CN115219024A - 一种基于光纤盘式差分测量原理的光压测定装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤盘式差分测量原理的光压测定装置，包括光源、第一单芯光纤、光纤耦合器、第一测量光纤、第一法拉第旋镜、支架、玻璃盘片、第二法拉第旋镜、第二测量光纤、第二单芯光纤、信号处理系统、数据线和显示控制系统，所述光源与入射第一单芯光纤连接，本发明为盘式光纤光压检测装置，其结构简单，并且没有可以移动的器件所以在测量光压的时候不会引入额外的形变源，该检测装置是通过待测光照射玻璃盘片使其发生微弯形变，然后使得粘贴在玻璃盘片两侧表面的测量光纤形成推挽结构，从而以推挽的方式使光纤干涉仪中的输出相位发生差分变化。
Description
技术领域
本发明属于光压测量技术领域，具体涉及一种基于光纤盘式差分测量原理的光压测定装置和方法。
背景技术
在科学研究中，光压的测量都有着重要的意义，宏观领域如宇航，恒星的光压对于轨道飞行器的姿态有着不可忽视的影响；微观领域如生命科学研究中，光压在操纵微粒、细胞方面发挥着极其重要的作用。因此对于光压测量的尤为重要。由于光压的量级非常小，普通测量装置无法对其进行精确计量；
发明专利ZL202010004204.8公开了一种基于微悬臂梁共振激发的光压力值测量装置及方法。该方法利用悬臂梁结构在光压作用下产生谐振，进而计算出光压值；该方法需要用到精密悬臂梁及多普勒激光干涉仪，结构复杂，成本较高。
发明专利ZL201110233271.8公开了一种基于光压原理测量高能激光能量参数的方法和装置。该方法针对高能激光，灵敏度稍低，测量光压范围较小，对镜面的位移监测采用光纤位移传感器、电容位移传感器，器件组成较为复杂。
发明专利ZL2015108019A75.9A公开了一种基于光纤光路的光压演示及测量系统。该方法采用光纤光路来测量光压，但是其测量光与待测光同时作用于反射镜一侧，很容易对待测光压产生附加误差，不适合高精度测量领域。
发明专利ZL201410023274.2公开了一种基于纳米银膜的光压传感器及其光压检测方法。该方法基于纳米银膜结构进行光压监测，其尺度较小，不适用于空间光压的测量，且其测量光与待测光压同时作用于银膜表面，易引起测量误差。
发明专利ZL201610034127.4公开了一种基于重力的光压标定装置及标定方法。该方法需要一个真空舱，且所需的金属膜工艺较为复杂，装置装配精度要求较高，实际应用较为复杂。
发明专利ZL201710738600.1公开了一种光压测量装置及方法，该方法也是设计了一张金属膜，通过待测光照射金属膜发生形变，然后通过Michelson干涉仪测量金属膜形变量来获得光压，其金属膜固定结构复杂，且金属膜两侧均受到激光照射，即测量光也引起金属膜形变，使得其测量精度受限，对于低能量光压信号精度较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤盘式差分测量原理的光压测定装置和方法，以解决存在可移动器件，容易引入额外的形变源，以及测量光路调试困难的不足的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于光纤盘式差分测量原理的光压测定装置，包括光源、第一单芯光纤、光纤耦合器、第一测量光纤、第一法拉第旋镜、支架、玻璃盘片、第二法拉第旋镜、第二测量光纤、第二单芯光纤、信号处理系统和显示控制系统，所述光源一端固定连接第一单芯光纤，所述第一单芯光纤一端连接光纤耦合器，所述光纤耦合器一端分