具有微分调制相位检测的干涉测定传感器制造技术

提供一种传感器，其具有：感测元件(8)，由此被测对象引起两个波之间的相对相移；相位调制器(5)，将调制添加到相对相移；至少两个检测器(10‑1，10‑2)，其中第一检测器(10‑1)响应于相对相移没有包含如由被测对象所引起的相对相移而检测干扰信号，并且其中第二检测器(10‑2)响应于相对相移包括如由被测对象所引起的相对相移而检测干扰信号；以及还包括信号处理单元(11)，其适合分析两个所检测干扰信号，并且从其中得出被测对象值。

Interferometric sensor with differential modulation phase detection

A sensor is provided with a sensing element (8), which caused the object to be measured between the two wave of the relative phase shift; phase modulator (5), will be added to the relative phase shift modulation; at least two detector (10 1, 10 2), the first detector (10 1) in response to relative phase shift does not contain such as those caused by the object to be measured the relative phase shift and the detection of the interference signal, and wherein the second detector (10 2) in response to the relative phase shift such as caused by the object to be measured the relative phase shift and the detection of interference signal; and includes a signal processing unit (11), the two was suitable for the analysis of the interference signal, and from which the measured object value.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有微分调制相位检测的干涉测定传感器
本专利技术涉及使用调制相位检测方案的干涉测定传感器。
技术介绍
US3707329描述一种用于分析通过待测量的量所调制的光束的设备。它包含机械斩光器，其在光束进入电光传感器之前调制光束的幅度。DE19544778描述一种电流传感器，其中不同长度的感测光纤的两段围绕导体缠绕（would）。依靠两个波、通常是波的两个正交偏振模式之间的干扰的传感器是已知的，并且用于大范围的
中(参见参考文献[1]-[7])。这些传感器的检测器信号与两个波之间的相对相移的余弦相关。相移能够使用例如偏振测定方案来检测。这种传感器一般要求多个检测器通道(例如两个正交偏振测定通道和测量总光功率的参考通道)。为了满足一些应用、例如DC电光电压感测中的高准确性要求，必须保持多个通道之间的极良好相对稳定性(保护精度的~1-5%相对通道稳定性)，这是严重的实际挑战。干涉测定传感器也能够使用如例如参考文献[8]中所述的调制相位检测(MPD)技术，均按照开环和闭环配置来构建。MPD技术一般在“非交互相位调制”方案中实现，并且通常用于光纤陀螺仪(FOG)和光纤电流传感器(FOCS)中([9、10])。共同拥有的专利US7911196[11]描述一种按照结合电压感测元件(或者若干这类元件)、45°法拉第旋转器以及MPD调制和检测电子器件的反射配置的电压传感器。具有横向配置电压单元的类似系统能够见于[12]。然而偏振测定光学相位测量通常要求从多个检测器所测量的光功率的比较，在MPD中，快速相位调制添加到待测量相移上，并且仅需要一个检测器来测量响应波形并且从其中计算相移。