专利名称：反射式干涉型光纤传感器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感器，尤其涉及反射式干涉型的光纤传感器。
背景技术：
近30年来，光纤传感器技术得到了快速发展，现在已经是传感技术的一个重要领域，其发展直接影响到许多行业的进步。与传统的传感器相比，光纤传感器的特点主要包括(1)抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全；(2)灵敏度高；(3)重量轻，体积�。庑慰杀洌�(4)测量对象广泛；(5)对被测介质影响�。�(6)便于复用，便于成网；(7)成本低等等。由于上述优点，光纤传感器技术在电力、石油化工、生医生化、航空航天、国防、环境保护与检测等诸多领域有广泛的应用或应用前景。它利用外界因素改变光纤中光的强度 (振幅)、相位、偏振态或波长(频率)，具体可测量物理量包括电流、电压、电场、磁场、电功率、温度、应力、应变、振动、速度、角速度、血流、体压、气体浓度等等。但是光纤传感器应用光纤等光学材料作为光传感和传输介质，而光学材料特性一般都容易受到温度、振动、压力等周围环境的影响。尤其是对于相位调制型光纤传感器而言，相位调制型光纤传感器中的光电子�？槿菀资艿轿露�、振动、压力等外界因素干扰，导致其传感精度不良，使用寿命也受到影响。现有的光纤电流传感器技术参见CN100575959C、CN101299147B、CN101364475B、 CN101521104B、CN101692401B、CN101915866A、CN101957395A、CN102087307A、CN102082606A
坐寸o本发明的目的在于以下几个方面一、采用本发明设计的光纤传感器测量范围大， 测量范围最大可远远突破干涉信号周期性限制；二、采用本发明设计的光纤传感器测量灵敏度高；三、采用闭环信号检测方案，保证了采用本发明设计的光纤传感器在测量范围都具有很好的测量线性度(即在测量范围内不用校正传感器的标度因素)；四、本发明结构简单，光路和电路均易于�？榛图桑晃�、采用本发明设计的光纤传感器光路互易性好，抗干扰能力强；六、采用本发明设计的光纤传感器体积�。亓壳幔阌谧橥杓�。
发明内容
为了简化系统并有效提高系统可靠性，有必要针对传感器的信号处理单元和数据采集单元进行一体化设计，从而保证传感器的集成度和稳定性。鉴于上述情况，本发明提供一种光纤传感器，包括光源、光学器件集成组件、探头、 光电探测器、信号处理单元。所述光学器件集成组件中包括Y型光相位调制器；所述光学器件集成组件将光源输出的光线起偏为两束线偏振光并传输至探头；接收从探头处返回的光线并使得返回的光线在所述Y型光相位调制器中发生干涉；将干涉结果输出到光电探测器；接收来自信号处理单元的反馈调制信息；所述光电探测器接收光学器件集成组件的光信号输出，利用光电效应将光信号转换为电信号，将电信号输出到信号处理单元；所述信号处理单元中接收光电探测器的输出的信号，对所述信号进行处理，并将信号处理结果作为反馈调制信息反馈给所述光学器件集成组件。根据本发明的一个方面，所述光学器件集成组件中还包括第一分光合光器件、第二分光合光器件，光延迟器；第一分光合光器件接收光源输出的光线，并将该光线全部或部分地通过光纤输入到Y型光相位调制器；将光路中返回的两束偏振光的干涉结果经过光纤输出到光电探测器；第二分光合光器件接收Y型光相位调制器输出的两束偏振光,并将其转换为模式正交的形式后耦合在同一根保偏光纤中输出到光延迟器；接受从光延迟器返回的两束模式正交的线偏振光，并将其转换成偏振模式相同的线偏振光后，分解至第二分光合光器件的两个保偏光纤尾纤回传至Y型光相位调制器；光延迟器在第二分光合光器件至探头之间传输两束模式正交偏振光并调整传感器本征周期的大小。根据本发明的一个方面，所述信号处理单元中还包括放大滤波单元、模数转换单元、数字解调单元、积分单元、数字累加单元、数模转换及驱动单元、数值滤波单元、接口转换单元；其中放大滤波单元，对光电探测器的输出电信号进行处理，实现其幅值放大和噪声降低；模数转换单元，接收放大滤波单元的输出，将经过放大滤波的模拟信号转换为数字信号，然后输出到数字解调单元；数字解调单元，接收模数转换单元输出，将经过解调后的数字信号输出到积分单元进行积分运算；积分单元，接收数字解调单元的输出，将解调后的信号进行积分，得到反馈阶梯波的台阶高度信号，并将该信号分别输出给数字累加单元和数值滤波单元；数字累加单元，接收积分单元的输出，并按照时间步长对其进行累加，得到数字阶梯波信号，该数字阶梯波信号与偏置调制方波叠加，叠加结果作为数模转换及驱动单元的输入信号；数模转换及驱动单元，接收数字累加单元的输出，将数字阶梯波与调制方波转换为模拟电信号，然后把该电信号输出给Y型光相位调制器，从而驱动Y型光相位调制器对光信号进行调制，以在两束相干偏振光间引入偏置调制相位和反馈调制相位；数值滤波单元，接收积分单元的输出，对接收到的信号进行滤波，得到滤波结果信号，并将该信号输出到接口转换单元；接口转换单元，接收数值滤波单元的输出，将该输出信号转换为符合特定格式的输出信号，并以数字信号形式输出。根据本发明的一个方面，所述Y型光相位调制器是Y型集成光学光相位调制器。根据本发明的一个方面，干涉时的相位差始终保持在土 /2左右的干涉最灵敏区域。根据本发明的一个方面，在信号处理单元中，数字解调单元、积分单元、数值滤波单元集成为独立的数字处理单元。如附图所示，根据下文对最佳实施方式的详细描述，本发明公开的这些和其他目的、特征和优点将更为明显。
图I是本发明的光纤传感器一个实施例的结构示意图2是光纤传感器中进行方波调制的原理图；图3是对阶梯波进行调制的波形示意图；图4是对信号进行解调的波形示意图。
具体实施例方式图I是本发明所涉及的反射式相位调制型光纤传感器的一个实施例的示意图。根据该实施例，该光纤传感器包括光源、第一分光合光器件(即图I中的分光合光器件I)、Y 型光相位调制器、第二分光合光器件(即图I中的分光合光器件2)、光延迟器、光电探测器、 放大滤波单元、模数转换单元、数字解调单元、积分单元、数字累加单元、数模转换及驱动单元、数值滤波单元、接口转换单元。由于本发明所设计的传感器可以用作通用传感器，因此其中的探头的作用是对待测量进行检测，探头的构成可根据具体待测量种类而定。比如测量电压的探头，它就主要有电光调制晶体构成。至于测定其它的待测量，则本领域的技术人员可以根据需要而自行选取相应的探头，因此本发明的重点不在于探头本身的改进，下文对探头结构及其组成不再详叙。在该实施例中，第一分光合光器件、Y型光相位调制器、第二分光合光器件、光延迟器既可以统一集成为一个独立的光学组件，称为光学器件集成组件，也可以按照设计需求， 将这些器件组成多个组件，以提高系统的集成程度，便于组件的生产，也有利于提高组件的可替换性。在优选的情况下，第一分光合光器件、Y型光相位调制器、第二分光合光器件、光延迟器构成�？榛墓庋骷勺榧Ｔ诟檬凳├校糯舐瞬ǖピ⒛Ｊ坏ピ�、数字解调单元、积分单元、数字累加单元、数模转换及驱动单元、数值滤波单元、接口转换单元既可以统一集成为一个独立的信号处理�？椋莆藕糯淼ピ�(即图I中的闭环信号处理单元)，也可以按照设计需求，将这些器件组成多个组件，以提高系统的集成程度，便于组件的生产，也有利于提高组件的可替换性。光源，用于输出光线，对于本发明所涉及的相位调制式干涉型的光纤传感器，光源输出的光线作为光频载波信息。光源的输出光线通过光纤输入到第一分光合光器件。第一分光合光器件，用于接收光源输出的光线，并将该光线全部或部分地通过光纤输入到Y型光相位调制器。作为光相位调制器的一个实施例，此处采用Y型光相位调制器。此外，第一分光合光器件还将传感器光路中返回的两束偏振光干涉结果经过光纤输出到光电探测器，进行后续信号解调和处理。第一分光合光器件属于现有技术，包括但不限于耦合器、环形器。图I中的Y型光相位调制器为集成光学Y型光相位调制器，即Y型集成光学光相位调制器(以下简称为Y型光相位调制器)。Y型光相位调制器，用于接收第一分光合光器件输出的光信号，随即将该光信号起偏成线偏振光，并进一步地将该线偏振光等分成两束， 沿着Y型光相位调制器的两根保偏光纤尾纤前向传输。此外，Y型光相位调制器还用于接收数模转换及驱动单元输出的偏置调制和阶梯波反馈控制信号，对两束偏振光的相位进行调制。
此外，Y型光相位调制器还用于接受从第二分光合光器件返回的两束线偏振光，这两束线偏振光在Y型光相位调制器中发生干涉后，干涉结果经过光纤尾纤输出到第一分光合光器件。第二分光合光器件，用于接收Y型光相位调制器输出两束偏振光,并将其转换为模式正交的形式后稱合在同一根保偏光纤中输出到光延迟器。此外，第二分光合光器件用于接受从光延迟器返回的两束模式正交的线偏振光， 并将其转换成偏振模式相同的线偏振光后，分解至第二分光合光器件的两个保偏光纤尾纤回传至Y型光相位调制器。需要说明的是，尽管分解回传的两束线偏振光的偏振模式与前向传输时的偏振模式相同，但是传输通道互换了，即沿光纤尾纤I (比如第二分光合光器件左边的两根光纤尾纤，上面的一根尾纤称为光纤尾纤I，下面的一根称为光纤尾纤2)前向传输的偏振光将沿光纤尾纤2回传，而沿光纤尾纤2前向传输的偏振光将沿光纤尾纤I回传。第二分光合光器件属于现有技术，包括但不限于PBS(polarization beam splitter),即偏振光分离器。 本领域的技术人员完全能够得知其具体实现方式，在本文中不再详述。光延迟器，用于第二分光合光器件至探头之间的两束模式正交偏振光传输，它可以是几米至几千米的保偏光纤。光延迟器的另一作用是用于调整传感器本征周期T的大小，并以其作为传感器信号处理环节的时序基准。本征周期T是指偏振光在传感器光路中的传输时间。探头，用于直接敏感待测物理量，并由于敏感该物理量而在两束正交偏振光间形成相位差。探头一般至少由3部分组成，即传感介质，包括光纤或其它的光学材料；反射镜， 包括在传感介质端面安装镜面或镀膜形成镜面；偏振光转换器，比如1/4波片，或法拉第旋转镜等。此外，与输入时相比，两束模式正交的偏振光在输出探头时还实现了模式互换，即原来是X模式的线偏振光在反向回传时变为Y模式，原来是Y模式的线偏振光在反向回传时变为X模式。光电探测器，用于接收第一分光合光器件的光信号输出，利用光电效应将光信号转换为电信号，将电信号输出到放大滤波单元。放大滤波单元，用于对光电探测器的输出电信号进行处理，实现其幅值放大和噪声降低。模数转换单元，用于接收放大滤波单元的输出，将经过放大滤波的模拟信号转换为数字信号，然后输出到数字解调单元。数字解调单元，用于接收模数转换单元输出，将经过解调后的数字信号输出到积分单元进行积分运算。解调方法是，对输入信号的前后半周期各取n个点累加求和，之后相减，即得解调结果。n可以是1，也可以是其它正整数。积分单元，用于接收数字解调单元的输出，将解调后的信号进行积分，得到闭环信号处理单元反馈阶梯波的台阶高度信号，并将该信号分别输出给数字累加单元和数值滤波单元。数字累加单元，用于接收积分单元的输出，并按照时间步长T对其进行累加，得到数字阶梯波信号。该数字阶梯波与在闭环信号处理单元中形成的土 n/2偏置调制方波叠加，叠加结果作为数模转换及驱动单元的输入信号。
