一種單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅骷皞鞲邢到y(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體而言涉及一種單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅?及傳感系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅髟诠饫w傳感、光信號處理等領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用，包 括光纖應(yīng)力傳感、光纖分布式振動傳感等。普通光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅魍ǔＰ枰?光分路器將來自光源的光信號燈功率分配后，入射到兩根分立的光纖中，當(dāng)光在各自光纖 的端面被反射后，再分別沿光路返回到光分路器，此時光分路器對返回光進行合波，兩束 返回光發(fā)生干涉，通過光電轉(zhuǎn)換后進行強度采集，獲取的信號可能呈現(xiàn)出余弦的周期性變 化。在這種分立的光路中，參考臂容易受溫度的影響，從而使干涉強度出現(xiàn)干擾。為了簡 化光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅鞯母缮娼Y(jié)構(gòu)，專利"基于同軸光纖的邁克爾遜干涉儀"（專利 號：ZL200910044807. 4)、"光纖內(nèi)集成式微型邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅骷捌渲谱鞣椒?（專利號： ZL200910104579. 5)和"微型光纖集成的光纖邁克爾遜干涉式溫度傳感器、制作方法"（專 利號：ZL200910104580.8)等采用光纖復(fù)接或微加工的方法，在一段光纖上構(gòu)建光纖邁克 爾遜干涉?zhèn)鞲衅?，但上述方法制作工藝?fù)雜，批量生產(chǎn)困難，實用性不佳。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅骷跋到y(tǒng)， 該裝置結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、靈敏度高、配置靈活、抗電磁干擾、耐腐蝕和可用于惡劣環(huán)境等 優(yōu)點。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅?，它?普通單模光纖以及光纖上分別刻寫的兩個與光纖軸垂直的第一啁嗽光柵、第二啁嗽光柵組 成，第一啁嗽光柵與第二啁嗽光柵之間保持一定的間距前后排列，且有相同的反射光譜特 性，其反射率低于1%。
[0005] 本實用新型還提供了一種單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅鞯膫鞲邢到y(tǒng)，包括窄帶激光 光源，光環(huán)行器，光電探測器，帶A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集卡，計算機，以及單光纖邁克爾遜干涉 傳感器。環(huán)形器的第一端口接激光光源，環(huán)形器的第二端口接單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅鳎?環(huán)形器的第3端口接光電探測器，光電探測器與數(shù)據(jù)采集卡連接，數(shù)據(jù)采集卡與計算機連 接。
[0006] 激光光源的工作波長位于第一啁嗽光柵、第二啁嗽光柵的反射譜范圍內(nèi)。
[0007] 單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅鞯奈捕吮P繞成半徑小于5_、圈數(shù)大于10圈的小圓， 且光纖尾端的端面斜度小于60°，以降低端面反射。
[0008] 計算機對干涉儀引起的相位變化進行解調(diào)，提取相應(yīng)的物理參量的信息。
[0009] 單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅鞯膫鞲邢到y(tǒng)的工作原理如下：
[0010] 激光光源發(fā)出的光經(jīng)過環(huán)形器注入到單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅?，假定第一啁?光柵、第二啁嗽光柵反射系數(shù)為R。，激光的光強為I。，則第一啁嗽光柵反射光為I〇*R。，透射 光為Ic*(1-?)。透射光入射到第二啁嗽光柵上時，反射信號的強度為Ic*(1-?)*私，反射信 號通過第一啁嗽光柵后的強度為則第一啁嗽光柵、第二啁嗽光柵兩束返回 光的強度之比為：1 :(1-R。)2。
[0011] 假定光柵的反射率Re等于1%，兩束光的強度之比為1 :〇. 9801，光強相差小于 2%;而光柵的反射率降低到0. 1%時，兩束反射光的強度之比為1:0. 998001，兩束光強相差 小于0. 2%。這對干涉條紋的影響非常有限，可以近似為等功率兩束光。兩束光是同一激光 光源的反射光，具有相同的傳播方向和穩(wěn)定的相位差，因此會產(chǎn)生雙光束干涉，其反射機理 符合邁克爾遜的工作機理，命名為單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅鳌Ｆ潆p光束干涉的表達式：
[0012] Id~2R0*I0*{l+cos[4JrneffL/入+ <i>r]} (I)
