[发明专利]一种基于多次反射的双光束脉冲干涉法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种基于多次反射的双光束脉冲干涉 法，可应用于对于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、加速度、电流、电 压、电场、磁场、温度、声场、流量、pH值等各种参量的检测。

背景技术

光纤能集信息传输与传感于一体，由它构成的传感器，只需要一光源和一 探测线路，就可以对沿光纤传输路径上长达数千米甚至数十千米的信息如应 力、温度、损伤状况等进行测量与监控[1]。由于光纤传感具有抗电磁干扰能力 强、灵敏度高、电绝缘性好、安全可靠、耐腐蚀、响应速度快、无源性、防爆、 体积小、重量轻、成本低、可构成光纤传感网等诸多优点，它在众多领域均有 广阔的应用前景[2]。光纤传感器将待测量在光纤内传输的光波参量进行调制， 并对被调制过的光波信号进行解调检测，从而获得待测量值。它可广泛用于位 移、振动、转动、压力、弯曲、应变、加速度、电流、磁场、电压、温度、声 场、流量、浓度、值等各种参量的测量。

光纤检测技术利用外界因素使光在光纤中传播时光强、相位、偏振态以及 波长或频率等特征参量发生变化，从而对外界因素进行检测和信号传输。光纤 传感器按被调制的光波参数的不同可分为相位调制光纤传感器、偏振调制光纤 传感器、强度调制光纤传感器和波长调制光纤传感器[3]。其中，相位调制光纤 传感器通常是通过干涉的方式进行测量。相位调制光纤传感器是物理微扰与光 纤干涉仪的某一干涉臂或两干涉臂相作用，对光纤中光波的相位进行调制，而 干涉仪的输出是与相位差成一定关系的光强信号。相位传感器不论用于磁场传 感，还是声、旋转等传感，在理论上的灵敏度都要比现有传感技术高几个数量 级。基于相干检测技术的干涉型光纤传感器，因其灵敏度高、动态范围大且便 于复用，被广泛应用到电场、磁场、温度、水声、地震波等的测量中。

在光纤检测技术中采用干涉技术，则其检测灵敏度会大大提高。常用的有 Michelson干涉式光纤传感器、Mach-Zehnder干涉式光纤传感器、Fabry-Perot 干涉式光纤传感器、Sagnac干涉式光纤传感器和Fizeau干涉式光纤传感器[4]。 Michelson干涉仪因其结构简单、条纹对比度好、信噪比高、条纹的计数和被测 位移的计算关系简单等优点而受到广泛的研究和应用[5]。

随着光纤传感技术的发展，对于待测参量的测量，出现了许多解决方法[6]， 主要包括相位追踪法、各种外差法和相位载波(PGC)调制解调法。但是传统的 相位跟踪法需要在干涉仪中引入压电陶瓷作为相位解调器，降低了系统的可靠 性和稳定性，对于许多要求无源的应用场合是不可取的。另外由于温漂等环境 因素的影响，现有的相位检测法对于更小相位的检测就成为一个难题。

鉴于上述方法的局限性，本发明提出了一种基于多反射的双光束脉冲干涉 法，用于实现由各种待测参量引起的光相位变化的高灵敏检测。

[1]莫淑华.光纤传感技术在力学测试中的发展与应用.哈尔滨师范大学自然科 学学报.2000

[2]肖军，王颖.光纤传感技术的研究现状与展望.机械管理开发.2006.12

[3]吴洁，薛玲玲.光纤传感器的研究发展.激光杂志.2007，5(28)

[4]姚建永，张森.基于Michelson干涉仪的光纤AE传感器的研究.光通信研 究.2008

[5]原安娟，柴常.基于迈克尔逊干涉原理的光纤传感器研究.山西大同大学学报 (自然科学版).2008.2

[6]F.Roser，J.Rothhard.B.Ortac et al，131W 220 fs fiber laser system[J].Opt.Lett.2005

发明内容

本发明提出了一种基于多次反射的双光束脉冲干涉法，用于实现对于由各种 待测参量引起的光相位的高灵敏检测。该方法中包括信号臂和参考臂，信号臂 的作用是将由待测参量引起的光路长度变化量转换成对在光路中传输的光相位 的改变，参考臂的作用是作为信号臂光相位变化的参照。在信号臂和参考臂光 路中都分别包含有一个由两个部分光耦合器件(可以是部分光反射镜以及光纤 耦合器)组成的光腔，使得光脉冲能够在光腔中进行多次反射，使得微小的光相 位变化量通过多次作用而进行放大，等效于提高了光纤段的有效长度。信号臂 和参考臂输出的两束光进行相干干涉，得到引起的光相位的变化量。