CN114440948A - 一种法布里珀罗传感器的量程拓宽方法及系统 - Google Patents

一种法布里珀罗传感器的量程拓宽方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN114440948A
CN114440948A CN202210111145.3A CN202210111145A CN114440948A CN 114440948 A CN114440948 A CN 114440948A CN 202210111145 A CN202210111145 A CN 202210111145A CN 114440948 A CN114440948 A CN 114440948A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fabry
cavity length
perot
sensor
perot sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210111145.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114440948B (zh
Inventor
韦学勇
齐永宏
赵明辉
李博
蒋庄德
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Jiaotong University filed Critical Xian Jiaotong University
Priority to CN202210111145.3A priority Critical patent/CN114440948B/zh
Publication of CN114440948A publication Critical patent/CN114440948A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114440948B publication Critical patent/CN114440948B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35306—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement
    • G01D5/35309—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer
    • G01D5/35312—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer using a Fabry Perot
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35383—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using multiple sensor devices using multiplexing techniques
    • G01D5/3539—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using multiple sensor devices using multiplexing techniques using time division multiplexing

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)

Abstract

本发明提供一种法布里珀罗传感器的量程拓宽方法及系统，包括法布里珀罗传感器、激光模块、光电检测模块以及控制系统，控制系统连接激光模块以及光电检测模块，控制系统用于驱动激光模块和光电检测模块执行分时复用流程，实时执行传感器量程拓宽算法，将检测到的激光模块信号做差，然后曲线拟合得到包络正弦曲线，进而可以计算法布里珀罗传感器的腔长所在工作区间m，在区间m内通过双光束干涉原理判断相对于区间端点的腔长变化量，将腔长变化量和区间m结合得到法布里珀罗传感器的总腔长变化量。本发明解决了现有各种腔长解调方案可以不同程度的实现腔长解调，还能满足法布里珀罗传感器在工程应用中腔长解调成本低、精度高和量程大的需求。

Description

一种法布里珀罗传感器的量程拓宽方法及系统
技术领域
本发明属于微纳传感器技术领域，涉及一种法布里珀罗传感器的量程拓宽方法及系统。
背景技术
