專利名稱：基于可調Fabry-Perot諧振腔的分布式光纖白光干涉傳感器陣列的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種光纖技術領域，具體涉及一種基于可調Fabry-Perot諧 振腔長實現對多個傳感器信號問訊的分布式光纖白光干涉傳感器陣列。(二) 背景技術采用低相干、寬譜帶光源，例如發光二極管(LED)、超自發輻射光源(ASE) 或者多模激光二極管驅動的光纖干涉儀通常被稱為白光光纖干涉儀。典型的光纖 白光干涉儀如圖l所示，其結構組成為利用光纖搭建Micheslon式干涉儀，并釆 用寬譜光源LED或者ASE對干涉儀進行驅動，為其提供光能，通過探測器探測 白光干涉條紋實現對待測物理量的測量。其工作原理如下，由寬譜光源ll發出 的寬譜光進入單模光纖后，被3dB單模光纖2x2耦合器13分成兩東， 一東光進 入被作為測量臂的單模光纖14,被其后端的光學反射面15反射后沿原路返回， 經過單模光纖14、耦合器13到達光電探測器12，這東光稱為測量信號光；由光 源11發出光被耦合器13分路的另外一束光，進入作為參考臂的單模連接光纖 16、自聚焦透鏡17，經過移動反射鏡18的反射后同樣沿原路返回到達光電探測 器12,這東光被稱為參考信號光。測量信號光和參考信號光在探測器表面發生 相干疊加，由于寬譜光源的相干長度很短，大約為幾個微米到幾十個微米，只有 當參考信號光和測量信號光程差小于光源的相干長度時，才會產生相干疊加，輸 出白光干涉圖樣(參見附圖2)。如圖2所示，白光干涉條紋的特征是有一個主極大值，稱為中心條紋，它與 零光程差為之相對應，即對應于參考光東和測量光東光程相等時，稱為參考光東 與測量光束具有光程匹配關系。通過改變光纖延遲線的延遲量，使參考信號的光 程發生變化，可以獲得中心干涉條紋。中心條紋的位置為測量提供了一個可靠的 絕對位置參考，當測量光東由于外界待測物理量的影響光程發生變化時，只需通 過參考臂光程掃描得到的白光干涉條紋的位置變化，即可獲得被測量物理量的絕 對值。與其他光纖干涉儀相比，除了具有高靈敏度、本質安全、抗電磁場干擾等 優點外，最大特點是可對壓力、應變、溫度等待測量進行絕對測量。因此白光干涉性光纖干涉儀被廣泛用于物理量、機械量、環境量、化學量、生物醫學量的測 量。申請人于2006年提出了名稱為"多路復用光纖干涉儀及其嵌套構建方法"、 申請號為200610151043.5的發明專利申請，公開了可以構造傳感器陣列和網絡 的全光纖干涉儀光纖及其實現方法，解決光纖干涉儀的多路復用問題；申請人還 于2007提出了名稱為"低相干絞扭式類Sagnac光纖形變傳感裝置"，申請號為 200710072350.9的發明專利申請，公開了一種主要用來解決光纖傳感器陣列布設 過程中的抗毀壞的問題的技術方案。在上述公開文件中，特別是白光干涉儀連接 有光纖傳感器陣列時，本地的解調干涉儀與遠端的傳感干涉儀的光程通過光程匹 配來實現光纖傳感器陣列的問訊與解調。這樣傳感干涉儀陣列可以是完全無源 的，其好處是陣列中輸出的多個干涉信號對本地解調干涉儀和傳感器陣列之間的 連接光纖長度的變化不靈敏，增強了測量的穩定性和可靠性。但在上述基于空分復用的干涉儀結構中，本地的解調干涉儀大多釆用 Michelson干涉儀、Mach-Zehnder干涉儀等分立式干涉儀結構。它們通常具有兩 個相互獨立的光傳輸通道，用于實現光程調諧與匹配。但由于它不存在共光路結 構，極易受到環境因素(諸如溫度和振動)的影響，導致兩光路的光程產生不一 致的變化，使傳感器信號的解調產生影響，降低了干涉儀的信號解調靈敏度，使 測量的精度下降，長期的穩定性和可靠性無法保證；同時干涉儀的結構也較為復 雜，不利用于干涉儀的實用化。
發明內容本發明的目的在于提供一種具有共光路結構，溫度穩定性好，光路結構簡單， 造價低廉，實用性強，可對分布式形變、應變、溫度、壓力等物理量進行傳感探 測的分布式光纖白光干涉傳感器陣列。本發明的目的是這樣實現的本發明的分布式光纖白光干涉傳感器陣列是一種基于可調Fabry-Perot諧振 腔長實現問訊的分布式光纖白光干涉傳感器陣列，由雙工光電器件1、可調 Fabry-Perot諧振腔2、單模連接光纖3、傳感器4構成；可調Fabry-Perot諧振腔 2由掃描棱鏡231、自聚焦透鏡221、具有部分反射面211的單模光纖連接構成； 雙工光電器件1由具有共基極113、發射極112、集電極122的寬譜光源111與光電探測器121通過分光棱鏡131組成；光源111出射的具有一定光譜寬度的光 東通過分光棱鏡131直接達到可調Fabry-Perot諧振腔2，被諧振腔的具有部分反 射面211的單模光纖的左右腔面多次反射后，信號光從右腔面輸出；信號光經單 模連接光纖3進入傳感器411,分別被傳感器411的左右兩個端面反射后沿原路 返回，再次經過Fabry-Perot諧振腔2后，到達光電探測器121 。所述的傳感器4是將一組光纖傳感器411首尾相接組成的串行傳感器陣列。所述的光纖傳感器411是由兩端具有一定反射率的垂直于光纖端面的一段 任意長度的光纖段構成，它是將一段根據實際測量需要截取的單模光纖兩端加裝 陶瓷插芯901,端面經過拋光處理后，得到垂直于傳輸光方向的反射率大于等于 1%的光纖端面制成的光纖傳感器。本發明提出了一種基于可調Fabry-Perot諧振腔長實現對多個傳感器信號問 訊的方法，基于此方法構造出一種單纖在線最簡結構的分布式光纖白光干涉傳感 器陣列。這種光纖白光干涉儀具有共光路結構，溫度穩定性好；具有的最簡光路 結構，造價低廉、實用性強，可對分布式形變、應變、溫度、壓力等物理量進行 傳感探測。本發明可用于大尺寸的智能結構監測，亦可用于多任務傳感、多元傳 感、局部應變傳感以及大尺度形變傳感。本發明通過將寬帶光源和光電探測器構成發射與接受的雙工光電器件，使參 考光波與測量光波在同一光路中傳輸，通過調諧Fabry-Perot諧振腔長，使傳感 器反射回的參考光波與測量光波的光程發生匹配，獲得白光干涉條紋，實現對多 個傳感器信號的問訊。這種基于可調Fabry-Perot諧振腔長實現問訊的分布式光纖白光干涉傳感器 陣列，由寬譜光源、光電探測器、可調Fabry-Perot諧振腔、單模連接光纖、光 纖傳感器組成的陣列構成。所述的寬譜光源與光電探測器通過分光棱鏡構成發射和接收的雙工光電器件。所述的可調Fabry-Perot諧振腔，由掃描棱鏡、自聚焦透鏡、具有部分反射 面的單模光纖共同構成光纖延遲線。所述的光纖干涉儀中光纖Fabry-Perot諧振腔器件，其諧振腔的腔面反射率 可在1%-99%之間任意取值。所述的光纖干涉儀中光纖Fabry-Perot諧振腔器件，其腔長度可以變化。 所述的光纖傳感器組成的陣列，是由一系列長度不等的單模光纖段構成首尾 相接的串行陣列。所述的組成基于可調Fabry-Perot諧振腔長實現問訊的分布式光纖白光干涉 傳感器陣列的光纖器件，包括寬帶光源、光電探測器、可調Fabry-Perot諧振腔、 單模連接光纖、光纖傳感器陣列，都工作在單模狀態。本發明的優點和特點是(1)本發明采用可調Fabry-Perot諧振腔長構造分布式光纖白光干涉傳感器 系統，使得解調干涉儀和光纖傳感器陣列可以通過一條光纖進行連接，極大地簡 化了測量系統的光路結構；同時使測量光路和參考光路實現了共光路，提高了對 環境的抗干擾能力。(2 )釆用可調Fabry-Perot諧振腔長構造分布式光纖白光干涉傳感器系統， 無需釆用復雜的時分復用或頻分復用技術，只需通過連續的空間光程掃描，即可 實現對多個傳感器信號的問訊和測量，技術簡單，易于實現。(3) 本發明構造的分布式光纖白光干涉傳感器陣列，可以實現光纖傳感器 布設的陣列化，在測量時各傳感器互不影響，傳感器標稱長度可由幾厘米到幾百 米，具有多任務傳感、多元傳感、局部應變傳感與大尺度形變傳感的能力。(4) 使用白光光源與光電探測器構成的雙工光電器件，使得測量光路與參 考光路復用，極大地簡化了系統的復雜程度，降低了測試費用，保證了測試系統 的實時性，提高了測量的可靠性。(5) 本發明采用的光纖材料和器件均為標準光纖通信元件，成本價格低廉, 容易獲得，有利于推廣。
圖1是典型的白光干涉Michelson干涉儀結構示意圖。 圖2是典型的白光干涉條紋信號示意圖。圖3是本發明的基于可調Fabry-Perot諧振腔長實現問訊的最簡單的光纖白光干涉傳感器的結構示意圖。圖4是本發明的光纖傳感器的結構示意圖。圖5是本發明的可調Fabry-Perot諧振腔構成的光纖延遲線的結構示意圖。圖6是本發明的基于可調Fabry-Perot諧振腔長實現問訊的分布式光纖白光干涉傳感器陣列的結構示意圖。圖7是本發明的寬譜光源與光電探測器構成的雙工光電器件示意圖。圖8是本發明的基于可調Fabry-Perot諧振腔長實現問訊的分布式光纖白光干涉傳感器陣列的白光干涉信號。 具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述具體實施方式
一本發明的基本原理是基于低相干、寬譜光(白光)的干涉原理和空分復用原 理。最簡單的可調Fabry-Perot諧振腔長的光纖白光干涉傳感器陣列的結構如圖3 所示，即傳感器陣列中只連接一個傳感器的情況。白光光源111的出射光束通過 一分光棱鏡131直接達到可調Fabry-Perot諧振腔2，被諧振腔的左右腔面多次反 射后，信號光從右腔面輸出；信號光又分別被傳感器411 (如圖4所示)的左右 兩個端面反射后沿原路返回，再次經過Fabry-Perot諧振腔2后，到達光電探測 器121。在上述一系列的具有不同光程的光信號中，我們將光信號從光源傳輸到 傳感器，以及傳感器再反射回探測器的這個過程中，來回都僅經過一次 Fabry-Perot諧振腔2,并且被傳感器右端面反射的信號光稱為測量信號光；而將 此過程中，來時經過兩次，回時經過一次或者來時經過一次，回時經過兩次可調 Fabry-Perot諧振腔2,并且被傳感器411左端面反射的光信號稱為參考信號光。 測量光信號和參考光信號在探測器121表面發生相干疊加，由于寬譜低相干<formula>formula see original document page 8</formula>式中7l、 /2為參考光束和測量光東的信號強度，A為波數，^為兩干涉信號光程差，①為初始相位，7")為光源自相關函數。按照前述參考信號與測量信號經歷光程路徑的定義，所謂參考光與測量光的 匹配光程，具體到圖3的光纖測量系統而言，即為測量信號在傳感器4左右端面 反射所累積的光程與參考信號在Fabry-Perot諧振腔2前后兩個腔面所累積的光程相等，有<formula>formula see original document page 9</formula>
其中，丄為共光程光纖部分的長度，/為左右反射面之間的光纖傳感器的長度，"為光纖纖芯的折射率，n丄。為不包括調諧長度X在內的Fabry-Perot諧振腔 的腔長，X代表光纖延遲線的調諧距離，如圖6所示。基于白光干涉原理的光纖干涉儀的干涉條紋只發生在光程匹配附近的幾個 微米到幾十個微米之間。利用這個特點，無需利用復雜的時分或者頻分復用技術， 即可實現傳感器的復用。如圖7所示，將光纖傳感器411首尾相接組成串行陣列 4。每個傳感器411的端面都具有一定的反射率。如果每個傳感器的長度大于光 源的相干長度，則測量光與參考光之間產生的干涉條紋在各自相干長度內，只存 在單一的白光干涉信號，即干涉條紋互不干擾相互獨立；通過對Fabry-Perot諧 振腔長的調諧可實現空間光程掃描，對多個傳感器加以區分，實現對多個外界物 理量的查詢與問訊，十分方便的實現分布式傳感。可見基于可調Fabry-Perot諧振腔長實現問訊的分布式光纖白光干涉傳感器 陣列的基本構造思想是參考光束經過可調Fabry-Perot諧振腔延遲后與測量光東 經過相同的光路，發生一一對應的光程匹配，使產生的白光干涉條紋在光程掃描 空間上相互獨立、互不干擾。參考光束的匹配可以直接利用可調Fabry-Perot諧 振腔構成的光纖延遲線實現光程的掃描。
具體實施方式
二利用可調Fabry-Perot諧振腔長實現問訊構造的分布式光纖白光干涉傳感器 陣列的方案，如圖7所示。由圖可見，該分布式光纖白光干涉傳感器陣列由雙工 光電器件1、可調Fabry-Perot諧振腔2、單模連接光纖3、串行傳感器陣列4構 成。光纖傳感器411是由兩端具有一定反射率的垂直于光纖端面的一段任意長 度的光纖段構成，典型結構如圖4所示， 一段根據實際測量需要截取的單模光纖 兩端加裝陶瓷插芯901,端面經過拋光處理后，得到垂直于傳輸光方向的反射率 大于等于1%的光纖端面。光纖傳感器411可以通過陶瓷套管902與傳感器或者 光纖連接，陶瓷套管同時起到對傳感器端面的保護。若干個光纖傳感器411首尾 相接就形成一個串行的光纖傳感器陣列4。本實施例中，由X1-X4共四個光纖傳感器首尾相接組成傳感陣列。光纖傳感器的平均長度大約為500mm,具體長 度如下XI: 499.0mm, X2: 502.2mm, X3: 498.0mm, X4: 500.0mm。'如圖5所示，雙工光電器件1由具有共基極113、發射極112、集電極122 的寬譜光源111與光電探測器121通過分光棱鏡131組成。其中，寬譜光源出射 光的中心波長為1300nm，譜寬為60nm,出射功率為IOO微瓦；探測器釆用InGaAs 基紅外探測器，其光譜響應范圍為1100nm 1700nm,其響應度為0.9。如圖6所示，可調Fabry-Perot諧振腔2由掃描棱鏡231、自聚焦透鏡221、 具有部分反射面211的單模光纖構成，其中，單模光纖采用SMF-28型標準通信 用光纖，其長度選擇為400mm;掃描棱鏡231選用邊長為50.8mm的直角棱鏡， 光程掃描的運動范圍X為0 100mm。如圖7所示，利用可調Fabry-Perot諧振腔長實現問訊構造的分布式光纖白 光干涉傳感器陣列的測量臂連接有串行的光纖傳感器陣列；而參考臂中嵌套可調 Fabry-Perot諧振腔，其作用是使參考光束與測量光東光程匹配。使用寬帶光源 111與光電探測器121通過分光棱鏡131構成的雙工光電器件1使參考臂與測量 臂合二為一。干涉儀工作時，雙工光電器件中寬帶光源111的光通過可調 Fabry-Perot諧振腔2后直接耦合進入光纖傳感器陣列4,被串行陣列中各個光纖 傳感器411的右端面反射后，形成了一系列具有不同光程的反射測量信號光；光 東被串行陣列中各個光纖傳感器411的左端面反射后，沿相同的路徑經過調諧后 的Fabry-Perot諧振腔所構成的光纖延遲線傳輸回雙工光電器件中的探測端121, 形成了一系列具有不同光程的參考測量信號光；參考光東與測量光束的光程匹配 和白光干涉條紋的獲得是通過二者共同動作實現的，當可調諧光纖延遲線調到某 一位置處使Fabry-Perot諧振腔總光程與某一傳感器的標稱長度相匹配時，傳感 器的兩端面反射信號產生白光干涉條紋，如圖8所示。并且由圖8可知，白光干 涉峰值出現的位置與傳感器X1 X4的長度具有一一對應關系，通過Fabry-Perot 諧振腔長的連續調諧可實現空間光程掃描，可以對多個傳感器加以區分，從而實 現多個外界物理量的查詢與問訊。當傳感器由于溫度、應力等參量的作用，產生 應變或者位移時，其光程掃描位置也隨之變化，記錄變化前后的位置值，根據轉 換關系，即可進行參量的傳感測量。
權利要求
1、一種基于可調Fabry-Perot諧振腔的分布式光纖白光干涉傳感器陣列，其特征是由雙工光電器件(1)、可調Fabry-Perot諧振腔(2)、單模連接光纖(3)、傳感器(4)構成；可調Fabry-Perot諧振腔(2)由掃描棱鏡(231)、自聚焦透鏡(221)、具有部分反射面(211)的單模光纖連接構成；雙工光電器件(1)由具有共基極(113)、發射極(112)、集電極(122)的寬譜光源(111)與光電探測器(121)通過分光棱鏡(131)組成；光源(111)出射的具有一定光譜寬度的光束通過分光棱鏡(131)直接達到可調Fabry-Perot諧振腔(2)，被諧振腔的具有部分反射面(211)的單模光纖的左右腔面多次反射后，信號光從右腔面輸出；信號光經單模連接光纖(3)進入傳感器(411)，分別被傳感器(411)的左右兩個端面反射后沿原路返回，再次經過Fabry-Perot諧振腔(2)，從其左腔面輸出后，進入雙工光電器件(1)，經過分光棱鏡(131)分光后，到達光電探測器(121)。
2、 根據權利要求1所述的基于可調Fabry-Perot諧振腔的分布式光纖白光 干涉傳感器陣列，其特征是所述的傳感器(4)是將一組光纖傳感器(411 ) 首尾相接組成的串行傳感器陣列。
3、 根據權利要求1或2所述的基于可調Fabry-Perot諧振腔的分布式光纖 白光干涉傳感器陣列，其特征是所述的光纖傳感器(411)是由兩端具有一定 反射率的垂直于光纖端面的一段任意長度的光纖段構成，它是將一段根據實際 測量需要截取的單模光纖兩端加裝陶瓷插芯(901),端面經過拋光處理后，得 到垂直于傳輸光方向的反射率大于等于1%的光纖端面制成的光纖傳感器。
4、 根據權利要求1或2所述的基于可調Fabry-Perot諧振腔的分布式光纖 白光干涉傳感器陣列，其特征是所述的Fabry-Perot諧振腔中腔面的反射率在 1%-99%之間。
5 、根據權利要求3所述的基于可調Fabry-Perot諧振腔的分布式光纖白光 千涉傳感器陣列，其特征是所述的Fabry-Perot諧振腔中腔面的反射率在 1%-99%之間。
6、根據權利要求1或2所述的基于可調Fabry-Perot諧振腔的分布式光纖白光干涉傳感器陣列，其特征是所述的Fabry-Perot諧振腔的腔長連續可變。
7、 根據權利要求3所述的基于可調Fabry-Perot諧振腔的分布式光纖白光 干涉傳感器陣列，其特征是所述的Fabry-Perot諧振腔的腔長連續可變。
8、 根據權利要求3所述的基于可調Fabry-Perot諧振腔的分布式光纖白光 干涉傳感器陣列，其特征是光纖傳感陣列中的傳感器其長度各不相同。
全文摘要
本發明提供的是一種基于可調Fabry-Perot諧振腔的分布式光纖白光干涉傳感器陣列。由雙工光電器件、可調Fabry-Perot諧振腔、單模連接光纖、傳感器構成；可調Fabry-Perot諧振腔由掃描棱鏡、自聚焦透鏡、具有部分反射面的單模光纖連接構成；雙工光電器件由具有共基極、發射極、集電極的寬譜光源與光電探測器通過分光棱鏡組成；光源出射的具有一定光譜寬度的光束通過分光棱鏡直接達到諧振腔，被諧振腔的左右腔面多次反射后，信號光從右腔面輸出；信號光經單模連接光纖進入傳感器，分別被傳感器的左右兩個端面反射后沿原路返回，再次經過諧振腔，從其左腔面輸出后，到達光電探測器。本發明具有共光路結構，溫度穩定性好；具有最簡光纖光路結構，造價低廉、實用性強。
文檔編號G01D5/26GK101324445SQ20081013683
公開日2008年12月17日 申請日期2008年7月30日 優先權日2008年7月30日
發明者朱曉亮, 軍 楊, 苑立波 申請人:哈爾濱工程大學