光学编码传感系统技术方案

描述了光学编码的传感系统，该传感系统利用法布里－伯罗干涉仪（４）传感被测量，利用通过（特别是）精细加工光阑（１２）形成的腔，设置光程差ＯＰＳ↓［ｓ］大于宽波段光源（１）的相干长度１↓［ｃ］。利用另一个具有类似光程差ＯＰＳ↓［ｐ］的干涉仪复原输出。这样，信息被在波长范围内编码，避免了由于衰减、损耗、光源变化等引起的误差。公开了用于腔的适合于大批量生产的基质结构。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于传感例如内燃机中诸如压力或者温度等参数的光学编码的传感系统。已经提出光学传感器用于传感许多参数。已经提出许多不同的传感头以及用于处理所接收的信号的许多不同的处理系统。然而，已知结构容易具有许多缺点和/或不适合于批量生产。本专利技术的目的在于提供一种克服现有技术的许多缺点的改进的传感系统。因此在第一方面，本专利技术提供了一种传感系统，包括至少一个相干长度为lc的宽波段光源；传感干涉仪，包括彼此之间光程差为OPDs的第一和第二光路，第二光路经历与传感干涉仪附近的参数有关的变化；传感干涉仪光学连接到光源和处理干涉仪上，所述处理干涉仪包括彼此之间光程差为OPDp的第三和第四光路；其特征在于传感干涉仪包括由制成限定OPDs的第一基质形成的光阑；处理干涉仪集成在制成限定OPDp的第二基质上；OPDs和OPDp二者均大于lc，而且OPDs和OPDp之间差值的绝对值小于lc。可以在光阑的至少一面上刻蚀或精细加工一个槽，那么光程差OPDs基本上由槽的深度决定；传感干涉仪最好通过光纤连接到光源和/或处理干涉仪上。而传感干涉仪上的光纤最好安装在管或套筒内，而且光阑安装在管的端面或安装在此的透明平板上。透明平板可以设置在管或基质的端面上，以便形成光阑和透明平板表面之间的光学腔。传感器可以适用于传感内燃机内的压力。在第二个独立方面，本专利技术提供了一种传感器，包括相干长度为lc的宽波段光源；传感干涉仪，具有第一和第二光路，来自光源的光沿着所述第一和第二光路传播，它们之间的光程差OPDs小于lc，一个光路经历与要传感的参数有关的变化，以便与该参数有关的信息编码为沿着第一和第二光路传播的光干涉形成的干涉信号；处理干涉仪，连接成接收来自所述传感干涉仪的干涉信号并具有长度不同的第三和第四光路，它们之间光程差为OPDp；传感和处理干涉仪制成使得OPDs和OPDp每个以类似的精度形成，以便能够彼此精确匹配，从而处理干涉仪能够从所述干涉信号解码与传感参数有关的信息。根据本专利技术的第三方面，提供了一种制造用作上面所详述的光学传感系统中的传感干涉仪的光学腔的方法，该方法包括如下步骤在第一基质上精细加工或刻蚀一个槽以便形成光阑；把光纤的一端固定在管、套筒或其他基质内的孔内部；光学抛光光纤和管的端面，并通过阳极接合或熔接把光阑粘接到管的所述端面，以便在光阑和光纤的所述端面之间形成光学腔，而且光学腔的长度基本上由所述槽的深度确定。根据本专利技术的第四方面，提供了一种制造用作上面所详述的传感系统中的传感干涉仪的光学腔的方法，该方法包括如下步骤在第一基质上精细加工或刻蚀一个槽以便形成光阑；通过阳极接合或熔接把光阑粘接到透明平板的一个面上，以便在它们之间形成光学腔，光学腔的长度基本上由所述槽的深度确定；把所述透明平板的另一面粘合到管、套筒或其他基质的端面上；并把光纤的一端固定在管、套筒或其他基质内。根据本专利技术的另一方面，提供了一种传感器，包括玻璃基质，该玻璃基质其中有孔，用于放置光纤；和另一基质，该基质被刻蚀以便形成被高起支架包围的凹陷区，所述支架被粘合到位置上以便凹陷区在孔轴上方，其特征在于另一基质的刻蚀深度大于10μm。本专利技术的其他优选和任选特征将通过下面的描述和说明书后面的权利要求书变得更清楚。下面将参考附图，仅以举例方式进一步描述本专利技术，其中附图说明图1是根据本专利技术一个实施例的传感器的简要视图；图2是用于图1所示传感器中的传感腔的简要视图；图3是根据本专利技术的传感器的另一个实施例的简要视图；图4a和4b示出用于图2所示的传感头中的传感器光阑的截面图；图5示出了制造诸如图2所示的传感头过程中把光纤固定在毛细管中的方法；图6示出把诸如图4a和4b所示的光阑安装在诸如图2所示的传感头中的一种方法；图7示出了制造诸如图2所示的传感头过程中把光纤固定在毛细管中的另一种方法；图8示出把光阑安装在传感头中的另一种方法；图9示出把光阑安装在传感头中的又一种方法；以及图10示出根据本专利技术又一个实施例的传感器。图1示意性示出基于集成干涉仪即由单个基质上的适当结构形成的干涉仪的白光测量系统。来自宽波段光源1的光被输入到光纤2中并经过光纤Y结点3传播到压力传感头4。从传感头4返回的干涉信号被集成在基质6上的处理干涉仪分析，而且光探测器9提供表示传感压力的输出。在实际的实施例中，光源和光探测器可以互换。然而，为简单起见，本说明书的其余部分将假设它们的布局如图1所示。白光传感系统是使用宽波段光源的系统，该宽波段光源在由它的谱宽Δλ确定的波长范围内发光。光源的干涉长度lc与它的谱宽紧密相关，并由近似关系式lc～λpeak2/Δλ给出，λpeak是发光波段的中心波长。通常，在1.3μm附近发光的超亮度二极管(SLD)的Δλ在30nm至50nm范围内，相应地产生55μm和35μm之间的短相干长度。图2示出了传感头的简要图。它包括一个实质上由两个连接到光纤2的反射界面10和11构成的光学腔。如果施加外部压力p这两个界面之间的距离d变化。在它的最简单形式中，界面10由光纤-空气界面形成，界面11由响应施加压力反射的光阑形成。发送至传感头的部分光在第一界面10被反射回来。剩余的光在第二界面11被反射，然后再次进入光纤2。因此，在从传感头返回的这两个光束之间形成光程差OPDs=2d。由施加压力导致的距离变化Δd在两个光束之间已经存在相位差φ0=2π2d/λpeak的基础上产生附加相移Δφ=2πΔd/λpeak。然而，当它们再次在光纤端部重合时彼此不再干涉，因为OPDs故意设计为实质上大于光源的干涉长度lc。为了满足这一条件，实际中OPDs大约比相干长度大三倍就足够了，导致最小OPDs在90μm和150μm之间。这一设计的结果是由施加压力产生的两个光束之间的附加相移Δφ不能仅使用该单一干涉仪(传感干涉仪)恢复。为了理解白光干涉测量的优点，考虑波长范围是有益的。在通过OPDs＞＞lc的传感干涉仪之后，来自宽波段光源的光含有许多与对应波长处的相长或相消干涉有关的最大值和最小值。把这称为通道谱。OPDs的变化将引起干涉条件的变化，导致整个通道谱波长移动。因此，信号信息被在波长范围内编码，而且系统中的任何强度波动不影响测量结果。通过把传感干涉仪的输出输入到OPDp基本上等于传感干涉仪的OPDs(|OPDp-OPDs|＜＜lc)的第二干涉仪(处理干涉仪)，可以使得两个光束的一部分再次同相。如果处理干涉仪与传感干涉仪的OPD基本上相同，产生最大传输。由于所使用的光源的有限干涉长度，对条件OPDs=OPDp的任何偏离将导致清晰度降低，直到对于|OPDp-OPDs|＞＞lc降低为零。该结果是高斯包络线下的正旋条纹图样，最大值(中心条纹)出现在OPDp=OPDs处。为了保持信号输出具有足够高的清晰度，差值OPDp-OPDs通常应该小于大约5μm。两个OPD匹配对于传感器有效操作是重要的。因为处理干涉仪和传感头的安装是两个独立的过程，能够高精度地分别控制两个单元的OPD是十分重要的。OPDp的控制可以通过使用(例如)如图1所示以在光学芯片6上集成的形式形成的马赫泽德干涉仪实现。集成马赫泽德干涉仪由包括Y结点的集成波导7、集成相位调制器8和用于把光纤耦合到集成波导7上的器件5构成。适当的集成干涉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种传感系统，包括：至少一个相干长度为１↓［ｃ］的宽波段光源；传感干涉仪，包括彼此之间光程差为ＯＰＤ↓［ｓ］的第一和第二光路，第二光路经历与传感干涉仪附近的参数有关的变化；传感干涉仪光学连接到光源和处理干涉仪上，所述处理干涉仪包括彼 此之间光程差为ＯＰＤ↓［ｐ］的第三和第四光路；其特征在于：传感干涉仪包括由制成限定ＯＰＤ↓［ｓ］的第一基质形成的光阑；处理干涉仪集成在制成限定ＯＰＤ↓［ｐ］的第二基质上；ＯＰＤ↓［ｓ］和ＯＰＤ↓［ｐ］二者均大于１↓［ｃ］，而 且ＯＰＤ↓［ｓ］和ＯＰＤ↓［ｐ］之间差值的绝对值小于１↓［ｃ］。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：RD佩赫斯特德特，JS麦肯兹，Y卢，J德阿斯，
申请(专利权)人：布克哈姆技术公共有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]