微机电系统(MEMS)是借助半导体工艺制造出来的尺寸范围从纳米到毫米级别的微型机械或机电元件，其典型特征为小体积、低功耗、可批量生产。加速度传感器是一种典型MEMS器件，它可以实现对加速度、速度、位置的测量，在机器人、无人机、智能汽车、电子消费品等市场需求的牵引下MEMS加速度传感器已经形成了电容、谐振、压阻、光学等不同类型，高精度、低功耗、大量程等不同特点，军工、工业、消费品等不同用途的完整产品系列。其中，基于光学干涉原理的MEMS加速度传感器结合了光学检测的超高位移分辨率及MEMS技术小体积、低功耗的特点，在即将到来的万物互联时代展现出了巨大的应用前景。
目前，常见的光学MEMS加速度传感器为光纤干涉型，其具体结构形式为全光纤(在纤芯直接加工可动结构)或光纤加MEMS可动结构。前者由于直接在光纤纤芯加工可动结构，结构设计受限，并且工艺难度大，导致加速度传感器性能较差；后者虽然通过引入MEMS可动结构，极大地提高了传感器性能，但其在实际应用时需要搭建由台式激光器、光纤耦合器、光电检测器等组成的检测系统，整个系统体积庞大、成本高、实用性差，不符合传感器微型化、集成化的发展方向；近年来，随着集成微光学技术的发展,研究者开始探索研制集成式光学MEMS加速度传感器，具体做法为将MEMS敏感芯片、激光芯片及光电二极管等元件集成在微型壳体内。集成式光学MEMS加速度传感器中集成式法布里珀罗式MEMS加速度计具有加工工艺简单的优点，备受学者青睐。集成式法布里珀罗式MEMS加速度计的核心是法布里珀罗腔的解调。法布里珀罗腔的解调主要包括强度解调和相位解调两种方式。
法布里珀罗传感器是一种由两块互相平行且具有一定反射率的镜面组成的光学干涉型传感器，主要分为法布里珀罗加速度传感器、法布里珀罗压力传感器、法布里珀罗温度传感器等，在机器人、无人机、智能汽车、电子消费品等领域具有巨大的需求。其以光为载体对被测参数实现传感，具有抗电磁干扰、灵敏度高等优点，法布里珀罗传感器的核心是实现腔长的解调。随着法布里珀罗传感器技术的成熟以及市场化需求的推动，对法布里珀罗传感器的腔长解调提出了新的需求。现在不但要求腔长解调方案精度高、适用于低频信号，还要满足量程大、成本低的要求，以更好的达到法布里珀罗传感器产业化的目的。现有的法布里珀罗腔长解调主要包括强度解调和相位解调两种方式，强度解调是根据返回干涉光信号的光强与法布里珀罗腔长之间的关系，针对返回窄带激光信号进行解调，相位解调是根据返回光信号的光谱信息和法布里珀罗腔长之间的关系，针对宽带光信号进行解调。
强度解调一般使用单波长光源，光束进入法布里珀罗腔后发生干涉，干涉后的输出光强与法布里珀罗的腔长呈余弦关系。在一定的工作区间内，光强与腔长具有线性关系。强度解调具有解调速率高，结构简单，灵敏度高等优点，然而其工作区间窄，仅为光源波长的1/12。伴随着由于温度变化导致的腔长漂移，使法布里珀罗传感器的工作量程更低，这制约了强度解调方案在大量程环境下的使用。为了解决强度解调量程低的缺点，2013年，王代华等利用法布里珀罗传感器低频反馈信号驱动压电转换器调节法布里珀罗腔长[1]，消除因温度改变导致的工作点漂移。该方案一定程度上可以消除由温度变化导致的工作量程窄的问题，但是由于压电陶瓷自身存在迟滞效应，在控制过程中难以保证腔长的准确度与重复性。2013年，王巧云等报道了利用可调谐激光器调节输出光束的波长，使法布里珀罗传感器的工作范围保持在线性工作区间，进而扩大工作范围[2]。该方案能一定程度上扩大工作量程，但是可调谐激光器的调谐带宽有限，不能将工作量程拓展很大。
相位解调一般使用宽带平坦光源，光束经过法布里珀罗腔干涉后被光谱仪检测，通过返回光信号的光谱信息和法布里珀罗腔长之间的关系解调腔长，相位解调具有绝对腔长解调、量程大等优点。相位解调包括条纹计数法、傅里叶变换法、腔长匹配法等。条纹计数法、傅里叶变换法的解调精度与光谱仪的性能有关，其解调精度受限于光谱仪的性能。高精度的光谱仪价格昂贵，且波长扫描速度较低，不能实现动态信号的解调。目前对腔长匹配法解调系统的研究中，具有代表性的是加拿大的FISO公司和美国的Davidson公司。二者均采用的是非扫描式腔长匹配技术，该技术需要制作精良的光楔和线阵CCD,成本高昂，而且由于需要采集光谱图像，解调速率无法提高，不适用于快速信号测量。
强度解调和相位解调虽然可以不同程度的实现腔长解调，但其均不能满足法布里珀罗传感器工程应用中腔长解调成本低、精度高、量程大的需求。因此，如何实现法布里珀罗传感器低成本、高精度、大量程是需要解决的问题。
1.Jia P,Wang D.Temperature-compensated fiber optic Fabry-Perot accele rome-ter based on the feedback control of the Fabry-Perot cavity length[J].Chinese Optics Letters,2013,11(4):4-8.
2.Wang Q,Ma Z.Feedback-stabilized interrogation technique for opticalFabry–Perot acoustic sensor using a tunable fiber laser[J].Optics and LaserTechnology,2013,51(51):43-46.