[0013] 式中，Id為雙光束干涉的光強，L為兩光柵之間的距離，（i^為兩光柵之間的相位 差。當(dāng)兩個光柵之間的光纖受到外界擾動時，干涉信號的相位差變化A?。?br>[0015] 由公式（2)可知，當(dāng)光源的波長確定后，兩束干涉光的干涉相位變化系數(shù)與光柵 間距L直接相關(guān)。光柵距離越長，相位變化的靈敏度越高。研究表明，普通光柵的相位變化 為：
[0017] 式中，d為光柵的長度。大多數(shù)光柵的長度在幾個毫米，而邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅鲀?個光柵之間的距離理論上由激光光源的相干長度確定。比較式（2)和（3)可知，在同樣的 應(yīng)變參數(shù)下，單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度比單光柵高L/d倍。例如，假定光柵的長 度為6_，邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅鞯谋坶LL為60m，則系統(tǒng)的靈敏度提高1000倍，可以進行高 靈敏度傳感！
[0018] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果在于：
[0019] 1)、干涉結(jié)構(gòu)簡單?；谌豕鈻诺膫鞲衅魇窃谕桓饫w上制作，避免了傳統(tǒng)光纖 邁克爾遜傳感器的雙光纖結(jié)構(gòu)，或者通過光學(xué)精密加工制作特定的雙反射面。
[0020] 2)、制作簡單，無需進行復(fù)雜的機械加工，尤其適合拉絲塔工藝制作光柵，只需要 在光纖拉絲過程中根據(jù)間距設(shè)計要求進行光柵刻寫，易于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0021] 3)、靈敏度可以根據(jù)具體的應(yīng)用場合靈活設(shè)計，即設(shè)計不同的光柵間距長度可以 獲得不同靈敏度的干涉儀。
[0022] 4)、可以方便進行分布式傳感。該傳感系統(tǒng)采用窄線寬激光器作為光源，激光經(jīng)過 光柵反射后，具有良好的相干特性，因而可以將兩個光柵之間的間距設(shè)計為數(shù)十米甚至更 長，而兩個光柵區(qū)間內(nèi)的光纖上任何一點可作為傳感介質(zhì)，從而實現(xiàn)分布式傳感。
【附圖說明】
[0023] 圖1為采用雙光柵構(gòu)成本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖2為采用本實用新型傳感器構(gòu)成傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0025] 圖3為本實用新型傳感系統(tǒng)的具體實施例。
[0026] 圖中：1 一第一啁嗽光柵，2-第二啁嗽光柵，3-激光光源，4一光環(huán)行器，5-光電 探測器，6-數(shù)據(jù)采集卡，7-計算機，8-單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅鳎?一傳感光纖，10-解 調(diào)儀表。
【具體實施方式】
[0027] 以下結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施例作進一步的詳細描述：
[0028] 本實用新型的一種單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅?，結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由普通單模 光纖以及光纖上分別刻寫的兩個與光纖軸垂直的第一啁嗽光柵1、第二啁嗽光柵2組成，第 一啁嗽光柵1與第二啁嗽光柵2之間保持一定的間距10米、前后排列，且有相同的反射光 譜特性，其反射率低于0. 1 %。第一啁嗽光柵1、第二啁嗽光柵2采用相位掩模法制作，光柵 長度約6mm。
[0029] 如圖2所示，本實用新型一種單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅魉鶚?gòu)成的傳感系統(tǒng)，包 括窄帶（線寬IOMHz)的激光光源3、光環(huán)行器4、光電探測器5、A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集卡6、 計算機7,以及本實用新型的單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅?。光環(huán)行器4的第一端口接激光 光源1，光環(huán)行器4的第二端口接單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅?,光環(huán)行器4的第三端口接 光電探測器5,光電探測器5與數(shù)據(jù)采集卡6連接，數(shù)據(jù)采集卡6與計算機連接7。
[0030] 該傳感系統(tǒng)運行時，激光光源3發(fā)出約IOdBm的連續(xù)光功率信號，進入光環(huán)行器4， 再進入本實用新型的單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅?,形成反射干涉譜，經(jīng)過光環(huán)行器4進入 光電探測器5,將光信號的變化轉(zhuǎn)換為電信號的變化，再經(jīng)過帶A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集卡6,完 成電信號的模/數(shù)轉(zhuǎn)換計算，最后進入計算機7,計算機7對數(shù)據(jù)進行處理，識別信號相位的 變化，解調(diào)傳感參量。