数模转换及驱动单元，用于接收数字累加单元的输出，将数字阶梯波与偏置调制方波信号转换为模拟电信号，然后把该电信号输出给Y型光相位调制器,从而驱动Y型光相位调制器对光信号进行调制，以在两束相干偏振光间引入土 n /2偏置调制相位和CtR反馈调制相位。数值滤波单元，用于接收积分单元的输出，对接收到的信号进行滤波，得到滤波结果信号，并将该信号输出到接口转换单元。接口转换单元，用于接收数值滤波单元的输出，将该输出信号转换为符合特定格式的输出信号，并以数字信号形式输出。如图I所示，光源发出的光经第一分光合光器件后，通过光学器件集成组件起偏为线偏振光，并随即分为模式正交、幅度相等的两束线偏振光，分别沿光学器件集成组件中的Y型光相位调制器的两根尾纤前向传输。根据本发明的一个实施方式，光源发出的光经第一分光合光器件后进入Y型集成光学光相位调制器，Y型集成光学光相位调制器对输入光至少具有起偏、分束、相位调制等三项功能。两束线偏振光在Y型光相位调制器中受到来自闭环反馈通道(即图I中光学器件集成组件、光电探测器、闭环信号处理单元这三者形成的闭环)的数模转换及驱动单元输出信号的电光调制作用，在这两束线偏振光间引入调制相位，使得两束光在最终发生干涉时的相位差始终保持在土 n /2附近浮动。所述调制相位的具体原理和波形参见图2、3的内容，后文将进行进一步的描述。线偏振光经过调制后，经过第二分光合光器件的处理之后，经过光延迟器，传输至探头。根据本发明的一个实施方式，转变为两束模式正交的线偏振光，沿着同一根保偏光纤的X模和Y模经过光延迟器(此光延迟器可以是一段保偏光纤，长度从数十米至数千米均可。其作用是适当调整光在光路中的传输时间T，T作为整个传感器系统的本征周期，也是信号处理信号单元中进行调制解调的时间基准)后到达传感探头。在探头处，两束光敏感某种物理效应，比如，法拉第磁光效应、泡克耳斯(Pockels)电光效应等等，产生非可逆相位差0 (参见下文第一个公式)，并且经探头处的反射镜反射，该两束光模式互换后沿原光路返回。返回的光在Y型光相位调制器处发生干涉，干涉结果通过第一分光合光器件后耦合进光电探测器，然后送入信号处理单元进行信号提取。在闭环信号处理单元中，数字解调单元、积分单元、数值滤波单元等既可以统一集成为一个独立的信号处理�？椋莆执淼ピ部梢园凑丈杓菩枨螅庑┠？樽槌啥喔鲎榧蕴岣呦低车募沙潭龋阌谧榧纳灿欣谔岣咦榧目商婊恍�。在闭环信号处理单元中，光电探测器输出的信号经过放大滤波单元进行放大滤波，然后进行模数转换得到数字信号，数字信号的转换结果被送入数字处理单元，进行数字信号的解调、积分、数值滤波等计算。数字处理单元中产生输出信号以及偏置调制和反馈调制信息，其中偏置调制和反馈调制信息经数模转换及驱动单元后输出到光学器件集成组件中的Y型光相位调制器，从而形成闭环信号处理系统。根据本发明的一个具体实施例，如果数模转换及驱动单元不向光学器件集成组件中的Y型光相位调制器进行相位调制的情况下，那么两束相干光的干涉结果为Id = I0 (1+cos )(I)式中，Itl是两束相干光的强度，0是两束相干光在探头处敏感待测物理量(比如电流、电压等)形成的相位差信息。
从上式可以看出，干涉结果Id是相位差0的余弦函数。由于余弦函数在零相位时斜率为零，对微小相位差反应不灵敏，所以从上式中直接提取相位信息0比较困难，同时不能分辨相差的符号。应用方波调制技术使相差信息产生土 /2偏置，使传感器系统工作在较灵敏的区域，提高传感器的响应灵敏度；同时通过方波调制，在频域上将输出信号频谱由低频区迁移到高频，避开低频区的1/f噪声，减少了低频噪声的影响。这时，上式变为
权利要求
1.一种反射式干涉型光纤传感器系统，包括光源、光学器件集成组件、探头、光电探测器、信号处理单元，其特征在于，所述光纤传感器为反射式干涉型光纤传感器；所述光纤传感器中，两束模式正交的线偏振光沿同一根保偏光纤的两个正交模式传输至探头，并在探头内发生反射并使得两束光的正交模式互换，之后沿原光路返回；所述光学器件集成组件中包括Y型光相位调制器；所述光学器件集成组件将光源输出的光线起偏为两束线偏振光并传输至探头；接收从探头处返回的光线并使得返回的光线在所述Y型光相位调制器中发生干涉；将干涉结果输出到光电探测器；接收来自信号处理单元的反馈调制信息；所述光电探测器接收光学器件集成组件的光信号输出，利用光电效应将光信号转换为电信号，将电信号输出到信号处理单元；所述信号处理单元中接收光电探测器的输出的信号，对所述信号进行处理，并将信号处理结果作为反馈调制信息反馈给所述光学器件集成组件中的Y型光相位调制器。
2.根据权利要求I所述光纤传感器系统，其特征在于，所述光学器件集成组件中包括第一分光合光器件、第二分光合光器件、光延迟器； 第一分光合光器件接收光源输出的光线，并将该光线全部或部分地通过光纤输入到Y 型光相位调制器；将光路中返回的两束偏振光的干涉结果经过光纤输出到光电探测器；第二分光合光器件接收Y型光相位调制器输出的两束偏振光，并将其转换为模式正交的形式后耦合在同一根保偏光纤中输出到光延迟器；接受从光延迟器返回的两束模式正交的线偏振光，并将其转换成偏振模式相同的线偏振光后，分解至第二分光合光器件的两个保偏光纤尾纤回传至Y型光相位调制器；光延迟器在第二分光合光器件至探头之间传输两束模式正交偏振光并调整传感器本征周期的大小。
3.根据权利要求I或2所述的光纤传感器系统，其特征在于，所述信号处理单元中还包括放大滤波单元、模数转换单元、数字解调单元、积分单元、 数字累加单元、数模转换及驱动单元、数值滤波单元、接口转换单元；其中放大滤波单元，对光电探测器的输出电信号进行处理，实现其幅值放大和噪声降低；模数转换单元，接收放大滤波单元的输出，将经过放大滤波的模拟信号转换为数字信号，然后输出到数字解调单元；数字解调单元，接收模数转换单元输出，将经过解调后的数字信号输出到积分单元进行积分运算；积分单元，接收数字解调单元的输出，将解调后的信号进行积分，得到反馈阶梯波的台阶高度信号，并将该信号分别输出给数字累加单元和数值滤波单元；数字累加单元，接收积分单元的输出，并按照时间步长对其进行累加，得到数字阶梯波信号，该数字阶梯波信号与偏置调制方波叠加，叠加结果作为数模转换及驱动单元的输入信号;数模转换及驱动单元，接收数字累加单元的输出，将数字阶梯波与调制方波转换为模拟电信号，然后把该电信号输出给Y型光相位调制器，驱动Y型光相位调制器对光信号进行调制以在两束相干偏振光间引入偏置调制相位和反馈调制相位；数值滤波单元，接收积分单元的输出，对接收到的信号进行滤波，得到滤波结果信号， 并将该信号输出到接口转换单元；接口转换单元，接收数值滤波单元的输出，将该输出信号转换为符合特定格式的输出信号，并以数字信号形式输出。
4.根据权利要求2所述的光纤传感器系统，其特征在于，所述Y型光相位调制器是Y型集成光学相位调制器。
5.根据权利要求1-4所述的光纤传感器系统，其特征在于，干涉时的相位差始终保持在± /2左右的最灵敏区域。
6.根据权利要求3-5所述的光纤传感器系统，其特征在于，在信号处理单元中，数字解调单元、积分单元、数值滤波单元、数字累加单元、数模转换及驱动单元、接口转换单元可全部地或部分地集成。
全文摘要
本发明提出了一种反射式干涉型光纤传感器的通用方案。它包括光源、光电探测器、光学器件集成组件、探头以及基于相关调制解调的数字闭环信号处理单元组成。其中光学器件集成组件由第一分光合光器件、Y型Y型光相位调制器、第二分光合光器件、光延迟器组成，作用包括分光合光、光起偏、偏振光分解、和光相位调制。该光纤传感器的通用方案具有互易性光路，提高了传感器对温度、振动等环境因素的抗干扰能力；它采用方波偏置调制结合阶梯波反馈调制的数字闭环微弱信号检测方法，使得传感器由此可以高线性度、高准确度地测得待测物理量大小。
文档编号G01D5/353GK102607620SQ20121008760
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月29日 优先权日2012年3月29日
发明者石金华 申请人:扬州永阳光电科贸有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