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种法布里珀罗传感器的量程拓宽方法及系统，解决了现有各种腔长解调方案可以不同程度的实现腔长解调，还能能满足法布里珀罗传感器在工程应用中腔长解调成本低、精度高、量程大的需求。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种法布里珀罗传感器的量程拓宽方法，包括以下步骤：
S1，通过驱动执行分时复用流程对激光信号处理后做差值，根据差值计算正弦包络线F；
S2，通过S1中的正弦包络线F定位法布里珀罗传感器的腔长所处的工作区间m，然后在工作区间m内计算法布里珀罗传感器的腔长变化量；
S3，根据S1法布里珀罗传感器的腔长所处的工作区间与S2中的腔长变化量结合，计算法布里珀罗传感器的总腔长变化量；
优选的，S1中通过驱动执行分时复用流程对检测到的激光信号处理后做差值处理，具体方法为：通过控制不同激光下的波长λ1和波长λ2进行交替工作，分别采集波长λ1和波长λ2下输出的第一路信号I1、第二路信号I2和第三路信号I3；将相邻两个分时复用流程中波长λ1和波长λ2下采集到的第一路信号I1做归一化处理、去偏置处理以及幅值缩放后相减，得到波长λ1和波长λ2下对应的相邻两个分时复用流程的差值D1和差值D2。
优选的，第一路信号I1与第二路信号I2的相位差为120度，所述第一路信号I1与第三路信号I3的相位差为240度。
优选的，S1中计算正弦包络线F的具体方法为：通过差值D1和差值D2求出与不同激光下的波长λ1和波长λ2的之差相关的正弦包络线F。
优选的，S2中通过正弦包络线F定位法布里珀罗传感器的腔长所处的工作区间m，然后在工作区间m内计算法布里珀罗传感器的腔长变化量，具体方法为：通过正弦包络线F和差值D1计算得到法布里珀罗传感器的初始腔长变化量，进而去定位法布里珀罗传感器的腔长所处的工作区间m，在工作区间m内，再根据双光束干涉原理计算法布里珀罗传感器的腔长变化量。
优选的，S3中计算法布里珀罗传感器的总腔长变化量，具体方法为：
在工作区间m内，通过双光束干涉原理判断相对于工作区间m端点的腔长变化量；当腔长变化量大于工作区间m的范围时，在第一路信号I1、第二路信号I2和第三路信号I3中的任意两路信号交汇处，根据幅值大小判断法布里珀罗传感器的腔长从工作区间m进入工作区间m+1还是工作区间m-1，根据法布里珀罗传感器的腔长所处的工作区间m+1或工作区间m-1与在该工作区间的腔长变化量计算总腔长的变化量；其中，m为当前工作区间的索引编号，m-1为上一工作区间的索引编号，m+1为下一工作区间的索引编号。
优选的，所述法布里珀罗传感器包括法布里珀罗加速度传感器、法布里珀罗压力传感器和法布里珀罗温度传感器中的一种。
一种法布里珀罗传感器的量程拓宽系统，包括，
法布里珀罗传感器、激光模块、光电检测模块以及控制系统，所述控制系统分别连接激光模块和光电检测模块，所述激光模块与法布里珀罗传感器的一端通过光路连接，所述法布里珀罗传感器另一端与光电检测模块通过光路连接；
所述控制系统，用于驱动激光模块和光电检测模块执行分时复用流程；
所述激光模块，用于发出不同激光的波长，以及用于检测法布里珀罗加速器的腔长变化；
所述光电检测模块，用于检测激光模块的激光信号进行做差处理。
优选的，激光模块为可调谐激光器或多个不同波长激光器组合体。
优选的，光电检测模块为电荷耦合器件或多个光电二极管组合体。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供一种法布里珀罗传感器的量程拓宽方法及系统，解决了现有各种腔长解调方案可以不同程度的实现腔长解调，还能满足法布里珀罗传感器在工程应用中腔长解调成本低、精度高和量程大的需求。同时，本发明通过分时复用流程下求得的正弦包络线F能在大的工作范围下初步定位法布里珀罗传感器腔长所处的工作区间，实现了量程拓宽的工作。
进一步，本发明在工作区间内通过双光束干涉原理判断腔长变化量，结合传感器腔长所处的具体工作区间m，可以实现法布里珀罗传感器在大的工作量程下保持高精度的位移测量。
进一步，本发明方案合理，结构简单，成本低，容易实现，能充分发挥法布里珀罗传感器的优势。
附图说明