[0031] 將該傳感器設(shè)置在需要進行應(yīng)變監(jiān)測的場合，如圖3所示，當(dāng)兩個光柵之間傳感 光纖9受到2外力作用，傳感光纖9為普通單模光纖，光纖將產(chǎn)生應(yīng)變，其長度發(fā)生變化，從 而引起相位按式（2)發(fā)生改變。這種變化將引起光強信號的變化，這種變化被轉(zhuǎn)換成電信 號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換進入解調(diào)儀表10 (該儀表集成光源、環(huán)形器和計算機等），采用相位解調(diào)算法 (如全數(shù)字相位載波解調(diào)PGC)解調(diào)這種相位的變化，即可精確獲得傳感光纖9上對應(yīng)的應(yīng) 變變化。
[0032] 將該傳感器設(shè)置在需要進行振動監(jiān)測（如光纖圍欄）的場合時，人攀爬引起圍欄 的周期性振動，這種振動引起光纖上的受力變化，其瞬時工作原理同應(yīng)變監(jiān)測類似，解調(diào)儀 表10采用相位解調(diào)算法（如全數(shù)字相位載波解調(diào)PGC)解調(diào)不同時刻相位變化，再通過傅 里葉變換等技術(shù)手段，獲取振動信號的頻率信息。
[0033] 本實用新型所涉及的相位解調(diào)算法等，屬于已有技術(shù)且在水聽計、光電信號檢測 等領(lǐng)域已有多種形式和應(yīng)用。在此只是列舉部分實現(xiàn)方式，不對算法的細部特征再做具體 敘述。
[0034] 本實用新型不僅具有普通光纖傳感器的優(yōu)點，還具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、靈敏度 高、配置靈活等優(yōu)點，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場合進行配置，實現(xiàn)不同靈敏度的監(jiān)測，具有較 強的靈活性和適應(yīng)性。
【主權(quán)項】
1. 一種單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅?，其特征在于：在普通單模光纖上分別刻寫兩個與 光纖軸垂直的第一啁嗽光柵（1)、第二啁嗽光柵（2)，第一啁嗽光柵（1)與第二啁嗽光柵（2) 之間保持一定的間距前后排列。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅?，其特征在于：所述第一啁?光柵（1)、第二啁嗽光柵（2)具有相同的反射光譜特性，其反射率低于1%。3. -種單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅鞯膫鞲邢到y(tǒng)，包括激光光源（3)，光環(huán)行器（4)，光 電探測器（5)，帶A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集卡（6)，計算機（7)，以及權(quán)利要求1~2所述任意一 種單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅鳎?)，其特征在于：所述光環(huán)行器（4)的第一端口接激光光源 (3)，所述光環(huán)行器（4)的第二端口接所述單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅鳎?)，所述環(huán)形器的 第3端口接光電探測器（5)，光電探測器（5)與所述數(shù)據(jù)采集卡（6)連接，數(shù)據(jù)采集卡（6) 與計算機（7)連接。4. 如權(quán)利要求3所述一種單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅鞯膫鞲邢到y(tǒng)，其特征在于：所述 的激光光源（3)的工作波長，位于第一啁嗽光柵（1)、第二啁嗽光柵（2)的反射譜范圍內(nèi)。5. 如權(quán)利要求3所述一種單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅鞯膫鞲邢到y(tǒng)，其特征在于：所述 單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅鳎?)的尾端盤繞成半徑小于5_、圈數(shù)大于10圈的小圓，且光纖 尾端的端面斜度小于60°。
【專利摘要】本實用新型適用于光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅?，包括依次在普通單模光纖上前、后刻寫的第一啁啾光柵、第二啁啾光柵，兩個啁啾光柵具有相同反射譜、反射率低于1％的低反射率光柵。本實用新型還公開了一種單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅鞯膫鞲邢到y(tǒng)，包括激光光源，光環(huán)行器，光電探測器，帶A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集卡，計算機信號處理。該單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅骶哂薪Y(jié)構(gòu)簡單、制作方便、靈敏度高、配置靈活、抗電磁干擾、耐腐蝕和可用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點。
【IPC分類】G01D5/26
【公開號】CN204788430
【申請?zhí)枴緾N201520350938
【發(fā)明人】羅志會, 潘禮慶, 曾曙光, 肖焱山, 楊先衛(wèi)
【申請人】三峽大學(xué)
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年5月27日