[發明專利]一種干涉型傳感器臂長差的測量裝置

有效

• 申請號: 201410603812.5
• 申請日: 2014-10-31
• 公開（公告）號: CN104330104A
• 公開（公告）日: 2015-02-04
• 發明（設計）人: 呂武略;金曉峰;章獻民;鄭史烈;池灝
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01D18/00
• 分類號: G01D18/00
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明屬于光纖傳感器性能測量技術領域，具體涉及一種干涉型傳感器臂長差的測量裝置。

背景技術

干涉型傳感器是近20年興起的傳感設備，可以直接用于水聲、電流、磁場等物理量的監測。這種類型的傳感器具有靈敏度高、精度高、測量速度快以及抗干擾能力強等特點。干涉型傳感器常見的結構有光纖邁克爾遜干涉儀(如圖1所示)、馬赫-曾德干涉儀(如圖2所示)等；常見的光纖水聽器，光纖磁場計等都是這種結構的傳感器。其主要的工作原理：通常干涉型傳感器具有兩條長度不同的光纖臂，被測信號作用到傳感器，使光纖內傳播的光波相位發生變化，再利用干涉測量技術把兩臂內的相位變化之差轉換成光強，從而檢測出被測信號。由其工作原理看出，干涉型傳感器其兩臂光纖的臂長差決定了傳感器的性能與靈敏度，準確的測量光纖臂長差具有非常重要的意義。

當前用來測量臂長差的方法主要有：時域脈沖法、PGC零差檢測法、白光干涉法、電流調制光源和觀測干涉條紋可見度法、干涉儀干涉譜觀測法、使用精密反射計法。其中時域脈沖法的主要原理為：使用飛秒激光器產生飛秒激光脈沖進入干涉儀，在干涉儀輸出端使用高速信號采集儀，測量經兩臂傳輸的兩個脈沖的時間差，從而計算出臂長差。這個方法要使用飛秒激光發生器和高速信號采集設備，這兩個設備的成本非常高。PGC零差檢測法最初是用來做信號解調的，也有人將其用在臂長差測量上，其主要原理是：使用加直流電壓的方式進行臂長差補償，在傳感器的兩臂加上不同電壓，使得等效的臂長差相同，然后通過計算兩臂的電壓差計算出臂長差；這種方法應用范圍非常有限，它要求要能在被測傳感器兩臂上加電壓，兩光纖臂要對傳感器有響應；要滿足這兩個要求，可能就會破壞傳感器，大部分傳感器都是密封的；加電壓補償也決定了他的測量范圍也比較小。另外白光干涉法的測量原理是：使用白光干涉儀測量，通過調節白光干涉儀里的反射鏡，人為的引入臂長差來補償被測傳感器的臂長差，當完全補償時，輸出信號最大，通過讀取移動距離得到臂長差。其他幾種技術都是基于觀測干涉條紋的方法，通過條紋間距計算得到臂長差。

上述的幾種測量技術共同特點就是全部在光域上完成測量，不僅需要昂貴的精密儀器支持，還需要人工調節；這使得完成一次測量付出的設備成本，時間成本和人工成本比較高。

發明內容

針對現有技術所存在的上述技術問題，本發明提供了一種干涉型傳感器臂長差的測量裝置，不用拉直光纖，直接通過激光測量長度的方法，測量范圍非常大，覆蓋1厘米到1千米的范圍，并且能提供較高的測量精度。

一種干涉型傳感器臂長差的測量裝置，包括：

微波掃頻源，用于產生正弦波形式的射頻信號RF且該射頻信號RF的頻率在掃頻范圍內隨時間單調變化；

功分器，用于對所述的射頻信號RF功率平分，輸出兩路相同的射頻信號RF1～RF2；

寬譜光源，用于產生寬譜激光；

馬赫-曾德強度調制器，用于將射頻信號RF1調制到寬譜激光上，進而將寬譜激光加載至干涉型傳感器輸入端；

直流穩壓電源，用于為馬赫-曾德強度調制器提供直流偏置電壓，通過調節直流偏置電壓的大小，使馬赫-曾德強度調制器工作在線性工作點(即正交偏置點)上；

高速光電探測器，用于將干涉型傳感器輸出端產生的光信號轉換成電信號；

射頻放大器，用于對所述的電信號進行放大，得到射頻信號RF3；

移相器，用于調節射頻信號RF2的相位，使其與射頻信號RF3相位相同；

混頻器，用于對相位相同的兩路射頻信號RF2～RF3進行混頻后輸出中頻信號；

低通濾波器，用于對所述的中頻信號進行濾波；

AD采樣器，用于對濾波后的中頻信號進行采樣；

測量處理器，用于根據采樣得到的中頻信號以及射頻信號RF的頻率，計算出干涉型傳感器的臂長差。

所述的寬譜光源可以采用SLED光源、LED光源、ASE光源或其他干涉長度小于1mm的光源。

所述的馬赫-曾德強度調制器基于鈮酸鋰晶體的電光效應，通過調節直流穩壓電源輸出直流偏置電壓的大小，使馬赫-曾德強度調制器工作在線性工作點上，進而能夠使其強度調制效率最高。

所述的微波掃頻源具有掃頻功能，其掃頻區間長度由要求的最小測量臂長差決定，其對應關系如下：