别设置有第一测量光纤和第二测量光纤，所述第一测量光纤和第二测量光纤一端设置有一个玻璃盘片，所述第一测量光纤和第二测量光纤另一端分别盘成第一测量光纤盘和第二测量光纤盘，所述第一测量光纤盘和第二测量光纤盘分别粘贴在玻璃盘片的两侧表面上，且其末端分别连接着第一法拉第旋镜和第二法拉第旋镜，所述第一法拉第旋镜和第二法拉第旋镜分别固定在支架的底座上，所述支架通过压圈与玻璃盘片固定连接，所述光纤耦合器的另一端固定设置有第二单芯光纤，所述信号处理系统设置于第二单芯光纤一端，所述第二单芯光纤通过信号处理系统与显示控制系统连接，所述光源内部设置有可隔绝回馈激光从接口进入其内部谐振腔的隔离器。
优选的，所述第一测量光纤和第二测量光纤均采用单芯单模光纤，所述第一测量光纤盘和第二测量光纤盘均以相同的圆心用环氧树脂粘贴在玻璃盘片的两侧表面上。
优选的，所述支架与压圈的连接处设置有一圈的凹陷，使得压圈可以嵌入支架以固定玻璃盘片。
优选的，一种基于光纤盘式差分测量原理的光压测定装置的使用方法，具体步骤如下：
步骤一：光源输出的窄线宽激光经过第一单芯光纤进入光纤耦合器，能量被光纤耦合器分为两部分；一半光能量进入第一测量光纤盘成的第一测量光纤盘，另一半能量进入第二测量光纤盘成的第二测量光纤盘，构成Michelson干涉仪的两个干涉臂，然后激光在两个测量光纤的末端，分别被第一法拉第旋镜和第二法拉第旋镜反射回来；
步骤二：然后反射回来的光再经过光纤耦合器，被合为一束并被再分成为两部分，一部分通过第二单芯光纤进入信号处理系统；另一部分通过第一单芯光纤返回光源，被光源内置隔离器阻挡，且所述光纤器件都工作在单模状态，由两干涉臂反射的信号将在光纤耦合器处产生干涉，干涉强度幅值变化可以表示为：
式中：I1、I2分别为来自第一测量光纤、第二测量光纤两测量臂的反射信号强度，k为光纤中的波数，Δx为两测量臂之间的长度差异，
为初始相位；
步骤三：玻璃盘片受到待测激光照射，发生微弯，微弯的玻璃盘片引起两侧的光纤盘的形变，由于两个光纤盘的盘面垂直于形变方向，且分别胶合在玻璃盘片两侧，导致两个光纤盘的形变不一致，通过两个测量光纤盘构建的迈克尔逊式干涉仪，可以测得测量光纤的形变数据，经过换算可以获得待测激光在玻璃盘片上施加的压力，即光压。
优选的，所述步骤一中的光源，所述光源用于产生窄线宽激光，工作波长：1550±20nm；输出功率：>1mW；光谱线宽：<1pm，所述输入第一单芯光纤、输出第二单芯光纤，用于传输激光，均采用普通单模光纤，所述步骤一中的光纤耦合器，所述光纤耦合器分光比为1:1，两端分别连接着两根单芯单模光纤。
优选的，所述步骤一中的玻璃盘片采用SiO2材质，杨氏模量E＝73×109N/m2，半径为105mm，盘片厚度t为0.1mm，光纤半径r为125μm，采用波长λ＝1550nm的光源，光纤盘内半径为2.5cm，外半径为6cm，纤芯折射率n＝1.458，光纤材料泊松比μ为0.17，弹光系数p12为0.27，p11为0.121。
优选的，所述步骤二中的信号处理系统包括具备光电转换、模数转换及干涉信号解调功能。所述显示控制系统主要功能是解调信号的显示。
本发明的技术效果和优点：
1.本发明为盘式光纤光压检测装置，其结构简单，并且没有可以移动的器件所以在测量光压的时候不会引入额外的形变源；
2.该检测装置是通过待测光照射玻璃盘片使其发生微弯形变，然后使得粘贴在玻璃盘片两侧表面的测量光纤形成推挽结构，从而以推挽的方式使光纤干涉仪中的输出相位发生差分变化，该推挽调制方式对测量信号是差分增敏作用而对环境噪声是共模抑制作用。
附图说明