图1为本发明量程拓宽算法流程图；
图2为实施例中法布里珀罗传感器的结构剖视图；
图3为实施例中法布里珀罗传感器的结构截面图；
图4为实施例中法布里珀罗传感器的拓宽算法流程图；
图5为实施例中不同腔长下的无量纲光强D1与腔长的关系；
图6为实施例中包络线F示意图；
图7为实施例中解调腔长与实际腔长关系示意图；
图8为实施例中法布里珀罗传感器工作区间判定示意图；
图9为实施例中光电流信号处理流程图；
图中，1、法布里珀罗传感器框架；3、光电二极管；2、940nm垂直腔面发射激光器；4、法布里珀罗干涉腔；5、固定镜面；6、可动镜面；7、850nm垂直腔面发射激光器。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提供了一种法布里珀罗传感器的量程拓宽系统，其包括法布里珀罗加速度传感器、激光模块、光电检测模块以及控制系统；
法布里珀罗传感器、激光模块、光电检测模块以及控制系统，所述控制系统分别连接激光模块和光电检测模块，所述激光模块与法布里珀罗传感器的一端通过光路连接，所述法布里珀罗传感器另一端与光电检测模块通过光路连接；
所述控制系统，用于驱动激光模块和光电检测模块执行分时复用流程；
所述激光模块，用于发出不同激光的波长，以及用于检测法布里珀罗加速器的腔长变化；
所述光电检测模块，用于检测激光模块的激光信号进行做差处理。
本发明中，传感器除了法布里珀罗加速度传感器之外，还可以为法布里珀罗压力传感器、法布里珀罗温度传感器等。
本发明中，激光模块设为可调谐激光器或多个不同波长激光器组合，光电检测模块设为电荷耦合器件(CCD)或多个光电二极管组合；
激光模块和光电检测模块安装在法布里珀罗传感器框架的底面，法布里珀罗加速度传感器芯片安装在法布里珀罗框架的上端。调节光电检测模块中光电二极管的位置，使三个光电二极管输出的三路信号中一路信号与另外两路信号的相位差分别为120度和240度。
一种法布里珀罗传感器的量程拓宽方法，(如图1所示)包括以下步骤：
S1，通过驱动执行分时复用流程对激光信号处理后做差值，根据差值计算正弦包络线F；
S2，通过S1中的正弦包络线F定位法布里珀罗传感器的腔长所处的工作区间m，然后在工作区间m内计算法布里珀罗传感器的腔长变化量；
S3，根据S1法布里珀罗传感器的腔长所处的工作区间与S2中的腔长变化量结合，计算法布里珀罗传感器的总腔长变化量；
S1中通过驱动执行分时复用流程对检测到的激光信号处理后做差值处理，具体方法为：通过控制不同激光下的波长λ1和波长λ2进行交替工作，分别采集波长λ1和波长λ2下输出的第一路信号I1、第二路信号I2和第三路信号I3；将相邻两个分时复用流程中波长λ1和波长λ2下采集到的第一路信号I1做归一化处理、去偏置处理以及幅值缩放后相减，得到波长λ1和波长λ2下对应的相邻两个分时复用流程的差值D1和差值D2。
所述第一路信号I1与第二路信号I2的相位差为120度，所述第一路信号I1与第三路信号I3的相位差为240度。
S1中计算正弦包络线F的具体方法为：通过差值D1和差值D2求出与不同激光下的波长λ1和波长λ2的之差相关的正弦包络线F。
S2中通过正弦包络线F定位法布里珀罗传感器的腔长所处的工作区间m，然后在工作区间m内计算法布里珀罗传感器的腔长变化量，具体方法为：通过正弦包络线F和差值D1计算得到法布里珀罗传感器的初始腔长变化量，进而去定位法布里珀罗传感器的腔长所处的工作区间m，在工作区间m内，再根据双光束干涉原理计算法布里珀罗传感器的腔长变化量。
S3中计算法布里珀罗传感器的总腔长变化量，具体方法为：
在工作区间m内，通过双光束干涉原理判断相对于工作区间m端点的腔长变化量；当腔长变化量大于工作区间m的范围时，在第一路信号I1、第二路信号I2和第三路信号I3中的任意两路信号交汇处，根据幅值大小判断法布里珀罗传感器的腔长从工作区间m进入工作区间m+1还是工作区间m-1；根据法布里珀罗传感器的腔长所处的工作区间m，m+1或工作区间m-1与在该工作区间的腔长变化量计算总腔长的变化量；其中，m为当前工作区间的索引编号，m-1为上一工作区间的索引编号，m+1为下一工作区间的索引编号。
如图8中的黑色三角实线为法布里珀罗传感器的整个工作区间，由许多升降的线段组成。其中每一个线段便为一个工作区间，每个区间都有一个索引编号，依次从1开始向上递增，直至整个工作区间达到量程拓宽的极限。
通过包络线F和D1能得到法布里珀罗传感器的初始腔长变化量L并判断其所处的区间索引编号m，m与腔长变化量L之间的关系为：
Figure BDA0003490460780000081
其中符号
Figure BDA0003490460780000082
代表向上取整操作。
随着法布里珀罗腔的腔长逐渐增大，其进入下一工作区间，下一区间的索引编号便为m+1。相反，若腔长逐渐减小至上一工作区间，则上一工作区间的索引编号为m-1。m-1，m，m+1皆是具体工作区间的索引编号。
通过控制在不同激光下的波长λ1和波长λ2进行交替工作，分别采集到不同激光下的波长λ1和波长λ2的工作间隔下输出的第一路信号I1、第二路信号I2和第三路信号I3；所述光电检测模块输出三路信号，通过优化光电二极管的摆放位置使第一路信号I1与第二路信号I2的相位差为120度，所述第一路信号I1与第三路信号I3的相位差为240度。
本发明中，控制系统由1个单片机、2个激光驱动器以及1个模数转换器组成。控制系统控制激光模块分别在波长λ1和波长λ2下交替工作，同时，分别采集每种工作间隔下光电检测模块输出的三路信号，第一路信号I1、第二路信号I2和第三路信号I3。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
遵从上述技术方案，如图1至图7所示，本实施例给出一种法布里珀罗传感器的量程拓宽方法，在保证腔长解调精度下拓宽法布里珀罗传感器的工作量程。
本发明的一种实施例提供了一种法布里珀罗传感器的量程拓宽方法，其包括法布里珀罗加速度传感器芯片、激光模块、光电检测模块以及控制系统；
法布里珀罗加速度计传感器芯片由法布里珀罗干涉腔4、固定镜面5、可动镜面6组成。法布里珀罗干涉腔4由固定镜面5和可动镜面6通过阳极键合形成，如图2和图3所示。
控制系统控制激光模块依次发出波长为850nm和940nm的光束，光束经法布里珀罗干涉腔反射后被光电检测模块接收。如图4是不同腔长下的无量纲光强差值D1与腔长的关系，通过将光电检测模块中某一路信号在850nm和940nm光束下接收的信号做差，可以得到正弦包络线F(如图5所示)；通过正弦包络线可以初步判断法布里珀罗腔的腔长所在区间m，在区间m内通过双光束干涉原理判断相对于区间端点的腔长变化量，将腔长变化量和区间m结合起来便可求得所述法布里珀罗MEMS芯片的总腔长变化量。
激光模块由940nm垂直腔面发射激光器2和850nm垂直腔面发射激光器7组成，二者水平距离为20um。光电检测模块由3个光电二极管3组成。
激光模块和光电检测模块安装在法布里珀罗传感器框架1的底面，法布里珀罗加速度传感器芯片安装在法布里珀罗框架1的上端。激光模块发出的光束到达法布里珀罗加速度传感器芯片后返回至光电检测模块，移动光电检测模块的三个光电二极管，调节光电二极管之间的光程差，使三路信号中一路信号与另外两路信号的相位差分别为120度和240度。
控制系统由1个单片机、2个激光驱动器以及1个模数转换器组成，激光驱动器的型号为ITC102(THORLABS)，模数转换器的型号为AD4134(ADI)，单片机控制2个激光驱动器交替工作，分别驱动940nm垂直腔面发射激光器2和850nm垂直腔面发射激光器7，模数转换器AD4134用于同步采集光电检测模块输出的3路光信号。
本实施例的工作过程如下所示：
控制系统连接激光模块以及光电检测模块，控制系统用于驱动所述激光模块和所述光电检测模块执行分时复用流程，实时执行传感器量程拓宽算法，将所述光电检测模块检测到的所述激光模块信号做差，然后曲线拟合得到包络余弦曲线，进而可以初始估计法布里珀罗MEMS芯片的腔长所在区间m，在区间m内通过双光束干涉原理判断相对于区间端点的腔长变化量，将腔长变化量和区间m结合起来便可求得所述法布里珀罗MEMS芯片的总腔长变化量。
本发明中一个实施例的量程拓宽算法，主要包括以下步骤：
步骤1：将3个光电二极管输出的信号做归一化、去偏置、幅值缩放以及加偏置处理，如图9所示，其输出表达式为：
Figure BDA0003490460780000111
Figure BDA0003490460780000112
Figure BDA0003490460780000113
其中，L为法布里珀罗传感器的腔长，λ0为激光器的波长。
如图9所示，光电模块输出的三路光电信号经信号处理后其余弦振幅大小一致，如图7所示。三路光电信号随着腔长的增大呈余弦变化，三路光电信号中的一路信号与另外两路信号的相位差分别为120度和240度。光电信号中的振幅与相位差没有关系，其具体的幅值大小与腔长有关。在光电信号交汇处，相交的两路信号中一路信号逐渐变大，另外一路逐渐变小。除此之外，第三路信号可能处于极大值或极小值处，如图8所示。通过判断三路信号I1、I2、I3在交汇处幅值对应的关系，可以得到工作区间索引编号是增大还是减小。
将相邻两个所述分时复用流程中不同波长下采集到的信号I1相减并将差值记为D1，将下一分时复用流程下的差值记为D2。D1的表达式为：
Figure BDA0003490460780000114
其中D1在不同腔长下的无量纲光强与腔长的关系如图5所示。
步骤2：通过D1和D2求出与波长λ1和λ2之差相关的正弦包络线F，包络线如图6所示。
步骤3：通过包络线F和D1得到法布里珀罗传感器的初始腔长变化量L并判断其所处的区间m，通过包络线F和D1得到的初始腔长与实际腔长之间一一对应，如图7所示，每一个区间对应的相位差为
Figure BDA0003490460780000115
对应的腔长ΔL为：
Figure BDA0003490460780000116
步骤4：在工作区间m内，如图8所示，根据双光束干涉原理计算法布里珀罗干涉仪的腔长变化量，其输出光强经归一化、去偏置、幅值缩放以及加偏置处理后与腔长变化量之间的关系如下：
Figure BDA0003490460780000121
法布里珀罗干涉仪在区间m内输出的光强与腔长之间一一对应，可得腔长在区间m的变化量ΔLm为：
Figure BDA0003490460780000122
步骤5：在三路信号I1、I2以及I3的任意两路信号交汇处根据幅值大小判断腔长从区间m进入区间m+1还是区间m-1，如图8所示。
步骤6：根据腔长所处工作区间以及在该区间内的腔长变化量计算腔长总变化量L，其表达式为：
Figure BDA0003490460780000123

Claims (10)

1.一种法布里珀罗传感器的量程拓宽方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，通过驱动执行分时复用流程对激光信号处理后做差值，根据差值计算正弦包络线F；
S2，通过S1中的正弦包络线F定位法布里珀罗传感器的腔长所处的工作区间m，然后在工作区间m内计算法布里珀罗传感器的腔长变化量；
S3，根据S1法布里珀罗传感器的腔长所处的工作区间与S2中的腔长变化量结合，计算法布里珀罗传感器的总腔长变化量。
2.根据权利要求1所述一种法布里珀罗传感器的量程拓宽方法，其特征在于，S1中通过驱动执行分时复用流程对检测到的激光信号处理后做差值处理，具体方法为：通过控制不同激光下的波长λ1和波长λ2进行交替工作，分别采集波长λ1和波长λ2下输出的第一路信号I1、第二路信号I2和第三路信号I3；将相邻两个分时复用流程中波长λ1和波长λ2下采集到的第一路信号I1做归一化处理、去偏置处理以及幅值缩放后相减，得到波长λ1和波长λ2下对应的相邻两个分时复用流程的差值D1和差值D2。
3.根据权利要求2所述一种法布里珀罗传感器的量程拓宽方法，其特征在于，所述第一路信号I1与第二路信号I2的相位差为120度，所述第一路信号I1与第三路信号I3的相位差为240度。
4.根据权利要求2所述一种法布里珀罗传感器的量程拓宽方法，其特征在于，S1中计算正弦包络线F的具体方法为：通过差值D1和差值D2求出与不同激光下的波长λ1和波长λ2的之差相关的正弦包络线F。
5.根据权利要求4所述一种法布里珀罗传感器的量程拓宽方法，其特征在于，S2中通过正弦包络线F定位法布里珀罗传感器的腔长所处的工作区间m，然后在工作区间m内计算法布里珀罗传感器的腔长变化量，具体方法为：通过正弦包络线F和差值D1计算得到法布里珀罗传感器的初始腔长变化量，进而去定位法布里珀罗传感器的腔长所处的工作区间m，在工作区间m内，再根据双光束干涉原理计算法布里珀罗传感器的腔长变化量。
