[发明专利]有比率正交脉冲检测的法布里－佩罗压力传感系统

说明书

本发明是关于光传感器系统的领域，该系统应用于检测由待测物理参量作用于一个光学传感器所产生的干涉诱导相位差。更具体地讲，本发明涉及使用一个法布里-佩罗(Fabry-Perot)压力传感器以测量压力(比如由声波穿过一种介质传播时导致的压力)的相干光纤系统，该系统在不利环境条件下仍能具有高准确性和可靠性。

用于传感和测量物理参量的相干光纤系统在本领域是已知的。例如，Kim等人的美国专利5,200,795所公开的技术。但很多这些现有系统存在一个或多个问题，比如高成本，准确性不够，在不利条件下可靠性不佳。

一种表示要克服上述问题的系统使用小型硅Fabry-Perot压力传感器，这种系统在1991年有关固态传感器和致动器的国际会议上由Hlg发表的“有干涉测量光学数据输出值的硅压力传感器”一文中有所描述，见IEEE目录号91CH2817-5第682-684页(1991)。使用这种传感器的一个系统在Bush等人的标题为“低成本光学干涉测量扩音器和水听器”一文中有所描述，见SPIE 2292卷，光与激光传感器XII部分第83-93页(1994)。Bush等人所设想的系统将使用两个或更多的稳态发光二极管(LED)，用以发射不同波长光，作为光信号源。从实践上讲，就稳定性和准确性而言，可以相信这种方法不会产生理想的结果。其原因例如发光二极管输出的不稳定性。此外，用个解调受压力调制的光信号的机构仍需进一步简化和降低成本。

因此，仍有必要提供一种使用Fabry-Perot传感器的光学压力传感器系统，该系统应具有低成本，并在不利工作环境中仍能具有高精确度、高稳定性和可靠性的特点。

概括地说，本发明是一种Fabry-Perot压力传感系统，使用许多脉冲相干光信号源(较好地是使用红外激光器)，每一个信号源发射具有独立波长的源信号，从而产生一个多路入射光束。入射光束被分离，以便其中一部分询访一个或多个Fabry-Perot压力传感器，而其余部分转送到第一或参考光检测器装置，该装置对每一个波长产生一个参考信号。入射光的询访部分在Fabry-Perot传感器中由压力诱导的间隙变量进行相位调制，再返回到第二或测量光检测器装置，由此为每一个波长产生一个被测得强度信号。对每一个波长，获取被测强度信号与参考强度信号之比率，并产生两独立项，其中一个与Fabry-Perot间隙宽度的时间平均项无关，另一个是干涉项，它与Fabry-Perot相移角的余弦成正比，而相移角是间隙宽度的函数。通过选择波长，使各波长对一个给定的固定Fabry-Perot间隙宽度来说成正交关系，从而可获取所述比率之间的代数差以消除时间平均项，并产生两个表达式，分别正比个由Fabry-Perot传感器所测得的相移角的余弦和正弦。然后，使用适当的反正切程序以获取相移角的测量，该相移角正比于Fabry-Perot间隙宽度，而间隙宽度又基本上是施加于传感器的压力的线性函数。

更具体地讲，假设不同波长的数量为n，每个波长的总反射信号强度S_k包括一个时间平均信号强度S_k(DC)和一个干涉测量的干涉分量S_k(Mod)cosφ_k之和，其中k＝1到n，φ是间隙宽度L的函数，而间隙又是被传感的压力函数。参考信号强度可以表达为R_k，这样比率信号强度S_k/R_k(指定为I_k)可表达为A+Bcosφ_k。

例如，选择成正交的四个波长，并任意定义相移角φ_k中的一个为“基”相移角φ(从“基”相移角，由预定的正交关系可推导出其余相移角)，则比率信号强度I₁，I₂，I₃，I₄可以分别表达为：

I₁＝A+Bcosφ

I₂＝A+Bcos(φ+π/2)＝A-Bsinφ

I₃＝A+Bcos(φ+π)＝A-Bcosφ

I₄＝A+Bcos(φ+3π/2)＝A+Bsmφ因此，I₁-I₃＝2Bcosφ，I₄-I₂＝2Bsinφ，从而，φ＝arctan[I₄-I₂)/(I₁-I₃)]。