图1为本发明的连接结构示意图；
图2为本发明部分连接结构示意图；
图3为本发明的内部结构示意图；
图4为本发明干涉原理图；
图5为本发明的连接结构侧视图；
图6为本发明的光纤盘结构示意图。
图中：1、光源；2A、第一单芯光纤；3、光纤耦合器；4、第一测量光纤；4A、第一测量光纤盘；5、第一法拉第旋镜；6、支架；61、压圈；7、玻璃盘片；8、第二法拉第旋镜；9A、第二测量光纤盘；9、第二测量光纤；2B、第二单芯光纤；10、信号处理系统；11B、数据线；11A、显示控制系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了如图中所示的一种基于光纤盘式差分测量原理的光压测定装置，包括光源1、第一单芯光纤2A、光纤耦合器3、第一测量光纤4、第一法拉第旋镜5、支架6、玻璃盘片7、第二法拉第旋镜8、第二测量光纤9、第二单芯光纤2B、信号处理系统10和显示控制系统11A，其特征在于：光源1一端固定连接第一单芯光纤2A，第一单芯光纤2A一端连接光纤耦合器3，光纤耦合器3一端分别设置有第一测量光纤4和第二测量光纤9，第一测量光纤4和第二测量光纤9一端设置有一个玻璃盘片7，第一测量光纤4和第二测量光纤9靠近玻璃盘片7的一端分别盘成第一测量光纤盘4A和第二测量光纤盘9A，第一测量光纤盘4A和第二测量光纤盘9A分别粘贴在玻璃盘片7的两侧表面上，且其末端分别连接着第一法拉第旋镜5和第二法拉第旋镜8，第一法拉第旋镜5和第二法拉第旋镜8分别固定在支架6的底座上，支架6通过压圈61与玻璃盘片7固定连接，光纤耦合器3的另一端固定设置有第二单芯光纤2B，信号处理系统10设置于第二单芯光纤2B一端，第二单芯光纤2B通过信号处理系统10与显示控制系统11A连接，光源1内部设置有可隔绝回馈激光从接口进入其内部谐振腔的隔离器。
具体的，第一测量光纤4和第二测量光纤9均采用单芯单模光纤，第一测量光纤盘4A和第二测量光纤盘9A均以相同的圆心用环氧树脂粘贴在玻璃盘片7的两侧表面上。
具体的，支架6与压圈61的连接处设置有一圈的凹陷，使得压圈可以嵌入支架6以固定玻璃盘片7。
一种基于光纤盘式差分测量原理的光压测定装置的使用方法，具体步骤如下：
步骤一：光源1输出的窄线宽激光经过第一单芯光纤2A进入光纤耦合器3，能量被光纤耦合器3分为两部分；一半光能量进入第一测量光纤4盘成的第一测量光纤盘4A，另一半能量进入第二测量光纤9盘成的第二测量光纤盘9A，构成Michelson干涉仪的两个干涉臂，然后激光在两个测量光纤的末端，分别被第一法拉第旋镜5和第二法拉第旋镜8反射回来；
步骤二：然后反射回来的光再经过光纤耦合器3，被合为一束并被再分成为两部分，一部分通过第二单芯光纤2B进入信号处理系统10；另一部分通过第一单芯光纤2A返回光源1，被光源1内置隔离器阻挡，且光纤器件都工作在单模状态，由两干涉臂反射的信号将在光纤耦合器3处产生干涉，干涉强度幅值变化可以表示为：
式中：I1、I2分别为来自第一测量光纤4、第二测量光纤9两测量臂的反射信号强度，k为光纤中的波数，Δx为两测量臂之间的长度差异，
为初始相位；
步骤三：玻璃盘片7受到待测激光照射，发生微弯，微弯的玻璃盘片引起两侧的光纤盘的形变，由于两个光纤盘的盘面垂直于形变方向，且分别胶合在玻璃盘片两侧，导致两个光纤盘的形变不一致，通过两个测量光纤盘构建的迈克尔逊式干涉仪，可以测得测量光纤的形变数据，经过换算可以获得待测激光在玻璃盘片上施加的压力，即光压，光压计算表达式为：
玻璃盘片7在光压力F作用下，小挠度ω的弯曲微分方程为：
式中，Qr表示玻璃盘片在半径r处的剪力，表达式为：
D′为弹性盘片的弯曲刚度，与玻璃盘片的几何尺寸及材料有关，表达式为：
式中，E为玻璃盘片材料的杨氏模量，t为玻璃盘片厚度，μ′为玻璃盘片材料的泊松比。
将式(1)连续对半径r积分两次，可得到挠曲面在半径方向的斜率，即：
将式(4)再积分一次，可得玻璃盘片平面弯曲后的挠度，即：
式中，C1、C2、C3均为积分常数。
由于在玻璃盘片中心(r＝0)，斜率和挠度均为有限值，因此公式(4)、(5)中的C2必须等于零，即r＝0，C2＝0，因此：
由边界条件：
式中，玻璃盘片的半径为a。
将式(9)代入式(6)、式(7)，可得：
光压力F作用下，玻璃盘片的斜度、挠度和径向弯矩为：
玻璃盘片在光压力F作用下产生弯曲，在盘片表面产生径向应变εr和环向应变εθ两种应变分布，分别为：
在光纤Michelson干涉仪中，传感光纤在光压力F作用时，直接引起干涉仪中传感光纤的长度、折射率和芯径发生变化，进而改变光纤中传输光相位。由光纤相位表达式：
φ＝2βL (16)
可得传输光相位变化：
式中，
为光波在光纤中的传播常数，λ为光波在真空中的传播波长，D为光纤直径，n为光纤折射率。
由于单模光纤折射率n＝1.458，光纤材料的泊松比μ＝0.17，光纤材料的弹光系数p11＝0.121，p12＝0.27，光纤纵向应变
因此：
将式(18)代入式(17)，因此光纤Michelson干涉仪在光压力F作用下产生的相位变化为：
Δφ＝0.79·2β·ΔL (19)
玻璃盘片7在受到光压力F作用下发生弯曲，粘贴在盘片不同表面的第一测量光纤盘4A和第二测量光纤盘9A产生长度变化，两个光纤盘产生的长度变化差ΔL为：
式中，第一测量光纤盘4A和第二测量光纤盘9A的外半径为c，内半径为d，单模光纤直径为D。
将式(14)和式(15)代入式(20)，可得：
因此，光纤相位变化Δφ与光压力F关系为：
式中，F为光压力：
其中P光源功率，q受辐照面的反射系数，vc为光速。
具体的，步骤一中的光源1，所述光源1用于产生窄线宽激光，工作波长：1550±20nm；输出功率：>1mW；光谱线宽：<1pm，输入第一单芯光纤2A、输出第二单芯光纤2B，用于传输激光，均采用普通单模光纤，步骤一中的光纤耦合器3，所述光纤耦合器3分光比为1:1，两端分别连接着两根单芯单模光纤。
具体的，步骤一中的第一测量光纤4、第二测量光纤9A，用于盘绕成内外半径分别为25mm和60mm的光纤盘作Michelson干涉仪的干涉臂，均采用普通单芯单模光纤，通过环氧树脂将第一测量光纤盘4A、第二测量光纤盘9A以同心圆的方式分别粘接在玻璃盘片7的上下表面，玻璃盘片7尺寸为厚度0.1mm，直径105mm，材质为SiO2。
具体的，步骤二中的信号处理系统10包括具备光电转换、模数转换及干涉信号解调功能。显示控制系统11A主要功能是解调信号的显示。
工作原理：光源1输出的窄线宽激光经过第一单芯光纤2A进入光纤耦合器3，能量被光纤耦合器3分为两部分；一半光能量进入第一测量光纤4盘成的第一测量光纤盘4A，另一半能量进入第二测量光纤9盘成的第二测量光纤盘9A，构成Michelson干涉仪的两个干涉臂，然后激光在两个测量光纤的末端，分别被第一法拉第旋镜5和第二法拉第旋镜8反射回来，玻璃盘片7采用SiO2材质，杨氏模量E＝73×109N/m2，半径为105mm，盘片厚度t为0.1mm；光纤半径r为125μm，采用波长λ＝1550nm的光源，光纤盘内半径为2.5cm，外半径为6cm，纤芯折射率n＝1.458，光纤材料泊松比μ为0.17，弹光系数p12为0.27，p11为0.121，可计算出干涉仪的相位变化约为盘片受力的145000倍，即1nN的作用力可以使干涉仪相位发生1.45×10- 4rad的变化，所述步骤一中的光源1，所述光源1用于产生窄线宽激光，工作波长：1550±20nm；输出功率：>1mW；光谱线宽：<1pm，所述输入第一单芯光纤2A、输出第二单芯光纤2B，用于传输激光，均采用普通单模光纤，所述步骤一中的光纤耦合器3，所述光纤耦合器3分光比为1:1，两端分别连接着两根单芯单模光纤，而差分式盘片结构光纤干涉仪的灵敏度可达到1.414×10-6rad，可满足10pN量级的光压力测量，然后反射回来的光再经过光纤耦合器3，被合为一束并被再分成为两部分，一部分通过第二单芯光纤2B进入信号处理系统10，信号处理系统10包括具备光电转换、模数转换及干涉信号解调功能。所述显示控制系统11A主要功能是解调信号的显示，另一部分通过第一单芯光纤2A返回光源1，被光源1内置隔离器阻挡，且所述光纤器件都工作在单模状态，由两干涉臂反射的信号将在光纤耦合器3处产生干涉，干涉强度幅值变化可以表示为：
式中：I1、I2分别为来自第一测量光纤4、第二测量光纤9两测量臂的反射信号强度，k为光纤中的波数，Δx为两测量臂之间的长度差异，
为初始相位，玻璃盘片7受到待测激光照射，发生微弯，微弯的玻璃盘片引起两侧的光纤盘的形变，由于两个光纤盘的盘面垂直于形变方向，且分别胶合在玻璃盘片两侧，导致两个光纤盘的形变不一致，通过两个测量光纤盘构建的迈克尔逊式干涉仪，可以测得测量光纤的形变数据，经过换算可以获得待测激光在玻璃盘片上施加的压力，即光压。
整个过程，测量装置结构简单，且基于光纤干涉测量原理，使其测量灵敏度及精度较高，且其结构简单，并且没有可以移动的器件所以在测量光压的时候不会引入额外的形变源，并且该检测装置是通过待测光照射玻璃盘片使其发生微弯形变，然后使得粘贴在玻璃盘片两侧表面的测量光纤形成推挽结构，从而以推挽的方式使光纤干涉仪中的输出相位发生差分变化。该推挽调制方式对测量信号是差分增敏作用而对环境噪声是共模抑制作用。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于光纤盘式差分测量原理的光压测定装置，包括光源(1)、第一单芯光纤(2A)、光纤耦合器(3)、第一测量光纤(4)、第一法拉第旋镜(5)、支架(6)、玻璃盘片(7)、第二法拉第旋镜(8)、第二测量光纤(9)、第二单芯光纤(2B)、信号处理系统(10)和显示控制系统(11A)，其特征在于：所述光源(1)一端固定连接第一单芯光纤(2A)，所述第一单芯光纤(2A)一端连接光纤耦合器(3)，所述光纤耦合器(3)一端分别设置有第一测量光纤(4)和第二测量光纤(9)，所述第一测量光纤(4)和第二测量光纤(9)一端设置有一个玻璃盘片(7)，所述第一测量光纤(4)和第二测量光纤(9)另一端分别盘成第一测量光纤盘(4A)状和第二测量光纤盘(9A)状，所述第一测量光纤盘(4A)和第二测量光纤盘(9A)分别粘贴在玻璃盘片(7)的两侧表面上，且其末端分别连接着第一法拉第旋镜(5)和第二法拉第旋镜(8)，所述第一法拉第旋镜(5)和第二法拉第旋镜(8)分别固定在支架(6)的底座上，所述支架(6)通过压圈(61)与玻璃盘片(7)固定连接，所述光纤耦合器(3)的另一端固定设置有第二单芯光纤(2B)，所述信号处理系统(10)设置于第二单芯光纤(2B)一端，所述第二单芯光纤(2B)通过信号处理系统(10)与显示控制系统(11A)连接，所述光源(1)内部设置有可隔绝回馈激光从接口进入其内部谐振腔的隔离器。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤盘式差分测量原理的光压测定装置，其特征在于：所述第一测量光纤(4)和第二测量光纤(9)均采用单芯单模光纤，所述第一测量光纤盘(4A)和第二测量光纤盘(9A)均以相同的圆心用环氧树脂粘贴在玻璃盘片(7)的两侧表面上。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤盘式差分测量原理的光压测定装置，其特征在于：所述支架(6)与压圈(61)的连接处设置有一圈的凹陷，使得压圈可以嵌入支架(6)以固定玻璃盘片(7)。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤盘式差分测量原理的光压测定装置的使用方法，具体步骤如下：
步骤一：光源(1)输出的窄线宽激光经过第一单芯光纤(2A)进入光纤耦合器(3)，能量被光纤耦合器(3)分为两部分；一半光能量进入第一测量光纤(4)盘成的第一测量光纤盘(4A)，另一半能量进入第二测量光纤(9)盘成的第二测量光纤盘(9A)，构成Michelson干涉仪的两个干涉臂，然后激光在两个测量光纤的末端，分别被第一法拉第旋镜(5)和第二法拉第旋镜(8)反射回来；
步骤二：然后反射回来的光再经过光纤耦合器(3)，被合为一束并被再分成为两部分，一部分通过第二单芯光纤(2B)进入信号处理系统(10)；另一部分通过第一单芯光纤(2A)返回光源(1)，被光源(1)内置隔离器阻挡，且所述光纤器件都工作在单模状态，由两干涉臂反射的信号将在光纤耦合器(3)处产生干涉，干涉强度幅值变化可以表示为：
式中：I1、I2分别为来自第一测量光纤(4)、第二测量光纤(9)两测量臂的反射信号强度，k为光纤中的波数，Δx为两测量臂之间的长度差异，
为初始相位；
步骤三：玻璃盘片(7)受到待测激光照射，发生微弯，微弯的玻璃盘片(7)引起两侧的光纤盘的形变，由于两个光纤盘的盘面垂直于形变方向，且分别胶合在玻璃盘片两侧，导致两个光纤盘的形变不一致，通过两个测量光纤盘构建的迈克尔逊式干涉仪，可以测得测量光纤的形变数据，经过换算可以获得待测激光在玻璃盘片(7)上施加的压力，即光压。
5.根据权利要求4所述的一种基于光纤盘式差分测量原理的光压测定装置的使用方法，其特征在于：所述步骤一中的光源(1)用于产生窄线宽激光，工作波长：1550±20nm；输出功率：>1mW；光谱线宽：<1pm，所述输入第一单芯光纤(2A)、输出第二单芯光纤(2B)，用于传输激光，均采用普通单模光纤，所述步骤一中的光纤耦合器(3)分光比为1:1，两端分别连接着两根单芯单模光纤。
6.根据权利要求4所述的一种基于光纤盘式差分测量原理的光压测定装置的使用方法，其特征在于：所述步骤一中的玻璃盘片(7)采用SiO2材质，杨氏模量E＝73×109N/m2，半径为105mm，盘片厚度t为0.1mm，光纤半径r为125μm，采用波长λ＝1550nm的光源，光纤盘内半径为2.5cm，外半径为6cm，纤芯折射率n＝1.458，光纤材料泊松比μ为0.17，弹光系数p12为0.27，p11为0.121。
7.根据权利要求4所述的一种基于光纤盘式差分测量原理的光压测定装置的使用方法，其特征在于：所述步骤二中的信号处理系统(10)包括具备光电转换、模数转换及干涉信号解调功能。所述显示控制系统(11A)主要功能是解调信号的显示。
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