MPD相移计算与测量功率的绝对电平无关，并且因此对产生于低频振动和环境扰动的光功率波动(其可在不同检测器之间改变，但是不能改变检测器测量的波形的形状(只要扰动远小于调制频率))是固有地免疫的（immune）。迄今，实际MPD传感器的设计采用“非交互相位调制”原理。这类传感器能够主要划分为两类：萨格纳克干涉计配置和反射配置。光学设计是交互的，意味着必须抵消在电路中的传播期间所累积的所有本征相移。但是，感测元件中的被测对象引起相移和由调制器所强加的相位调制是非交互的并且进行合计。为此，干扰波在到达检测器之前必须在相反方向上两次经过相位调制器和任何互连光纤。需要单模(偏振保持(PM))光纤往来于具有所定义相移(和偏振)的光学相位调制器传送波。对于信号处理，闭环和开环方案均被开发，以从测量波形提取被测对象引起相移，参见例如[8]。交互设计的原理在所有实际MPD传感器中已是必不可少的，因为相位调制器和PM光纤两者中的本征相移对温度或应力扰动极为敏感。因此，在没有交互光学电路系统的情况下，简单MPD设备在现实世界环境中将不会可靠地工作，因为测量相移将会被环境扰动持续扰动。另一方面，采用交互设计，MPD传感器已经证明取得具有显著DC稳定性的优秀相位测量准确性。实现全光纤装置、例如FOG或FOCS的交互光学设计相对简易，因为在这类装置中，光纤本身是感测媒介，并且各种光纤组件之间的高耦合效率能够通过标准拼接（splicing）可靠地实现。但是，对于其中感测元件不是光纤、而是例如块状元件的传感器，具有光纤耦合光学相位调制器的交互光学设计相当难以实现。那是因为，在经过块状光学感测元件之后，光必须被耦合回到单模光纤(反射配置中在感测元件之前的相同光纤)中，以及对于以高效率和可靠性那样做独自是相当大的技术挑战。根据上文，将提供一种使用微分调制相位检测方案、而无需把来自感测元件(其具体能够是块状光学感测元件)的光耦合到单模光纤或波导中的干涉测定传感器看作本专利技术的目的。
技术实现思路
因此，按照本专利技术的第一方面，提供一种干涉测定传感器，其具有：感测元件，由此被测对象引起两个波之间的相对相移；相位调制器，将调制添加到相对相移；至少两个检测器，其中第一检测器响应于相对相移没有包含被测对象引起相对相移而检测干扰信号，并且其中第二检测器响应于相对相移包含被测对象引起相对相移而检测干扰信号。能够比较两个信号，以从其中得出被测对象值。术语“波”在这里按照字面的一般物理意义意味着包含在空间和时间传播的所有类型的振荡。波可以具有窄或宽谱含量，可以是长久的或者在持续时间中受到限制，以及可由一个源生成或者从多个源综合。波的性质大体上可以是机械(声)、电磁(光)的，或者具有任何其他类型。在下面描述中，使用光波作为示例来描述本专利技术。两个干扰波能够是例如光波的两个正交线性或圆偏振模式。在本专利技术的这个方面的优选实施例中，在由相位调制器来调制之后，光波在进入感测元件之前经过分束器，以及两组偏振器和检测器各分别测量感测元件之前和之后的干扰信号。相移与两个测量波形无关地检索，以及它们的差产生感测媒介内部的相移，其然后转换成被测对象值。因此，应用本专利技术，传感器能够以对感测元件外部的波路径中的相移变化的减少灵敏度来构建，同时不要求波沿相同路径返回到相位调制器。为了在检测器处保持干扰波之间的适当的高相干性，组延迟偏置元件优选地能够引入波路径中，以便至少部分补偿感测元件之前和之后的两个波之间的本征相对组延迟。组延迟补偿能够通过从干扰信号确定干扰对比度值或者任何相关或等效量度进一步增强。干扰对比度另外能够用来提供周期信息(其帮助从测量相移中去除周期歧义性，并且因而扩展明确测量范围)，或者用作包围传感器的双折射元件的至少一些的控制环境的监测信号。有利地，由相位调制器所引起的调制与被测对象无关。另外，信号处理单元适合从由相位调制器所引起的调制来确定两个波之间的相对相移。具体来说，调制具有不存在于被测对象中的以给定频率的至少一个谱分量，以及信号处理单元适合使用给定频率来确定相对相移。对于按照本专利技术的电压或电场测量，感测元件能够包括电光晶体、结晶电光纤、极化光纤或者附连到压电元件的光纤或块状光学材料。对于按照本专利技术的力或应变测量，感测元件能够包括光纤或块状光学材料。对于按照本专利技术的光学磁场传感器或电流传感器，感测元件能够包括光纤或波导，其包含专业低双折射光纤、燧石玻璃光纤或自旋高双折射光纤、块状磁光材料(例如钇铁石榴石晶体或熔融硅石玻璃块)或者附连到磁致伸缩元件的光纤、波导或块状光学材料或者其组合。传感器作为用于DC信号以及更具体来说用于DC电压或电场测量的传感器是特别优选的，特别是对于中压或高压应用。但是，它也能够潜在地应用于光纤电流传感器、旋转传感器或其他MPD传感器。它特别适合于具有块状感测元件的传感器。在下面描述和附图中更详细描述本专利技术的上文及其他方面连同本专利技术的另外有利实施例和应用。附图说明图1图示按照本专利技术的第一示例；图2A和图2B示出使用相对组延迟补偿的本专利技术的示例；以及图3图示按照反射配置的本专利技术的示例。具体实施方式按照本专利技术的基本微分MPD传感器示例在图1中示出。光源1生成光波，其经由单模光纤来引导到光纤偏振器2。经过45°光纤接头（splice）4并且在PM光纤3的两个轴中携带的偏振光输出经过光学相位调制器5传递给光纤准直仪6，其中光从PM光纤3来耦合。无双折射分束器7位于准直仪与感测元件8之间。由分束器7所分离的光输出的一个分支经过第一块状线性偏振器9-1，并且由第一光电检测器10-1来检测。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种干涉测定传感器，包括感测元件(8)，由此被测对象添加两个波之间的相对相移，至少第一和第二检测器(10‑1，10‑2)，分离器元件(7)，其中所述分离器元件的第一输出分支转到所述第一检测器(10‑1)，并且所述分离器元件的第二输出分支经过所述感测元件(8)并且转到所述第二检测器(10‑2)上，其特征在于，所述传感器还包括相位调制器(5)，其引起对所述相对相移的调制，其中所述分离器元件位于所述相位调制器(5)与所述感测元件(8)之间，其中所述第一检测器(10‑1)响应于相对相移没有包含由所述被测对象所引起的所述相对相移而检测干扰信号，并且其中所述第二检测器(10‑2)响应于相对相移包含由所述被测对象所引起的所述相对相移而检测干扰信号，所述传感器还包括信号处理单元(11)，其适合从所检测干扰信号的每个来确定所述两个波之间的相对相移，并且使用表示它们的差的量来确定被测对象值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.21 EP 14156092.01.一种干涉测定传感器，包括感测元件(8)，由此被测对象添加两个波之间的相对相移，至少第一和第二检测器(10-1，10-2)，分离器元件(7)，其中所述分离器元件的第一输出分支转到所述第一检测器(10-1)，并且所述分离器元件的第二输出分支经过所述感测元件(8)并且转到所述第二检测器(10-2)上，其特征在于，所述传感器还包括相位调制器(5)，其引起对所述相对相移的调制，其中所述分离器元件位于所述相位调制器(5)与所述感测元件(8)之间，其中所述第一检测器(10-1)响应于相对相移没有包含由所述被测对象所引起的所述相对相移而检测干扰信号，并且其中所述第二检测器(10-2)响应于相对相移包含由所述被测对象所引起的所述相对相移而检测干扰信号，所述传感器还包括信号处理单元(11)，其适合从所检测干扰信号的每个来确定所述两个波之间的相对相移，并且使用表示它们的差的量来确定被测对象值。2.如权利要求1所述的传感器，还包括组延迟偏置元件(20)，以控制在所述第一检测器(10-1)处和所述第二检测器(10-2)处所检测的波之间的所述相对组延迟。3.如权利要求2所述的传感器，其中，所述组延迟偏置元件(20)包括以双折射轴(4')的90°转变连接到其他段的偏振保持光纤(3)的至少一段。4.如权利要求2所述的传感器，其中，所述组延迟偏置元件(20)包括与所述相位调制器(5)基本上相同的至少第二相位调制器(5')，其中所述两个调制器以所述双折射轴(4')的90°转变彼此连接。5.如权利要求2至4中任一项所述的传感器，其中，所述组延迟偏置元件(20)和所述相位调制器(...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾逊，SV马彻塞，K博内特，A弗兰克，
申请(专利权)人：ABB瑞士股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH