專利名稱：自動調(diào)諧f-p光纖傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及光纖傳感，是一種利用光纖作為傳輸光介質(zhì)的基于微機電系統(tǒng)(MEMS)工藝的法布里-帕羅諧振腔(以下簡稱為F-P腔)的高靈敏度工作點(簡稱為Q 點)穩(wěn)定的光纖位移/振動傳感器。特別涉及到使用鍍膜的F-P腔和利用一定的腔長， 得到具有低精細(xì)度千涉的條紋最大對比度，通過信號輸出反饋來控制可調(diào)諧激光器 波長進而鎖定系統(tǒng)Q值點的傳感器系統(tǒng)。本實用新型適用于對環(huán)境溫度或者外界介 質(zhì)不穩(wěn)定的地方的位移、壓力、超聲波等進行測量。
技術(shù)背景直到最近，壓力傳感器，例如振動傳感器仍然是基于電容式或者壓阻式的結(jié)構(gòu)。 這種結(jié)構(gòu)有很多缺點，例如靈敏度低，高偏置電壓，要求各層之間絕緣，要求膜電 極之間的一致性等，以上問題都要有很復(fù)雜的解決方案。光纖F-P傳感器能夠解決電容式傳感器受困擾的很多問題，比如無需偏置并且 電磁絕緣。此外，光纖F-P傳感器還有很多優(yōu)點是電容式傳感器無法比擬的。例如 靈敏度高，抗電磁千擾，安全可靠，體積小，耐腐蝕，可構(gòu)成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)等，因 而在工業(yè)探傷，材料特性分析，聲音傳感，變壓器局部放電的檢測，液位及水壓的測定等方面具有很好的應(yīng)用前景。但是目前，還有一些問題限制了它的廣泛應(yīng)用 在光源的選用上，要求光源線寬不能太窄也不能太寬，并且要求非常穩(wěn)定；在傳感 頭的制作上，要適應(yīng)環(huán)境的變化，由于是基于干涉型的，傳感頭工作在F-P干涉譜 (正弦型)的線性區(qū)域具有線性轉(zhuǎn)換函數(shù)，信號處理比較方便。所以我們一般選用F-P 腔干涉譜線中斜率最大的點作為傳感頭的工作點(以下又稱為Q值點)(見Bing Yu, Anbo Wang, "Grating-assisted demodulation of interferometric optical sensors" Appl. Opt 42 6824-6829(2003)),在Q點附近，光信號對外界信號的響應(yīng)是線性的，且具有最 大的響應(yīng)靈敏度。環(huán)境的變化很容易使傳感頭偏離靈敏度最大值點而到達非線性區(qū) 域。光纖F-P傳感器在很多的論文中都有論述，針對問題也都提出了一些解決方案， 比如文獻l[John F. Dorighi， "Stabilization of an embedded fiber optic Fabry—Perot sensor for ultrasound detection" IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 42, 820—824一種震動感應(yīng)裝置 技術(shù)領(lǐng)域本實用新型涉及一種震動感應(yīng)裝置。
背景技術(shù)：
在汽車防盜及其他防盜領(lǐng)域，以及各種要對物體震動進行檢測 的使用領(lǐng)域，必須將震動的信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有盘枺阌诟鞣N自動監(jiān)測系統(tǒng)的信 號采集。目前市場上的一些震動傳感器，有的價格很高，不便于大面積推廣使 用，有的靈敏度不高，不能滿足防盜需求。實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是，提供一種震動感應(yīng)裝 置，具備靈敏度高和制造成本低的特點，用以克服上述已有產(chǎn)品的不足。 本實用新型采取的技術(shù)措施是一種震動感應(yīng)裝置，包括至少一個支架， 一個銅錘、至少一個彈簧， 一個 蜂鳴器片， 一個信號處理電路和一個調(diào)節(jié)靈敏度的電位器，蜂鳴器片一端與支 架相連，另一端與彈簧相連，彈簧的另一端與銅錘相連，蜂鳴器片的中心電極 通過飛線與信號處理電路相連。所述的蜂鳴器片的直徑為20mm。 銅錘的直徑為5誦，高度為6mm。