一种全光纤多功能传感器制造技术

此发明专利技术是一种全光纤多功能传感器。它用在微细加工、精密测量和自动控制等领域。全光纤多功能传感器采用半导体激光器锯齿波调频连续波外差干涉原理，由一个带有光隔离器和光纤引出端的半导体激光器、一个控温飘系统、一个分束器、多个无腔单臂全光纤干涉系统、以及多个具有不同功能的光纤传感器探头构成。它可以分别或同时测量温度、位移、压力、拉力、气体或液体的折射率、气体或液体的流速和流量、电流、电压、电场、磁场等物理量，并且具有仪器和探头体积小、测量精度高、抗环境干扰和电磁干扰、不导电、可远距离遥测等特点。（*该技术在2012年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种全光纤多功能传感器。它是一种精密测量仪器，用在微细加工、精密测量和自动控制等领域。全光纤多功能传感器由一个带有光隔离器和光纤输出端的半导体激光器、一个半导体激光器波长温飘控制系统、一个分束器、多个单臂全光纤干涉系统和多个光纤传感器探头构成。其中，控制半导体激光器波长温飘的方法、单臂全光纤干涉仪和多种具有不同功能的光纤传感器探头是构成该专利技术的几个重要方面。一、控制半导体激光器波长温飘的方法所有的激光干涉仪或者根据激光干涉原理设计的光纤传感器都存在激光器的波长随温度变化而改变(即温飘)的问题，特别是半导体激光器的温飘更大。现有解决半导体激光器温飘的方法是采用一个恒温控制系统控制半导体激光器的温度，即先由一个热敏元件测出半导体激光器的温度变化，再由反馈电路驱动制冷器或加热器，使半导体激光器的温度恢复到原来的温度值。使用这种方法，不仅仪器结构复杂、体积庞大，而且由于半导体激光器的外壳温度和内部温度不完全相同，所以控制温飘的精度很低，有时还会形成振荡。本专利技术所提出的控制半导体激光器波长温飘的方法是为了解决根据半导体激光器锯齿波调频连续波外差干涉原理设计的干涉仪或光纤传感器中的激光器波长温飘问题。方法的具体内容是;从半导体激光器发出的激光束中分出一束激光，这束激光经过一个由两个反射面构成的、并且这两个反射面之间的光程差(L)不随温度变化而改变的恒光程差干涉腔，干涉腔所形成的拍频信号由光接收器接收。由于这种恒光程差干涉腔形成的干扰信号的初位相(φ0)可以表示为φ0＝2πL/λ0，式中的λ0为锯齿波调频激光的中心波长。上式表示，拍频信号的初位相(φ0)只与激光器的中心波长(λ0)成反比。根据这一关系，用鉴相电路鉴别出拍频信号的初位相变化量后，就可以直接或间接地控制半导体激光器的温飘。直接控制方式是根据拍频信号的初位相变化量，用一个反馈电路控制半导体激光器的驱动电流，使半导体激光器的中心波长恢复到原来的数值。间接控制方式是让半导体激光器的中心波长随意飘移，只是在干涉仪或光纤传感器对其它物理量的测量结果中加上由初位相变化(即激光器温飘)所决定的修正值。上述控制温飘的方法可以提高干涉仪或光纤传感器的测量精度，简化仪器结构，缩小仪器尺寸。实现上述方法可以采用以下三种方案。方案一如附图说明图1所示。图中的实线表示光路，虚线表示电路。整个系统由分束器(1)、用零膨胀玻璃(或其它零膨胀透明材料)制成的、上下两个表面为平面且互相平行的玻璃块(2)、光接收器(3)、鉴相电路(4)和反馈控制电路(或误差校正电路)(5)组成。其中玻璃块(2)作为恒光程差干涉腔。为了增加拍频信号强度，玻璃块(2)的上表面可以镀半反半透膜，下表面可镀反射膜。系统的工作原理是半导体激光器发出的锯齿波调频激光束被分束器(1)分为两束光，一束光供后面的干涉仪或光纤传感器使用，另一束光射向玻璃块(2)，玻璃块(2)上下两个表面的反射光汇合后发生干涉，形成的拍频信号穿过分束器(1)并由光接收器(3)接收，得到的电信号再经过鉴相电路(4)，最后由反馈控制电路(或误差校正电路)(5)直接(或间接)地控制半导体激光器温飘。方案二如图2所示。图中的实线为光纤、虚线为电路。整个系统由Y型光纤耦合器(6)和(7)、用零膨胀玻璃制成的平凸透镜(或一小段零膨胀光纤)(8)、光接收器(9)、鉴相电路(10)、反馈控制电路(或误差校正电路)(11)组成。其中平凸透镜或一小段零膨胀光纤(8)作为恒光程差干涉腔，它们的前表面要与干涉系统的光纤端面留有一个空气缝隙、且二者之一镀增透膜，使用平凸透镜时，其后表面的球面半径要与透镜的厚度相等，以便后表面的反射光能够沿原光路耦合进光纤中。另外，为了提高拍频信号强度，它们的前表面可以镀半反半透膜，并与光纤端面粘结在一起，后表面可以镀反射膜。系统的工作原理是由平凸透镜(或一小段光纤)(8)前后表面反射的两束反射光汇合后，形成的拍频信号沿光纤反向经过Y型光纤耦合器(7)，最后到达光接收器(9)，剩下的电信号处理和控制方法与方案一中的相应内容相同。方案三如图3所示。图中实线为光纤，虚线为电路。整个系统由Y型光纤耦合器(12)和(13)， 1/2 周节自聚焦折射率梯度透镜(简单梯度透镜)(14)，用零膨胀玻璃制成的、且前后两个表面为平面且互相平行的玻璃块(15)，光接收器(16)、鉴相电路(17)、反馈控制电路(或误差校正电路)(18)组成。其工作原理与方案二基本相同，不同的是激光束从光纤端口射出后要先经过一个梯度透镜变为平行光，然后再经过作为恒光程差干涉腔的玻璃块(15)。梯度透镜(14)的前表面要与光纤端面粘在一起，后表面要与玻璃块(15)之间留有一个空气缝隙，且二者之一镀增透膜。为了提高拍频信号强度，梯度透镜的后表面或玻璃块的前表面可以镀半反半透膜，并且这两个表面可粘在一起，玻璃块的后表面可以镀反射膜。方案二和方案三适合用在光纤传感器中。二、单臂全光纤干涉仪激光干涉仪是一类测长精度很高的测量仪器。其中，光学外差干涉仪的优点最多，它不仅分辨率和测量精度高，而且信号的接收和处理都比较简单。全光纤多功能传感器就是根据半导体激光器锯齿波调频连续波外差干涉原理设计的。由于该传感器是由多个不同种类的全光纤传感器构成，而且这些传感器又是在一种单臂全光纤干涉仪的基础上演变而成，所以下面先从单臂全光纤干涉仪开始介绍。单臂全光纤干涉仪的结构如图4所示。图中的实线表示光纤，虚线表示电路。它由一个带有光隔离器和光纤输出端的半导体激光器(19)、半导体激光器波长温飘控制系统(20)、Y型光纤耦合器(21)、干涉腔(22)、光接收器(23)、鉴相电路(24)和数据处理与显示电路(25)组成。其中，半导体激光器波长温飘控制系统(20)可以采用图2或图3所示的控温飘系统，干涉腔(22)可以采用以下所述的空腔和实腔多种形式。空腔的结构如图5所示。光纤的端面粘有一个梯度透镜(26)，梯度透镜的后表面作为干涉腔的一个反射面。干涉腔的另一个反射面(27)可以是某一个固定物理的一个表平面、也可以是一个运动物体的一个表平面。由于构成干涉腔的两个反射面之间没有物体，所以被称为空腔。实腔是把一块透明材料的前后表平面作为干涉腔的两个反射面。它可以是一个前后两个平面互相平行的玻璃块，也可以是一段光纤。用玻璃块作实腔时，如图6所示，光纤的端面粘有一个梯度透镜(28)，玻璃块(29)的前表面要与梯度透镜(28)的后表面之间留有一个缝隙，且二者之一镀增透膜。为了提高拍频信号强度，玻璃块的前表面或者梯度透镜的后表面可以镀半反半透膜，并且二者可粘在一起，玻璃块(29)的后表面可以镀反射膜。用一段光纤作实腔时不需要梯度透镜，光纤与光纤直接对接，如图7所示。作实腔用的光纤(30)与干涉仪的光纤端面的对接方法与图6中玻璃块与梯度透镜的对接方法相同。单臂全光纤干涉仪的工作原理是这样的，如图4所示，从半导体激光器(19)发出的锯齿波调频单纵模激光经过温飘控制系统(20)和Y型光纤耦合器(21)到达干涉腔(22)，干涉腔(22)的两个反射面产生的两束反射光相遇后，形成的拍频干涉信号沿原光纤再次反向经过Y型光纤耦合器(21)，最后到达光接收器(23)，光接收器(23)输出的拍频电信号经鉴相电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制半导体激光器波长温飘系统，其特征在于：由Ｙ型光纤耦合器（６）和（７）、用零膨胀玻璃（或其它零膨胀透明材料）制成的平凸透镜（或一小段零膨胀光纤）（８）、光接收器（９）、鉴相电路（１０）、反馈控制电路（或误差校正电路）（１１）构成；其中，光纤耦合器（６）的一个输出端与光纤耦合器（７）的一个输入端相连，光纤耦合器（７）的另一个输入端与光接收器（９）相连，平凸透镜（或一小段零膨胀光纤）的前表面与光纤耦合器（７）的输出光纤端面之间有两种连接方式，一种是二者之间留有一个空气缝隙，且二者之一可以镀增透膜，另一种是二者之一镀半反半透膜，且二者可以粘在一起，平凸透镜的后表面球面半径与平凸透镜的厚度相等，且可以镀反射膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑刚，
申请(专利权)人：郑刚，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]