一种双干涉仪匹配解调的光纤传感测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种双干涉仪匹配解调的光纤传感测量方法及装置，属于光纤传感技术领域。该方法使用两只匹配的光纤干涉仪，具有一致的光谱特性，且都工作在线性区间。传感干涉仪用于将被测量转换为光功率的变化，参考干涉仪与被测量隔离。传感干涉仪与参考干涉仪的输出信号求差即可解调出被测量并消除共模干扰，该方法有效解决了传统正交工作点直接测量法易受光源波长、光强波动及光路传输损耗等因素干扰的缺陷。可以对双光束干涉仪及多光束干涉仪进行动态信号和静态信号的解调。具有测量精度高，带宽宽，结构简洁，成本低等特点，且属于被动解调，响应快、解调频率高，适合小振幅信号的快速精确测量。

Optical fiber sensing measuring method and device for double interferometer matched demodulation

The invention relates to an optical fiber sensor measuring method and device for double interferometer matched demodulation, belonging to the field of optical fiber sensing technology. The method uses two matched fiber interferometers with consistent spectral properties and operates in linear range. A sensor interferometer used to convert measured changes into optical power; a reference interferometer is isolated from the measurement. The sensing interferometer and the output signal of the differential reference interferometer can be demodulated by measuring and eliminating common mode interference, this method can effectively solve the defects of the traditional measurement method of quadrature point interference light source wavelength, intensity fluctuation and optical transmission loss factor. The dynamic signal and static signal can be demodulated by two beam interferometer and multi beam interferometer. Has the advantages of high measuring precision, wide bandwidth, simple structure, low cost, and belongs to the passive demodulation, fast response, high frequency demodulation, fast and accurate measurement for small amplitude signals.

