否则，将增加流向对应于较弱峰值的源的电流，并减小流向对应于较强峰值的源的电流，直到两个峰值水平达到预定的可接受的水平。若无法达到可接受的水平，则向BIT发送信号。
尽管总体上该专利文献已专门讨论了法布里-珀罗干涉仪的使用，但可以使用其他传感器。例如，可以使用基于光纤布拉格光栅(FBG)的传感器。
尽管本文在某些优选实施例、实施方式和示例的上下文中公开了多种发明方面，但本领域中的一般的技术人员可以理解，本发明越过具体公开的实施例延伸至其他替代实施例和/或本发明的用途及其明显的修改和等同物。另外，虽然已经详细示出和描述了本发明方面的多种变形，但是，基于本公开，其范围内的其他修改将对于本领域技术人员而言是显而易见的。还应理解的是，本公开的范围包括本文公开的实施例的特定特征和方面的各种组合或子组合，从而所公开的主题的各种特征、实施方式和方面可以与另一个组合或用另一个替代。因此，本文意图本文所公开的本发明的范围不应限定于上述特定公开的实施例或实施方式，而应仅通过权利要求的正确解读来确定。
类似地，本公开不应被解释为反映任意的权利要求均需要比该权利要求中明确叙述的特征更多的特征的意图。而是，如所附权利要求所反映，发明方面在于少于任意的单个前文公开的实施例的所有特征的组合。因此，特意将接于详细说明后面的权利要求明确并入该详细说明中，每个权利要求作为独立的实施例而独立存在。
此外，所有权利要求术语应以其最广泛的形式解释，以便为申请人提供法律上允许的最广泛的覆盖范围。尽管已参考附图和具体示例对实施例进行了说明，但本领域中的一般的技术人员可以容易理解，在不脱离如本文请求保护的实施例的精神和范围的情况下可以对本文所述的过程、方法和装置进行多种修改和适应。因此，应清楚地理解的是，该描述仅通过示例的方式进行，且不作为对以下请求保护的实施例的范围的限制。

Claims (20)

1.一种用于测量物理参数的光电子系统，包括：
光学传感器；以及
与所述光学传感器光通信的询问器，
其中，所述光学传感器包括：
第一法布里-珀罗干涉仪，其被设置为接收组合光的第一部分，其中所述第一法布里-珀罗干涉仪暴露于温度和感兴趣的物理参数；以及
第二法布里-珀罗干涉仪，其被设置为接收所述组合光的第二部分，其中所述第二法布里-珀罗干涉仪暴露于温度而不暴露于所述感兴趣的物理参数；
所述询问器包括：
第一窄带光源，其具有第一峰值频率；
第二窄带光源，其具有不同于所述第一峰值频率的第二峰值频率；
耦合器，其被设置为将所述第一窄带光源和所述第二窄带光源耦合为所述组合光；
第一菲索干涉仪，其被设置为：通过包括透镜或反射镜的光路，接收从所述第一法布里-珀罗干涉仪的第一腔反射到第一光学检测器的光；
第二菲索干涉仪，其被设置为：通过包括透镜或反射镜的光路，接收从所述第二法布里-珀罗干涉仪的第二腔反射到第二光学检测器的光；以及
处理器，其被设置为：分析所述第一光学检测器和所述第二光学检测器接收的数据，并计算温度值和所述感兴趣的物理参数。
2.根据权利要求1所述的光电子系统，其中，所述物理参数是压力。
3.根据权利要求1所述的光电子系统，其中，所述第一光源和第二光源是发射模块的一部分，所述发射模块与位于检测模块中的所述第一菲索干涉仪、所述第二菲索干涉仪、所述第一光学检测器以及所述第二光学检测器在物理上分离。
4.根据权利要求1所述的光电子系统，其中，所述第一菲索干涉仪、所述第二菲索干涉仪、所述第一光学传感器以及所述第二光学传感器均被安装于由热膨胀系数低于2x 10-6/℃的材料制成的板上。
5.根据权利要求1所述的光电子系统，其中，所述光学传感器被安装于发动机核。
6.根据权利要求1所述的光电子系统，其中，所述光学传感器被安装于涡轮风扇发动机的发动机核。
7.根据权利要求6所述的光电子系统，其中，所述询问器被安装于所述涡轮风扇发动机的风扇壳体，并且经由至少一根光纤与所述光学传感器光通信。
8.根据权利要求1所述的光电子系统，其中，所述第一光源、所述第二光源、所述第一菲索干涉仪、所述第二菲索干涉仪、所述第一光学检测器以及所述第二光学检测器均被气密地密封在具有使用空气、真空或惰性气体的受控的内部气氛的金属盒中。
9.一种利用光学传感器在恶劣环境中检测物理参数的方法，包括：
将具有与第一峰值频率的第一窄带光源与具有不同于所述第一峰值频率的第二峰值频率的第二窄带光源耦合起来以产生组合光；
在第一法布里-珀罗干涉仪中接收所述组合光的第一部分；
将所述第一法布里-珀罗干涉仪暴露于温度和感兴趣的物理参数；
在第二法布里-珀罗干涉仪中接收所述组合光的第二部分；
将所述第二法布里-珀罗干涉仪暴露于温度而不暴露于所述感兴趣的物理参数；
通过包括透镜或反射镜的光路和第一菲索干涉仪，接收从所述第一法布里-珀罗干涉仪的第一腔反射到第一光学检测器中的光；
通过包括透镜或反射镜的光路和第二菲索干涉仪，接收从所述第二法布里-珀罗干涉仪的第二腔反射到第二光学检测器中的光；以及
分析所述第一光学检测器和所述第二光学检测器接收的数据，以计算温度值和所述感兴趣的物理参数。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述感兴趣的物理参数是压力。
11.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括：通过检测沿第一光电路和第二光电路产生的相消干涉图的最大值，使用数值方法来测量所述第一法布里-珀罗干涉仪的第一腔的第一尺寸，并测量所述第二法布里-珀罗干涉仪的第二腔的第二尺寸。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括：基于线性或矩阵光检测器的像素强度，使用数值方法检测和追踪所述相消干涉图的最大值，其中，将干涉峰值信息与所述第一菲索干涉仪和所述第二菲索干涉仪的几何形状相结合，以计算所述第一尺寸和所述第二尺寸。
13.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括：计算干涉谱的傅里叶变换，以确定所述第一法布里-珀罗干涉仪的第一腔的尺寸的变化。
14.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括：利用所述第二腔的物理性质将所述第二尺寸转换成温度测量，并利用所述第一腔的物理性质和所述温度测量将所述第一尺寸转换成所测量的物理参数。
15.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括：利用解调来去除所述第一光学检测器的不均匀光照，并利用低通滤波器来去除电光噪声。
16.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括：利用模拟退火搜索或子像素插值来检测和追踪相消干涉的峰值。
17.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括：计算和分析条纹图的光谱的快速傅里叶变换，并在整个温度范围内使所述第一窄带光源和所述第二窄带光源的强度平衡。
18.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括：校准询问器，以独立于所述法布里-珀罗干涉仪地测量所述第一法布里-珀罗干涉仪的腔尺寸。
19.根据权利要求18所述的方法，所述方法还包括：将第二换能器的物理参数存储于所述询问器中。
20.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括：利用传感器测量光学发射模块和光学检测模块中的温度，并利用热电冷却器或珀耳帖元件主动控制所述光学发射模块和所述光学检测模块中的温度。
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