双波长调频连续波激光干涉压力测量传感器及测量方法技术

本发明专利技术涉及一种波长调频连续波激光干涉压力测量传感器及测量方法，其克服了现有技术中存在的压力精度低，压力量程小，无法绝对测量，压力测量易受环境影响的问题。本发明专利技术包括两路光纤调频连续波激光干涉压力子系统，第一光纤调频连续波激光干涉压力子系统包括第一半导体激光器，第一半导体激光器与第一光纤环行器连接，第一光纤环行器与光纤准直器连接，第一光纤环形器的与第一光电探测器相连；第二激光干涉压力子系统包括第二半导体激光器，第二半导体激光器与第二光纤环行器连接，第二光纤环行器与光纤准直器连接，第二光纤环形器与第二光电探测器相连；光纤准直器后设置膜片式珐珀腔机构。

【技术实现步骤摘要】
双波长调频连续波激光干涉压力测量传感器及测量方法
：本专利技术属于压力传感
，涉及一种双波长调频连续波激光干涉高精度压力绝对测量仪器，尤其是涉及一种双波长调频连续波激光干涉压力测量传感器及测量方法。
技术介绍
：光纤压力传感器具有精度高，响应速度快，耐高温，防燃、防爆，抗电磁干扰等很多优点，因此受到各领域的广泛关注。但是因为光纤压力传感器其测量原理是基于将压力形变转化为光强，波长，相位等光学参量实现测量。这些光学参量的特点是变化具有周期性，因此压力测量的量程一般会限制在光学参量变化范围的一个周期内，如果光学参量超过一个变化周期就会出现周期缠绕问题，通常解决的办法是周期数累加，这种测量方式存在的问题是要求压力变化缓慢且需要连续测量，如果压力变化速率过快或者中途断电等特殊情况时干涉级周期累加数就会错误或丢失，导致压力测量结果发生错误，造成重大的生产，监测等安全隐患问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种双波长调频连续波激光干涉压力测量传感器及测量方法，其克服了现有技术中存在的压力精度低，压力量程小，无法绝对测量，压力测量易受环境影响的问题，可以提高压力测量的精度，稳定性，可靠性，实现压力高精度，大量程实时动态绝对测量。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种双波长调频连续波激光干涉压力测量传感器，其特征在于：包括两路光纤调频连续波激光干涉压力子系统，第一光纤调频连续波激光干涉压力子系统包括第一半导体激光器，第一半导体激光器与第一光纤环行器端口一连接，第一光纤环行器端口二通过单模光纤与光纤准直器连接，第一光纤环形器的端口三与第一光电探测器相连；第二光纤调频连续波激光干涉压力子系统包括第二半导体激光器，第二半导体激光器与第二光纤环行器端口一连接，第二光纤环行器端口二通过单模光纤与光纤准直器连接，第二光纤环形器的端口三与第二光电探测器相连；光纤准直器后设置膜片式珐珀腔机构。膜片式珐珀腔机构包括部分反射镜和弹性膜片，弹性膜片设置在部分反射镜后侧，弹性膜片粘贴于充气腔机构端面上。第一光纤环形器与第二光纤环形器的出射端同时与压力传感头连接，压力传感头中包括第一光纤准直器和第二光纤准直器，部分反射镜以及金属弹性膜片。第一光纤环形器、第二光纤环形器与光纤准直器之间设置有偏振分束器。第一光纤环形器、第二光纤环形器与光纤准直器之间设置有双路波分复用器。膜片式珐珀腔结构为单膜片结构或“H”形膜片结构。充气腔机构包括不锈钢管，不锈钢管中空部分为充气腔。部分反射镜粘贴于光纤准直器后侧，光纤准直器固定于不锈钢管左侧端口，弹性膜片固定于不锈钢管右侧端口。弹性膜片采用具有高弹性性能的SUS631不锈钢材质制作而成。一种双波长调频连续波激光干涉压力测量传感器的测量方法，其特征在于：每个半导体激光器发出的线性调频激光通过单模光纤依次进入光纤环行器和光纤准直器，然后被光纤准直器准直为空间光束耦合进入膜片式珐珀腔机构，此空间光束在部分反射镜表面和弹性膜片表面分别发生反射后叠加产生一个动态拍频信号，此拍频信号由各自光纤准直器再次耦合回单模光纤进入各自光纤环行器，从光纤环行器端口三出射到达光电探测器转换为电信号，两路光纤调频连续波激光干涉压力子系统同时检测拍频信号初相位变化量可以分别得出子系统干涉级的小数部分，结合两路干涉子系统干涉级小数部分和两激光光源中心波长可以得到初相位变化量的干涉级，进一步得出两反射光束光程差的变化量，然后根据膜片压力形变原理，即可以实现压力高精度绝对测量；其中，拍频信号初相位的变化量δφb0与压强变化量ΔP的关系式为：式中h代表膜片的厚度，γ是法珀腔的半径也就是膜片的有效感压半径，μ是膜片材料的泊松比，E是膜片材料的弹性模量，n为空气折射率(n＝1)，λ0为光波在真空中的波长。与现有技术相比，本专利技术具有的优点和效果是：1、本专利技术光纤调频连续波干涉压力传感器建立两路干涉系统对同一膜片式珐珀腔结构进行测量，通过两路干涉子系统实现压力变化量绝对测量问题，即解决压力测量周期缠绕问题，增大压力测量量程。既可以提高压力测量的精度，稳定性，可靠性，还可以扩大压力测量范围，实现压力高精度，大量程实时动态测量，而且压力变化速率，意外中断等因素都不会干扰压力高精度实时测量。2、本专利技术制作的调频连续波干涉压力绝对测量系统结构简单，制作容易，且结构紧凑，性能良好。3、本专利技术与现有的单波长激光干涉光纤压力传感器相比，在一定的量程以内，可以实现前者无法实现的光程差变化量的高精度压力绝对测量。4、本专利技术与现有的白光干涉技术相比，由于避免使用辅助干涉仪和扫描机制，所以结构简单、响应速度快、测量精度高，适应能力强，无论是光程差快速变化或发生突变或者在测量过程发生中断，都可以进行测量。附图说明图1为本专利技术实施例1的结构示意图；图2为本专利技术实施例2的结构示意图；图3为本专利技术实施例3的结构示意图；图4为本专利技术中压力测量传感部分的结构示意图。图中，1-第一半导体激光器，2-第一光纤环行器，3-第一光电探测器，4-压力传感头，5-光纤准直器，6-部分反射镜，7-弹性膜片，8-偏振分束器，9-双路波分复用器，10-第二半导体激光器，11-第二光纤环形器，12-第二光电探测器，13-不锈钢管，14-充气腔。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。参见图1、图2、图3和图4，本专利技术为一种双波长调频连续波激光干涉压力测量传感器及测量方法，包括两路光纤调频连续波激光干涉压力子系统，每个子系统包括一个半导体激光器、一个光纤环行器、一个光纤准直器5、一个光电探测器以及膜片式珐珀腔结构，光纤准直器5后设置膜片式珐珀腔机构，膜片式珐珀腔机构包括部分反射镜6和弹性膜片7，弹性膜片7设置在部分反射镜6后侧，弹性膜片7粘贴于充气腔机构端面上。每一路子系统都分别将各自的半导体激光器与单模光纤与光纤环行器入射端口相连，光纤环行器出射端口通过单模光纤与光纤准直器5相连，光纤环行器的另一出射端口与光电探测器相连。具体的，半导体激光器的输出尾纤与光纤环行器的输入尾纤连接，光纤环行器的输出尾纤与光纤准直器的输入尾纤连接，光纤环行器的反向输出尾纤与光电探测器的输入尾纤连接。两个子系统通过各自的光纤准直透镜使用同一个部分反射镜产生参考光，并测量同一个弹性膜片7的形变。参见图1，光纤准直器5之后设置有压力传感头4，构成空分式绝对压力测量系统。参见图2，第一光纤环形器2、第二光纤环形器11与光纤准直器5之间设置有偏振分束器8，构成偏振式压力绝对测量系统。参见图3，第一光纤环形器2、第二光纤环形器11与光纤准直器5之间设置有双路波分复用器9，构成波分复用压力绝对测量系统。弹性膜片7采用具有高弹性性能的SUS631不锈钢材质制作而成。为了提高测量精度，S本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双波长调频连续波激光干涉压力测量传感器，其特征在于：包括两路光纤调频连续波激光干涉压力子系统，第一光纤调频连续波激光干涉压力子系统包括第一半导体激光器(1)，第一半导体激光器(1)与第一光纤环行器(2)端口一连接，第一光纤环行器(2)端口二通过单模光纤与光纤准直器(5)连接，第一光纤环形器(2)的端口三与第一光电探测器(3)相连；第二光纤调频连续波激光干涉压力子系统包括第二半导体激光器(10)，第二半导体激光器(10)与第二光纤环行器(11)端口一连接，第二光纤环行器(11)端口二通过单模光纤与光纤准直器(5)连接，第二光纤环形器(11)的端口三与第二光电探测器(12)相连；光纤准直器(5)后设置膜片式珐珀腔机构。/n

【技术特征摘要】
1.一种双波长调频连续波激光干涉压力测量传感器，其特征在于：包括两路光纤调频连续波激光干涉压力子系统，第一光纤调频连续波激光干涉压力子系统包括第一半导体激光器(1)，第一半导体激光器(1)与第一光纤环行器(2)端口一连接，第一光纤环行器(2)端口二通过单模光纤与光纤准直器(5)连接，第一光纤环形器(2)的端口三与第一光电探测器(3)相连；第二光纤调频连续波激光干涉压力子系统包括第二半导体激光器(10)，第二半导体激光器(10)与第二光纤环行器(11)端口一连接，第二光纤环行器(11)端口二通过单模光纤与光纤准直器(5)连接，第二光纤环形器(11)的端口三与第二光电探测器(12)相连；光纤准直器(5)后设置膜片式珐珀腔机构。


2.根据权利要求1所述的双波长调频连续波激光干涉压力测量传感器，其特征在于：膜片式珐珀腔机构包括部分反射镜(6)和弹性膜片(7)，弹性膜片(7)设置在部分反射镜(6)后侧，弹性膜片(7)粘贴于充气腔机构端面上。


3.根据权利要求2所述的双波长调频连续波激光干涉压力测量传感器，其特征在于：第一光纤环形器(2)与第二光纤环形器(11)的出射端同时与压力传感头(4)连接，压力传感头(4)中包括第一光纤准直器和第二光纤准直器，部分反射镜(6)以及金属弹性膜片(7)。


4.根据权利要求2所述的双波长调频连续波激光干涉压力测量传感器，其特征在于：第一光纤环形器(2)、第二光纤环形器(11)与光纤准直器(5)之间设置有偏振分束器(8)。


5.根据权利要求2所述的双波长调频连续波激光干涉压力测量传感器，其特征在于：第一光纤环形器(2)、第二光纤环形器(11)与光纤准直器(5)之间设置有双路波分复用器(9)。


6.根据权利要求3、4或5所述的双波长调频连续波激光干涉压力测量传感器，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑刚，白浪，郭媛，聂梦笛，盛启明，韩园，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61