【技术实现步骤摘要】
一种双干涉仪匹配解调的光纤传感测量方法及装置
本专利技术涉及一种双干涉仪匹配解调的光纤传感测量方法及装置，属于光纤传感

技术介绍
对光纤干涉型传感器(如Michelson、Mach-Zehnder、Fabry-Perot、外腔式Fabry-Perot等)进行解调的方案主要有相位载波(PGC)法、基于3×3光纤耦合器的零差解调法、正交信号解调法及正交工作点直接测量法等。这些测量方法可以用来解调干涉仪的输出信号，满足不同条件下的测试需要。正交工作点直接测量法是利用干涉型传感器干涉条纹的线性段，将传感器光程差的变化转换为输出光光强变化的一种解调方法。相较于其余几种常见的解调方法，正交工作点直接测量法简单，响应速度快，灵敏度高，适合小振幅信号的快速测量，且既可以测量静态信号，也可以测量动态信号。其不足之处在于需要将干涉仪保持在正交工作点上，且测量范围较窄，最重要的是其极易受到环境因素的干扰。正交工作点直接测量法依赖于对输出光光强的直接检测，而传输光纤、探测器、耦合器等光学器件的扰动都会引起输出光强的改变，而且激光器的波长和光强受环境温度等因素的影响也会产生漂移，对测量结果产生不利影响。为了克服正交工作点直接测量法的缺陷，消除干扰信号，已经有一些研究对其进行了完善和改良：在2001年的时候，美国弗吉尼亚理工学院的王安波等人提出了一种使用宽带光源的基于自校正干涉强度解调法(Self-CalibratedInterferometric–Intensity-Based)，将从传感器反射的宽带光分为两部分，通过对被测量不敏感的输出信号补偿光源光强的波动，获取准确的被测信号[AnboWangetal,Self-CalibratedInterferometric–Intensity-BasedOpticalFiberSensors,JOURNALOFLIGHTWAVETECHNOLOGY,2001,19(10):1495～1501]；2013年时，童杏林等人提出了一种自校准激光光源模块，通过一个闭环电路来控制激光器的输出功率的稳定，从而保证整个解调系统的测量精度[童杏林等.光纤F-P声发射传感器的信号解调系统：中国专利,CN103308146A.2013-09-18]。但是，这些方法也都存在一些局限性，王安波等人提出的方法使用的光源为LED或SLED，光源的输出功率有限，影响整个系统的信噪比，测量精度较低；童杏林等人提出的方法使用一个反馈电路调节光纤FP可调谐滤波器，从而达到控制激光器输出的目的，然而，光纤FP可调谐滤波器涉及到了压电陶瓷元件，受压电陶瓷的磁滞效应及其自身稳定性的影响，对激光器的调节存在滞后和误差，反馈电路自身需要进行一些运算，限制了其响应速度，会对解调精度带来不利影响。此外，还存在别的一些稳定静态工作点的方法，如通过调节激光器的温控来调节其输出激光的参数[江毅.高级光纤传感技术.北京:科学出版社,2009:171]，但这些方法并不能补偿激光器微小的波长漂移。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有正交工作点直接测量法易受干扰信号的影响而导致灵敏度不够高的问题，提出一种双干涉仪匹配解调的光纤传感测量方法及装置。该技术使用双干涉仪进行无源补偿，消除光谱功率和波长的微小波动，以及外界共模干扰的影响，提高测量灵敏度。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。一种双干涉仪匹配解调的光纤传感测量方法，具体步骤如下：步骤一、在现有正交工作点直接测量法的基础上引入参考干涉仪；步骤二、双干涉仪匹配解调；正交工作点直接测量法中的传感干涉仪用于采集包含干扰信息的待测信号；参考干涉仪用于采集干扰信号；步骤三、将步骤二传感干涉仪和参考干涉仪获取的信号通过光电转换模块转换为电信号，而后使用减法器将两路信号求差，即可得到消除干扰后的待测信号。实现一种双干涉仪匹配解调的光纤传感测量方法的装置，包括：激光器，耦合器组，传感干涉仪，参考干涉仪，光电转换模块，减法器和温度控制模块；温度控制模块将激光器的输出光波长移动并稳定到两个干涉仪的线性工作区，激光器发射的激光通过耦合器组注入传感干涉仪和参考干涉仪，传感干涉仪和参考干涉仪输出的光信号经过光电转换模块转换放大后，通过减法器做减法运算并输出解调信号。传感干涉仪和参考干涉仪包括：双光束干涉仪和多光束干涉仪两种类型。双光束干涉仪包括Michelson干涉仪(MI)、Mach-Zehnder干涉仪(MZI)、低精细度的外腔式Fabry-Perot干涉仪(EFPI)，其干涉条纹为正弦信号，静态工作点为正弦信号的拐点；多光束干涉仪是指高精细度的外腔式Fabry-Perot干涉仪(EFPI)；干涉仪可以用透射光，也可以用反射光。其干涉条纹不再是正弦信号的形式，其静态工作点仍为曲线的拐点，相较于双光束干涉仪，多光束干涉仪灵敏度要高的多，但动态范围较小，且干涉仪的精细度越高，灵敏度也越高，动态范围越窄，实践使用中需根据应用环境选择合适的精细度。有益效果本专利技术的一种双干涉仪匹配解调的光纤传感测量技术，采用对待测量不敏感的干涉仪进行信号补偿，解决了传统正交工作点直接测量法易受光源波长、光强波动及光路的传输损耗等因素干扰的缺陷，提高了测量灵敏度。属于被动解调，采用无源补偿技术，不包含有源的信号调制器件，所解调信号的频率只受信号采集系统的限制，带宽宽，灵敏度高，适用范围广。可以对双光束干涉仪及多光束干涉仪进行动态信号(如振动信号、声信号)和静态信号(如压力信号、应变信号)的解调。解调系统简洁，成本低，具有良好的工程应用前景。附图说明图1为本专利技术解调低精细度EFPI传感干涉仪的一种典型系统结构示意图；图2为本专利技术解调MZI传感干涉仪的一种典型系统结构示意图；图3为本专利技术解调MI传感干涉仪的一种典型系统结构示意图；图4为本专利技术涉及的双光束传感干涉仪及参考干涉仪的干涉谱示意图，图中：A区域为用以调制信号的线性区，A区域的中点B1、B2分别为传感干涉仪和参考干涉仪的静态工作点；图5为本专利技术解调高精细度EFPI传感干涉仪透射信号的一种典型系统结构示意图；图6为本专利技术解调高精细度EFPI传感干涉仪反射信号的一种典型系统结构示意图；图7为本专利技术涉及的高精细度高稳定EFPI的一种典型结构示意图；图8为本专利技术涉及的多光束传感干涉仪及参考干涉仪的干涉谱示意图，图中：A区域为用以调制信号的线性区，A区域的中点B1、B2分别为传感干涉仪和参考干涉仪的静态工作点。其中，1为激光器，2为耦合器组，3为低精细度EFPI传感干涉仪，4为低精细度EFPI参考干涉仪，5为光电转换模块，6为减法器，7为温度控制模块，8为MZI传感干涉仪，9为MZI参考干涉仪，10为MI传感干涉仪，11为MI参考干涉仪，12为高精细度EFPI传感干涉仪，13为高精细度EFPI参考干涉仪，14为光束准直模块，15为镀有高反膜的反射镜，16为零膨胀系数支撑结构。具体实施方案下面结合说明书附图以及实施例对本专利技术做进一步的说明。实施例1本专利技术可以用来解调双光束干涉仪所测量的动态信号或静态信号。一种双干涉仪匹配解调的光纤传感测量方法，具体步骤如下：步骤一、在现有正交工作点直接测量法的基础上引入参考干涉仪；步骤二、双干涉仪匹配解调的光纤传感测量法中的传感干涉仪用于采集包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双干涉仪匹配解调的光纤传感测量方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一、在现有正交工作点直接测量法的基础上引入参考干涉仪；步骤二、双干涉仪匹配解调；正交工作点直接测量法中的传感干涉仪用于采集包含干扰信息的待测信号；参考干涉仪用于采集干扰信号；步骤三、将步骤二传感干涉仪和参考干涉仪获取的信号通过光电转换模块转换为电信号，而后使用减法器将两路信号求差，即可得到消除干扰后的待测信号。

【技术特征摘要】
1.一种双干涉仪匹配解调的光纤传感测量方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一、在现有正交工作点直接测量法的基础上引入参考干涉仪；步骤二、双干涉仪匹配解调；正交工作点直接测量法中的传感干涉仪用于采集包含干扰信息的待测信号；参考干涉仪用于采集干扰信号；步骤三、将步骤二传感干涉仪和参考干涉仪获取的信号通过光电转换模块转换为电信号，而后使用减法器将两路信号求差，即可得到消除干扰后的待测信号。2.实现如权利要求1所述一种双干涉仪匹配解调的光纤传感测量方法的装置，其特征在于：装置包括：激光器(1)，耦合器组(2)，传感干涉仪(3)，参考干涉仪(4)，光电转换模块(5)，减法器(6)和温度控制模块(7)；温度控制模块(7)将激光器(1)的输出光波长移动并稳定到两个干涉仪的线性工作...

【专利技术属性】
技术研发人员：江毅，贾景善，姜澜，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11