彈簧外徑為3. 5mm，線徑為0. 4mm，彈簧總長為8mm， 一共8圈。 本實用新型的積極效果是通過彈簧和銅錘的配合，當(dāng)物體發(fā)生震動時， 產(chǎn)生震動，傳遞到相連的蜂鳴器片上，使蜂鳴器片震動產(chǎn)生電阻變化，信號處 理電路通過檢測通過蜂鳴器片的電流的變化，檢測震動的強度。并且報警輸出 的震動強度值可以通過電位器進行調(diào)整，便于用戶自行設(shè)定震動器檢測的震動倍，達到10GHz左右。我們還對外部反饋對激光器的輸出功率的影響進行了測量，發(fā)現(xiàn)在反饋信號在 5KHz的調(diào)制下，反饋對激光器輸出功率的影響是可以忽略的。關(guān)于傳感頭，本實用新型傳感頭的構(gòu)成包括F — P腔，該F — P腔的兩腔面分別 接硅膜和導(dǎo)光光纖，所述的硅膜、F—P腔和導(dǎo)光光纖由一石英套固定，下面是F — P腔腔長的選擇依據(jù)為了得到干涉的對比度最大，F(xiàn)-P腔的腔長和硅膜反射率有以下關(guān)系其中《和7J為導(dǎo)光光纖端面的反射率和透過率，^為硅膜內(nèi)側(cè)的反射率，Z。 為腔的特征參數(shù)，W。為光纖纖芯的內(nèi)半徑，^為光傳播到硅膜處的光斑半徑，義為 激光波長，腔長Z,表示為由于受到普通半導(dǎo)體DFB激光器的波長調(diào)諧限制，我們的F — P腔長一般為選擇大 于200um，考慮到避免硅兩個面的反射，我們對硅膜鍍膜選擇的反射率應(yīng)該大于70 %，所以腔長的選擇是各個因素共同作用的結(jié)果。 本實用新型的技術(shù)解決方案如下一種自動調(diào)諧F-P光纖傳感器，包括光源和傳感頭，其特點是該光源包括一個 激光器和相應(yīng)的驅(qū)動電路和溫控電路，該激光器經(jīng)光纖與耦合器的第一端口相連， 該耦合器的第三端口經(jīng)單模光纖接所述的傳感頭，所述的耦合器的第四端口經(jīng)第二 光電探測器接主動控制單元，該耦合器的第二端口接第一光電探測器的輸入端口， 該第一光電探測器輸出端口分別連接所述的主動控制單元和信號輸出單元，所述的 主動控制單元的輸出端接所述的溫控電路，所述的傳感頭的構(gòu)成包括F—P腔，該F 一P腔的兩腔面分別接硅膜和導(dǎo)光光纖，所述的硅膜、F — P腔和導(dǎo)光光纖由一石英 套固定，所述的導(dǎo)光光纖的另一端接所述的單模光纖。所述的F — P的腔長》200um。 所述的耦合器為3dB耦合器。所述的光源的激光器是一分布反饋單模半導(dǎo)體激光器，而且該分布反饋單模半 導(dǎo)體激光器的輸出端具有光反饋。所述的硅膜的內(nèi)側(cè)面鍍有反射膜，反射率的選擇范圍為70% 100%。由于在 導(dǎo)光光纖端面鍍膜會存在一定的難度和隨^L性，我們對導(dǎo)光光纖的端面不進行鍍膜 處理，這樣導(dǎo)光光纖端面的功率反射率大約就是3.5%，所有的連線都采用單模光纖進行連接，接頭一般都盡量采用有角度的活動連接 器(APC接頭)，以減小額外的F—P干擾。本實用新型的技術(shù)效果(1) 本實用新型采用對傳感頭的F-P腔的腔長進行設(shè)計，采用長的F-P腔長的 傳感頭，以降低對激光器波長調(diào)諧范圍的要求；(2) 本實用新型傳感頭的硅膜的內(nèi)側(cè)面鍍有反射膜，避免了硅膜兩個反射面反 射光對接收信號產(chǎn)生干擾，使F-P干涉條紋的對比度盡可能的大， 一般大于30dB， 極大地提高了系統(tǒng)的靈敏度；G)本實用新型的主動控制單元接收第一光電探測器的電信號主動調(diào)節(jié)光源的 DFB激光器的溫控，及時反饋控制傳感頭的工作點處于F-P腔的Q點位置，提高了 系統(tǒng)的靈敏度和動態(tài)范圍，避免了在系統(tǒng)校準(zhǔn)時要用到大的光譜儀和示波器的問題， 極大地簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。(4)采用了分布反饋單模半導(dǎo)體激光器作光源，解決了窄帶寬激光器所帶來的 對外界敏感的問題，并且使光源的能量利用率高，輸出能量高，提高了系統(tǒng)的靈敏 度，并且光源變得小巧，縮小了系統(tǒng)的體積；
圖1是本實用新型自動調(diào)諧F — P光纖傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖具體實施方式
先請參閱圖l，圖1是本實用新型自動調(diào)諧F—P光纖傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，也 是本實用新型實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本實施例自動調(diào)諧F-P光纖傳感器， 包括光源1和傳感頭4，該光源1是一個帶溫控電路的分布反饋單模半導(dǎo)體激光器， 該激光器經(jīng)光纖與耦合器2的第一端口 201相連，該耦合器2的第三端口 203經(jīng)單 模光纖3接所述的傳感頭4，所述的耦合器2的第四端口 204經(jīng)第二光電探測器6接主動控制單元7，該耦合器2的第二端口 202接第一光電探測器5的輸入端口， 該第一光電探測器5的輸出端分別連接所述的主動控制單元7和信號輸出單元8， 所述的主動控制單元7的輸出端接所述的光源1的溫控電路，所述的傳感頭4的構(gòu) 成包括F—P腔402,該F—P腔402的兩腔面分別接硅膜401和導(dǎo)光光纖404，所 述的硅膜401、 F—P腔402和導(dǎo)光光纖404由一石英套403固定，所述的導(dǎo)光光纖 404的另一端接所述的單模光纖3。在本實施例中所述的耦合器2為3dB耦合器。所述的硅膜401的內(nèi)側(cè)面鍍有高 反射膜。所有的連線都采用單模光纖進行連接，接頭一般都盡量采用有角度的活動 連接器連接，以減小額外的F^"P干擾。所述的第一光電探測器5和第二光電探測器6選為1550nm附近的光電探測器。本實施例的工作情況如下光從光源1出發(fā)，經(jīng)耦合器2的第一端口進，從第三端口 203、第四端口 204 分兩路輸出， 一路從第四端口 204輸出由第二光電探測器6探測，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?稱為光束電信號G，進入主動控制單元7，另一路由第三端口 203輸出經(jīng)單模光纖3 進入傳感頭4，傳感頭4由硅膜401、 F—P腔402、石英套403和導(dǎo)光光纖404構(gòu) 成，在光纖端面未鍍膜，反射率為3.5%，硅膜內(nèi)側(cè)鍍金，反射率100%,腔長362um， 經(jīng)測量表明該F—P腔402的干涉對比度達到22.88dB。當(dāng)光束進入傳感頭4時，在 導(dǎo)光光纖404端面有一部分反射， 一部分進入F — P腔402后被硅膜401反射后在導(dǎo) 光光纖404的端面處產(chǎn)生干涉，屬于低精細(xì)度的F-P干涉，又由于光源l的線寬比 較寬，所以一般只需考慮一次反射的干涉結(jié)果。硅膜401的內(nèi)面鍍有高反射膜，與 導(dǎo)光光纖404的端面形成一個F-P腔402。外界震動使硅膜401產(chǎn)生受迫震動，進而 改變F—P腔402的腔長，這樣在導(dǎo)光光纖404端面的干涉條紋將會對光的強度進行 調(diào)制。被調(diào)制的光稱為信號光，又經(jīng)過單模光纖3從耦合器2第三端口 203輸入， 由耦合器2的第一端口 201和第二端口 202輸出，從第二端口 202輸出的信號光被 第一光電探測器5探測，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，稱為信號光電信號，該信號光電信號主要 部分X1經(jīng)輸出單元8輸出供使用，該信號光電信號另一部分X2進入主動控制單元 7，在主動控制單元7中(1)將信號光電信號X2和光束電信號G取平均(濾波)后由除法器相除，取 得一個相對光源的X2/G控制信號，這樣做的目的是去除光源功率漂動影響，獲得 一個與光源功率漂動無關(guān)的控制信號，也即反映傳感頭4激光反射輸出水平的相對值；(2) 將該結(jié)果和一個只和傳感頭本身的性質(zhì)相關(guān)的參數(shù)的大小相比較。(3) 比較的結(jié)果通過一個比例積分電路來調(diào)節(jié)控制光源l中的溫控電路，從而 保證光源1中的激光器的波長始終使傳感頭4工作在Q值點附近。另外，作為本實用新型很重要的一點，本實用新型的激光器輸出端是不加隔離 器的，根據(jù)理論，對分布反饋半導(dǎo)體激光器加入少量反饋后，大約15 18dB，激光 器的輸出線寬會急劇加寬，測量結(jié)果表明，引入反饋后激光器的輸出線寬由幾MHz 變到了大約10GHz，恰好處在我們測量的范圍內(nèi)。信號輸出單元8可根據(jù)需要由信號前置放大，濾波，后級放大后接到示波器上 或者顯示系統(tǒng)上；或者前放后由數(shù)據(jù)采集卡連接到電腦上，以對信號進行處理，以 得到探測信號的諸如頻率，強度，聲速，方位等物理量。試驗表明，本實用新型傳感器具有調(diào)諧方便、造價低廉、靈敏度高和對環(huán)境的 變化具有極強的適應(yīng)性的特點。
權(quán)利要求1、一種自動調(diào)諧F-P光纖傳感器，包括光源(1)和傳感頭(4)，其特征在于該光源(1)包括一個帶有溫控電路的激光器，該激光器直接經(jīng)光纖與耦合器(2)的第一端口(201)相連，該耦合器(2)的第三端口(203)經(jīng)單模光纖(3)接所述的傳感頭(4)，所述的耦合器(2)的第四端口(204)經(jīng)第二光電探測器(6)接主動控制單元(7)，該耦合器(2)的第二端口(202)接第一光電探測器(5)的輸入端口，該第一光電探測器(5)的輸出端口分別連接所述的主動控制單元(7)和信號輸出單元(8)，所述的主動控制單元(7)的輸出端接所述的溫控電路，所述的傳感頭(4)的構(gòu)成包括F-P腔(402)，該F-P腔(402)的兩腔面分別接硅膜(401)和導(dǎo)光光纖(404)，所述的硅膜(401)、F-P腔(402)和導(dǎo)光光纖(404)由一石英套(403)固定，所述的導(dǎo)光光纖(404)的另一端接所述的單模光纖(3)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動調(diào)諧F-P光纖傳感器，其特征在于所述的 F—P腔(402)的腔長》200iim。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動調(diào)諧F-P光纖傳感器，其特征在于所述的 耦合器(2)為3dB耦合器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動調(diào)諧F-P光纖傳感器，其特征在于所述的光源(l) 的激光器為分布反饋單模半導(dǎo)體激光器，該激光器的輸出端具有光反饋。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動調(diào)諧F-P光纖傳感器，其特征在于所述的硅膜 (401)的內(nèi)側(cè)面鍍有反射膜，反射率的選擇范圍為70% 100%。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動調(diào)諧F-P光纖傳感器，其特征在于所有的連線都 采用單模光纖進行連接，所有接頭采用有角度的活動連接器。
專利摘要一種自動調(diào)諧F-P光纖傳感器，包括光源和傳感頭，該光源包括一個帶有溫控電路的激光器，該激光器經(jīng)光纖與耦合器的第一端口相連，該耦合器的第三端口經(jīng)單模光纖接所述的傳感頭，所述的耦合器的第四端口經(jīng)第二光電探測器接主動控制單元，該耦合器的第二端口接第一光電探測器的輸入端口，該第一光電探測器5輸出端口分別連接所述的主動控制單元和信號輸出單元，所述的主動控制單元的輸出端接所述的溫控電路，所述的傳感頭的構(gòu)成包括F-P腔，該F-P腔的兩腔面分別接硅膜和導(dǎo)光光纖，所述的硅膜、F-P腔和導(dǎo)光光纖由一石英套固定，所述的導(dǎo)光光纖的另一端接所述的單模光纖。本實用新型具有調(diào)諧方便、造價低廉、靈敏度高和適應(yīng)環(huán)境變化的特點。
文檔編號G01D5/353GK201083500SQ20072007517
公開日2008年7月9日 申請日期2007年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月29日
發(fā)明者方祖捷, 耿健新, 蔡海文, 陳建永, 陳迪俊 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所