[发明专利]一种全光纤多功能传感器无效

专利信息
申请号: 92111244.0 申请日: 1992-10-12
公开(公告)号: CN1076023A 公开(公告)日: 1993-09-08
发明(设计)人: 郑刚 申请(专利权)人: 郑刚
主分类号: G01D5/26 分类号: G01D5/26
代理公司: 暂无信息 代理人: 暂无信息
地址: 100081 北*** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 一种 光纤 多功能 传感器
【说明书】:

发明是一种全光纤多功能传感器。它是一种精密测量仪器,用在微细加工、精密测量和自动控制等领域。

全光纤多功能传感器由一个带有光隔离器和光纤输出端的半导体激光器、一个半导体激光器波长温飘控制系统、一个分束器、多个单臂全光纤干涉系统和多个光纤传感器探头构成。其中,控制半导体激光器波长温飘的方法、单臂全光纤干涉仪和多种具有不同功能的光纤传感器探头是构成该发明的几个重要方面。

一、控制半导体激光器波长温飘的方法

所有的激光干涉仪或者根据激光干涉原理设计的光纤传感器都存在激光器的波长随温度变化而改变(即温飘)的问题,特别是半导体激光器的温飘更大。现有解决半导体激光器温飘的方法是采用一个恒温控制系统控制半导体激光器的温度,即先由一个热敏元件测出半导体激光器的温度变化,再由反馈电路驱动制冷器或加热器,使半导体激光器的温度恢复到原来的温度值。使用这种方法,不仅仪器结构复杂、体积庞大,而且由于半导体激光器的外壳温度和内部温度不完全相同,所以控制温飘的精度很低,有时还会形成振荡。

本发明所提出的控制半导体激光器波长温飘的方法是为了解决根据半导体激光器锯齿波调频连续波外差干涉原理设计的干涉仪或光纤传感器中的激光器波长温飘问题。方法的具体内容是;从半导体激光器发出的激光束中分出一束激光,这束激光经过一个由两个反射面构成的、并且这两个反射面之间的光程差(L)不随温度变化而改变的恒光程差干涉腔,干涉腔所形成的拍频信号由光接收器接收。由于这种恒光程差干涉腔形成的干扰信号的初位相(φ0)可以表示为:φ0=2πL/λ0,式中的λ0为锯齿波调频激光的中心波长。上式表示,拍频信号的初位相(φ0)只与激光器的中心波长(λ0)成反比。根据这一关系,用鉴相电路鉴别出拍频信号的初位相变化量后,就可以直接或间接地控制半导体激光器的温飘。直接控制方式是根据拍频信号的初位相变化量,用一个反馈电路控制半导体激光器的驱动电流,使半导体激光器的中心波长恢复到原来的数值。间接控制方式是让半导体激光器的中心波长随意飘移,只是在干涉仪或光纤传感器对其它物理量的测量结果中加上由初位相变化(即激光器温飘)所决定的修正值。

上述控制温飘的方法可以提高干涉仪或光纤传感器的测量精度,简化仪器结构,缩小仪器尺寸。实现上述方法可以采用以下三种方案。

方案一如图1所示。图中的实线表示光路,虚线表示电路。整个系统由分束器(1)、用零膨胀玻璃(或其它零膨胀透明材料)制成的、上下两个表面为平面且互相平行的玻璃块(2)、光接收器(3)、鉴相电路(4)和反馈控制电路(或误差校正电路)(5)组成。其中玻璃块(2)作为恒光程差干涉腔。为了增加拍频信号强度,玻璃块(2)的上表面可以镀半反半透膜,下表面可镀反射膜。系统的工作原理是:半导体激光器发出的锯齿波调频激光束被分束器(1)分为两束光,一束光供后面的干涉仪或光纤传感器使用,另一束光射向玻璃块(2),玻璃块(2)上下两个表面的反射光汇合后发生干涉,形成的拍频信号穿过分束器(1)并由光接收器(3)接收,得到的电信号再经过鉴相电路(4),最后由反馈控制电路(或误差校正电路)(5)直接(或间接)地控制半导体激光器温飘。

方案二如图2所示。图中的实线为光纤、虚线为电路。整个系统由Y型光纤耦合器(6)和(7)、用零膨胀玻璃制成的平凸透镜(或一小段零膨胀光纤)(8)、光接收器(9)、鉴相电路(10)、反馈控制电路(或误差校正电路)(11)组成。其中平凸透镜或一小段零膨胀光纤(8)作为恒光程差干涉腔,它们的前表面要与干涉系统的光纤端面留有一个空气缝隙、且二者之一镀增透膜,使用平凸透镜时,其后表面的球面半径要与透镜的厚度相等,以便后表面的反射光能够沿原光路耦合进光纤中。另外,为了提高拍频信号强度,它们的前表面可以镀半反半透膜,并与光纤端面粘结在一起,后表面可以镀反射膜。系统的工作原理是:由平凸透镜(或一小段光纤)(8)前后表面反射的两束反射光汇合后,形成的拍频信号沿光纤反向经过Y型光纤耦合器(7),最后到达光接收器(9),剩下的电信号处理和控制方法与方案一中的相应内容相同。

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