具有偏振補償功能的光學測量系統及相應的方法
【專利摘要】一種校準光學測量系統的方法，包括提供光學測量系統，所述光學測量系統的光學元件包括分束器、被施加來自所述分束器的第一分束的第一光電傳感器、光學濾波器以及沿照射方向設于所述光學濾波器后面且被施加來自所述分束器的第二分束的第二光電傳感器。其中，數個所述光學元件的角位和相互間的相對位置被構造成可校準。所述方法進一步包括提供用于從所述兩個光電傳感器的信號中形成差分信號的裝置、提供時變偏振光源、將光射入所述分束器以分別將分束施加于所述兩個光電傳感器、形成所述光電傳感器的輸出信號的差分信號、改變至少一個所述光學元件的位置和/或角位并觀測所述差分信號、測定所述元件使得所述差分信號達到最小值的角位/位置組合以及將所述光學元件的角位調節至測定值。此外還提出一種相應的系統。
【專利說明】具有偏振補償功能的光學測量系統及相應的方法
【技術領域】
[0001] 本申請涉及一種校準光學裝置以提高測量精度的方法，所述光學裝置具體是用于 檢測力學量的光學測量裝置，更具體是傳感器集成在光波導中的測量裝置。本申請還涉及 一種用于校準此類光學裝置的系統。
【背景技術】
[0002] 在諸如力、轉矩、加速度等力學量的檢測方面，光學測量技術越來越重要。其所使 用的光纖測量系統具有嵌入在光波導中的傳感元件。此類傳感元件可被設計成例如光纖 Bragg光柵傳感器。用適當波長范圍的光輻射照射以這種方式集成的傳感元件，其中根據傳 感元件的設計以及作用于傳感元件的力學量，一部分入射光被傳感器反射且可被傳輸給評 估分析單元。
[0003] 在傳感元件上反射的光輻射或穿透傳感元件的光輻射的強度和/或波長范圍具 有一些特征，這些特征受到所施加的力學量（例如一個待測量的力）影響。基于光波導的 力傳感器或光纖力傳感器以及相應的光學測量方法用途廣泛，例如機械設備監測，結構中 的機械應力檢測，部件負荷的遠程診斷，力、轉矩等等的測量。
[0004] 集成在傳感光纖中的光纖傳感元件如光纖Bragg光柵傳感器（FBG傳感器）對傳 感光纖的伸長敏感，從而對在光纖中反射的波長譜或穿透光纖的波長譜產生影響。如此一 來，光纖的伸長和/或光纖Bragg光柵結構的變化不再僅取決于待測量的力學量（例如 力），而是會受到非期望擾動量如溫度波動的影響。光學檢測力相關量時，這類非期望的影 響因素可能會導致測量精度下降。
[0005] 另一個干擾因素在已知的基于邊緣濾波器陣列的光纖測量系統中有重大影響。此 類測量系統可以實施為基于All-In-Fiber的配置（All-In-Fiber-basierteAnordnung)、 集成式光學設備或（微）光學設備。
[0006] 圖1示出一種已知的光纖測量裝置的方塊示意圖，其設計用于檢測至少一個待測 量的量。所述光纖測量裝置具有用于提供光輻射的一次光源101，可用所述光輻射來照射至 少一個光纖Bragg傳感兀件303。傳輸光纖302先將所述福射傳輸到光纖稱合器102上，所 述光纖耦合器用于將光學傳感元件303上反射后的反射光通過傳感光纖304傳輸回光學評 估單元109。
[0007] 被傳感兀件303反射且由傳感光纖304和光纖稱合器102傳輸的反射光被稱作二 次光202。之后可以在光學評估單元109中對二次光202進行分析。光學評估單元109可 被設計成例如光學濾波器，用于為二次光202濾波，而后獲得經過濾波的Bragg信號203。 這些經過濾波的Bragg信號以外加方式包含了關于被傳感元件反射的波長的信息，這樣就 能通過測定波長來測定光學傳感元件（光纖Bragg光柵）的伸長，進而對施加于光學傳感 元件303的待測量的力進行測定。在與光學評估單元109相連的檢測單元104中進行這一 測定。
[0008] 圖2以比率式光纖Bragg光柵測量配置為例示出光學評估單元109和檢測單元 104的細節圖。其中，來自于光學傳感元件303的二次光202被導入評估單元109中的兩個 光學濾波器IlOUll內。這些濾波器具有互補的濾波曲線，因此當入射光202的波長偏移 時，兩個濾波器中的一個濾波器的穿透率升高，另一個濾波器的穿透率下降。如前所述，根 據分別設于濾波器IlOUll下游的兩個光傳感器（此處未示出）的輸出電平的變化，可以 在放大后推斷出圖1所示傳感元件303的Bragg波長的變化，進而推斷出測得力學量的變 化。檢測單元104輸出相應的電輸出信號，這些電輸出信號之后被傳輸給在正常操作條件 下與檢測單元104相連的測定單元112。測定單元112再測定測量結果信號301，所述測量 結果信號例如是用來判斷可根據光學傳感元件303的伸長加以測定的力學量（例如作用于 某一機器上與所述光纖相連的結構性元件的力）的依據。
[0009] 與（包含光譜儀或激光器的）傳統FBG測量系統相比，上述比率式光纖測量系統 一般還存在其它問題。舉例而言，溫度因素可能會改變光學組件和/或光電組件的光學特 性。這會導致測量系統出現非期望的溫度漂移。此外，例如由被污染的插式連接器、PC插 式連接器或有缺陷的光纖封閉件引發的背景光也會造成測量偏差。
[0010] 所使用的光（例如來自光源101的光）的偏振態對測量的影響是比率式光纖 Bragg光柵測量系統（FBG)迄今為止未受到重視的一個影響量。（纖維）光學元件一般具 有與入射光的偏振態相關的穿透率、反射率和/或靈敏度。以前述比率式濾波原理為例，這 會導致形成與偏振態相關的不同的有效光學濾波曲線。其結果是在計算波長時出現偏振相 關測量偏差。
[0011] 鑒于以上所述，最好存在一種能將所用光的偏振對測量精度的影響最小化或予以 消除的光學測量系統。
【發明內容】
[0012] 本發明提供一種具有獨立權利要求1所述特征的校準光纖測量系統的方法，所述 光纖測量系統設計用于檢測力學量。本發明還提供一種如權利要求6所述的光纖測量系 統。
[0013] 根據一個實施方式，本發明提供一種校準光學測量系統的方法。所述方法包括提 供光學測量系統，其光學元件包括分束器、被施加來自所述分束器的第一分束的第一光電 傳感器、光學濾波器以及沿照射方向設于所述光學濾波器后面且被施加來自所述分束器的 第二分束的第二光電傳感器。其中，數個所述光學元件的角位和相互間的相對位置被構造 成可校準。所述方法進一步包括提供用于從所述兩個光電傳感器的信號中形成差分信號的 裝置、提供時變偏振光源、將光射入所述分束器以分別將分束施加于所述兩個光電傳感器、 形成所述光電傳感器的輸出信號的差分信號、改變至少一個所述光學元件的位置和/或角 位并觀測所述差分信號、測定所述元件使得所述差分信號達到最小值的角位/位置組合以 及將所述光學元件的角位調節至測定值。
[0014] 根據另一實施方式，本發明提供一種用于對光學測量系統進行偏振補償校準的系 統。所述系統包括分束器、被構造成可被施加來自所述分束器的第一分束的第一光電傳感 器、被構造成可被施加來自所述分束器的第二分束的光學濾波器、沿照射方向設于所述濾 波器后面的第二光電傳感器以及用于提供時變偏振光的光源，其中借助有源元件使所述偏 振隨時間變化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 下面參照附圖詳細說明實施例。其中：
[0016] 圖1為按照光纖Bragg原理運行的已知測量系統；
[0017] 圖2為已知的比率式光纖Bragg測量系統的局部示意圖；
[0018] 圖3為實施例所提供的用于校準光纖測量裝置的系統的部分示意圖；
[0019] 圖4為實施方式所提供的方法的示意圖。
【具體實施方式】
[0020] 在附圖中，相同或功能相同的元件或步驟用相同的符號標示。
[0021] 下面將詳細說明本發明的各種實施方式，其中附圖示出一個或數個示例。
[0022] 本發明的實施方式涉及一種用于校準光學測量系統的系統以及相應的方法。從光 學測量系統開始進行說明，其包括分束器、至少一個光學濾波器和兩個光電傳感器。所述系 統通常但非必須安裝在例如板體150上，從而使得元件之間的光路分布于平行于底板的平 面內。這種結構由圖3示出。
[0023] 圖3為實施例所提供的比率式光纖Bragg光柵（FBG)測量系統的一個部分。在測 量模式（非本案重點）下，被FBG傳感器303 (此處未示出，例如參見圖1)反射的光202由 玻璃纖維118導向（微）光學設備140。所述入射光的第一部分204在分束器裝置120上 被導向參考檢測器122。未折射的部分206被光學濾波兀件123 (濾波器123)導向光電二 極管124。利用算法從在參考二極管122和濾波光電二極管124(類似于圖2所示的結構） 上測得的強度信號中推斷出傳感器303的Bragg波長。
[0024] 在實施例中，由光纖118導入光學設備的是以校準設備140為目的特別是以校準 為目的而產生的光203,而非后續的常規測量過程所使用的來自光纖Bragg光柵的光。根據 實施例，光203的特點在于時變偏振。舉例而言，為此可以導引來自激光器的光穿過一個由 數個λ/4板體組成的陣列，其中通過機械配置如壓電致動器或小型的電動機/步進馬達使 這些板體發生周期性或隨機運動。λ/4板體原則上能夠使平行于部件特定軸線偏振的光延 遲，即，相對于垂直于所述軸線偏振的光延遲四分之一波長或η/2。在適當入射的情況下， 可以用線偏振光產生圓偏振光或橢圓偏振光，以及用圓偏振光再度產生線偏振光。根據實 施例，只要偏振類型隨時間變化，那么當以上述方式產生或改性的光203被導入光學設備 時，其在哪個時間點上實際具有何種偏振，這是無關緊要的。本領域技術人員不難理解，時 變偏振光的產生方式有許多種，此處不再加以贅述。
[0025] 設備140所使用的光學元件120、122、123、124通常具有偏振相關傳輸損耗（PDL) 或偏振相關靈敏度。在圖3的示例中，就是指分束器120、光學濾波器123和兩個光電傳感 器122、124。如前所述，這些偏振相關部件會對比率式光學測量系統所得到的測量結果產生 影響。
[0026] 為了最小化PDL元件的影響，實施例在考慮系統（濾波）功能的情況下，通過對單 個PDL元件進行針對性布置來將不確定的偏振態或偏振度對測量結果的影響最小化。
[0027] 為此，將時變偏振光203通過光纖118射入光學設備140。
[0028] 下面以完全線偏振光為例進行說明。其中所涉及的最小化PDL元件對測量結果的 影響的方法不受此限制，而是普遍適用于可以實施為基于All-In-Fiber的配置、集成式光 學設備或（微）光學設備的光學FBG邊緣濾波器測量陣列。兩個光電二極管通道均存在預 期的測量偏差Λλ(以線偏振光為例）：
[0029]
【權利要求】
1. 一種校準光學測量系統的方法，包括： -提供光學測量系統，其光學元件包括： -分束器； -被施加來自所述分束器的第一分束的第一光電傳感器； -光學濾波器； -沿照射方向設于所述光學濾波器后面且被施加來自所述分束器的第二分束的第二光 電傳感器， 其中數個所述光學元件的角位和相互間的相對位置被構造成可校準； -提供用于從所述兩個光電傳感器的信號中形成差分信號的裝置； -提供時變偏振光源， -將光射入所述分束器以分別將分束施加于所述兩個光電傳感器； -形成所述光電傳感器的輸出信號的差分信號； -改變至少一個所述光學元件的位置和/或角位并觀測所述差分信號； -測定所述元件使得所述差分信號達到最小值的角位/位置組合，
2. 如權利要求1所述的方法，進一步包括： -除改變偏振外還改變所述入射光的頻率。
3. 如權利要求1或2所述的校準測量系統的方法，其中將所述光電傳感器的輸出信號 所形成的各差分信號連同各個所述元件的對應的角度數據存儲在電子存儲裝置中。
4. 如權利要求1至3中任一項所述的校準測量系統的方法，其中在完成所述光學元件 的校準范圍后自動測定，在哪些角位下測量到了最小的差分輸出信號，并將相關的光電傳 感器送入相應位置并予以固定。
5. 如前述權利要求中任一項所述的校準測量系統的方法，其中借助運動的A /4板體 使所述入射光產生偏振。
6. -種用于對光學測量系統進行偏振補償校準的系統，包括： -分束器， -被構造成可被施加來自所述分束器的第一分束的第一光電傳感器 -被構造成可被施加來自所述分束器的第二分束的光學濾波器； -沿照射方向設于所述濾波器后面的第二光電傳感器， _用于提供時變偏振光的光源，其中借助有源元件使所述偏振隨時間變化。
7. 如權利要求6所述的系統，進一步包括用于檢測所述光電傳感器的差分輸出信號的 電子控制器以及用于改變所述光電傳感器的角位的執行機構。
8. 如權利要求7所述的系統，其中所述控制器設計用于實施如權利要求1至5中任一 項所述的校準方法。
9. 一種如權利要求6至8中任一項所述的系統的應用，用于測量力學量，其中所述系統 進一步包括光纖Bragg光柵。
10. 如權利要求9所述的應用，包括： 以某種方式將所述力學量施加于所述光纖Bragg光柵，使得所述光纖Bragg光柵的 Bragg波長被所述力學量改變； 借助所述分束器將來自所述光纖Bragg光柵的二次光分成第一分束和第二分束， 用所述光學濾波器對被所述光纖Bragg光柵的Bragg波長根據所述力學量加以改性的 二次光進行濾波， 檢測所述二次光經過濾波的第一分束和第二分束的強度； 對所述經過濾波的第一二次光和第二二次光的測得強度進行比較；以及 從所述強度比較中測定所述力學量。
【文檔編號】G01M11/02GK104508445SQ201380029678
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2013年6月4日 優先權日:2012年6月5日
【發明者】托爾比約恩·布克, 拉爾斯·霍夫曼, 馬蒂亞斯·穆勒, 羅爾夫·沃伊泰沙 申請人:慕尼黑工業大學