6.根据权利要求5所述一种法布里珀罗传感器的量程拓宽方法，其特征在于，S3中计算法布里珀罗传感器的总腔长变化量，具体方法为：
在工作区间m内，通过双光束干涉原理判断相对于工作区间m端点的腔长变化量；当腔长变化量大于工作区间m的范围时，在第一路信号I1、第二路信号I2和第三路信号I3中的任意两路信号交汇处，根据幅值大小判断法布里珀罗传感器的腔长从工作区间m进入工作区间m+1还是工作区间m-1；根据法布里珀罗传感器的腔长所处的工作区间m，m+1或工作区间m-1与在该工作区间的腔长变化量计算总腔长的变化量；其中，m为当前工作区间的索引编号，m-1为上一工作区间的索引编号，m+1为下一工作区间的索引编号。
7.根据权利要求1所述一种法布里珀罗传感器的量程拓宽方法，其特征在于，所述法布里珀罗传感器包括法布里珀罗加速度传感器、法布里珀罗压力传感器和法布里珀罗温度传感器中的一种。
8.一种法布里珀罗传感器的量程拓宽系统，其特征在于，基于权利要求1-7所述的量程拓宽方法，包括，
法布里珀罗传感器、激光模块、光电检测模块以及控制系统，所述控制系统分别连接激光模块和光电检测模块，所述激光模块与法布里珀罗传感器的一端通过光路连接，所述法布里珀罗传感器另一端与光电检测模块通过光路连接；
所述控制系统，用于驱动激光模块和光电检测模块执行分时复用流程；
所述激光模块，用于发出不同激光的波长，以及用于检测法布里珀罗加速器的腔长变化；
所述光电检测模块，用于检测激光模块的激光信号进行做差处理。
9.根据权利要求8所述一种法布里珀罗传感器的量程拓宽系统，其特征在于，所述激光模块为可调谐激光器或多个不同波长激光器组合体。
10.根据权利要求8所述一种法布里珀罗传感器的量程拓宽系统，其特征在于，所述光电检测模块为电荷耦合器件或多个光电二极管组合体。
CN202210111145.3A 2022-01-26 2022-01-26 一种法布里珀罗传感器的量程拓宽方法及系统 Active CN114440948B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210111145.3A CN114440948B (zh) 2022-01-26 2022-01-26 一种法布里珀罗传感器的量程拓宽方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210111145.3A CN114440948B (zh) 2022-01-26 2022-01-26 一种法布里珀罗传感器的量程拓宽方法及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114440948A true CN114440948A (zh) 2022-05-06
CN114440948B CN114440948B (zh) 2023-02-21

Family

ID=81372312

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210111145.3A Active CN114440948B (zh) 2022-01-26 2022-01-26 一种法布里珀罗传感器的量程拓宽方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114440948B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050046862A1 (en) * 2003-08-25 2005-03-03 Ivan Melnyk Fiber optic sensing device for measuring a physical parameter
CN103697923A (zh) * 2013-12-20 2014-04-02 北京航空航天大学 一种解调非本征型光纤法布里珀罗腔长的方法
CN110260917A (zh) * 2019-06-18 2019-09-20 武汉理工大学 基于光纤光栅传感阵列的智能标识标牌与界碑状况监测系统
CN110365415A (zh) * 2019-08-01 2019-10-22 浙江大学 一种基于光纤光栅传感器阵列的调频解调装置
CN112781633A (zh) * 2021-01-15 2021-05-11 中国计量大学 基于干涉游标效应的高灵敏海水盐温双参数传感器
WO2021212271A1 (zh) * 2020-04-20 2021-10-28 北京佰为深科技发展有限公司 法珀传感器腔长解调系统和法珀传感器腔长解调方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050046862A1 (en) * 2003-08-25 2005-03-03 Ivan Melnyk Fiber optic sensing device for measuring a physical parameter
CN103697923A (zh) * 2013-12-20 2014-04-02 北京航空航天大学 一种解调非本征型光纤法布里珀罗腔长的方法
CN110260917A (zh) * 2019-06-18 2019-09-20 武汉理工大学 基于光纤光栅传感阵列的智能标识标牌与界碑状况监测系统
CN110365415A (zh) * 2019-08-01 2019-10-22 浙江大学 一种基于光纤光栅传感器阵列的调频解调装置
WO2021212271A1 (zh) * 2020-04-20 2021-10-28 北京佰为深科技发展有限公司 法珀传感器腔长解调系统和法珀传感器腔长解调方法
CN112781633A (zh) * 2021-01-15 2021-05-11 中国计量大学 基于干涉游标效应的高灵敏海水盐温双参数传感器

Also Published As

Publication number Publication date
CN114440948B (zh) 2023-02-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109342022B (zh) 一种可调谐激光器波长动态标定装置和方法
CN101788570B (zh) 三明治式光学微机械加速度传感器
CN101650509B (zh) 基于级联长周期光纤光栅的Bragg光栅高速解调系统
CN102759635A (zh) 一种集成光栅压电调制的微光学加速度传感器及其检测方法
CN106940220B (zh) 一种简易低成本的激光波长实时测量装置
CN101923052B (zh) 基于滤波结构分光的红外光谱式mems气敏传感器
CN114440948B (zh) 一种法布里珀罗传感器的量程拓宽方法及系统
CN100529761C (zh) 基于激光反馈干涉的微光机电加速度计
CN104406525B (zh) 光栅组微位移传感器及其测量位移的方法
CN204479607U (zh) 光栅组微机械加速度传感器
CN117760472A (zh) 一种基于阵列波导光栅的变温解调系统及方法
CN113532285A (zh) 一种皮米量级分辨力的微位移测量系统及测量方法
CN210036956U (zh) 一种光纤光栅双边沿校正解调振动测量装置
CN204128506U (zh) 光栅组微位移传感器
CN115523948B (zh) 利用气体吸收光谱参考的干涉仪绝对位移解调系统及方法
CN104569489A (zh) 光栅组微机械加速度传感器及其测量加速度的方法
CN113639769B (zh) 一种基于散斑相关性提高传感器灵敏度的方法
CN204479608U (zh) 组合光栅微机械加速度传感器
CN205642638U (zh) 一种简易低成本的波长实时测量装置
CN204269076U (zh) 脉冲微位移传感器
CN104614550A (zh) 脉冲微机械加速度传感器及其测量加速度的方法
CN204479609U (zh) 脉冲微机械加速度传感器
CN104406524A (zh) 组合光栅微位移传感器及其测量位移的方法
CN118392363B (zh) 一种压力传感器及其测量方法
CN204269077U (zh) 组合光栅微位移传感器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant