一种干涉型传感器臂长差的测量装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种干涉型传感器臂长差的测量装置，包括宽谱光源、马赫增德尔强度调制器、微波扫频源、功分器、直流稳压电源、高速光电探测器、射频放大器、移相器、混频器、低通滤波器、AD采样器和测量处理器。本发明测量装置打破了在纯光域上测量的思维模式，引入了微波信号，在不破坏传感器的情况下，利用其原有的光路结构将臂长差信号调制到光载微波的相位上，通过解调微波的相位，达到测量臂长差的目的；其主要的优势是成本低，测量范围大，精度高，实现成本低，不需要专用的仪器支持，另外能完成全自动测量，速度快且不需要人工调节，只需要将被测传感器接上测量设备就可以输出测量结果。
【专利说明】一种干涉型传感器臂长差的测量装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤传感器性能测量【技术领域】，具体涉及一种干涉型传感器臂长差的 测量装置。
【背景技术】
[0002] 干涉型传感器是近20年兴起的传感设备，可以直接用于水声、电流、磁场等物理 量的监测。这种类型的传感器具有灵敏度高、精度高、测量速度快以及抗干扰能力强等特 点。干涉型传感器常见的结构有光纤迈克尔逊干涉仪（如图1所示）、马赫-曾德干涉仪 (如图2所示）等；常见的光纤水听器，光纤磁场计等都是这种结构的传感器。其主要的工 作原理：通常干涉型传感器具有两条长度不同的光纤臂，被测信号作用到传感器，使光纤内 传播的光波相位发生变化，再利用干涉测量技术把两臂内的相位变化之差转换成光强，从 而检测出被测信号。由其工作原理看出，干涉型传感器其两臂光纤的臂长差决定了传感器 的性能与灵敏度，准确的测量光纤臂长差具有非常重要的意义。
[0003] 当前用来测量臂长差的方法主要有：时域脉冲法、PGC零差检测法、白光干涉法、 电流调制光源和观测干涉条纹可见度法、干涉仪干涉谱观测法、使用精密反射计法。其中时 域脉冲法的主要原理为：使用飞秒激光器产生飞秒激光脉冲进入干涉仪，在干涉仪输出端 使用高速信号采集仪，测量经两臂传输的两个脉冲的时间差，从而计算出臂长差。这个方法 要使用飞秒激光发生器和高速信号采集设备，这两个设备的成本非常高。PGC零差检测法最 初是用来做信号解调的，也有人将其用在臂长差测量上，其主要原理是：使用加直流电压的 方式进行臂长差补偿，在传感器的两臂加上不同电压，使得等效的臂长差相同，然后通过计 算两臂的电压差计算出臂长差；这种方法应用范围非常有限，它要求要能在被测传感器两 臂上加电压，两光纤臂要对传感器有响应；要满足这两个要求，可能就会破坏传感器，大部 分传感器都是密封的；加电压补偿也决定了他的测量范围也比较小。另外白光干涉法的测 量原理是：使用白光干涉仪测量，通过调节白光干涉仪里的反射镜，人为的引入臂长差来补 偿被测传感器的臂长差，当完全补偿时，输出信号最大，通过读取移动距离得到臂长差。其 他几种技术都是基于观测干涉条纹的方法，通过条纹间距计算得到臂长差。
[0004] 上述的几种测量技术共同特点就是全部在光域上完成测量，不仅需要昂贵的精密 仪器支持，还需要人工调节；这使得完成一次测量付出的设备成本，时间成本和人工成本比 较闻。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种干涉型传感器臂长差的 测量装置，不用拉直光纤，直接通过激光测量长度的方法，测量范围非常大，覆盖1厘米到1 千米的范围，并且能提供较高的测量精度。
[0006] 一种干涉型传感器臂长差的测量装置，包括：
[0007] 微波扫频源，用于产生正弦波形式的射频信号RF且该射频信号RF的频率在扫频 范围内随时间单调变化；
[0008] 功分器，用于对所述的射频信号RF功率平分，输出两路相同的射频信号RF1? RF2 ；
[0009] 宽谱光源，用于产生宽谱激光；
[0010] 马赫-曾德强度调制器，用于将射频信号RF1调制到宽谱激光上，进而将宽谱激光 加载至干涉型传感器输入端；
[0011] 直流稳压电源，用于为马赫-曾德强度调制器提供直流偏置电压，通过调节直流 偏置电压的大小，使马赫-曾德强度调制器工作在线性工作点（即正交偏置点）上；
[0012] 高速光电探测器，用于将干涉型传感器输出端产生的光信号转换成电信号；
[0013] 射频放大器，用于对所述的电信号进行放大，得到射频信号RF3 ;
[0014] 移相器，用于调节射频信号RF2的相位，使其与射频信号RF3相位相同；
[0015] 混频器，用于对相位相同的两路射频信号RF2?RF3进行混频后输出中频信号；
[0016] 低通滤波器，用于对所述的中频信号进行滤波；
[0017] AD采样器，用于对滤波后的中频信号进行采样；
[0018] 测量处理器，用于根据采样得到的中频信号以及射频信号RF的频率，计算出干涉 型传感器的臂长差。
[0019] 所述的宽谱光源可以采用SLED光源、LED光源、ASE光源或其他干涉长度小于1mm 的光源。
[0020] 所述的马赫-曾德强度调制器基于铌酸锂晶体的电光效应，通过调节直流稳压电 源输出直流偏置电压的大小，使马赫-曾德强度调制器工作在线性工作点上，进而能够使 其强度调制效率最高。
[0021] 所述的微波扫频源具有扫频功能，其扫频区间长度由要求的最小测量臂长差决 定，其对应关系如下：
【权利要求】
1. 一种干涉型传感器臂长差的测量装置，其特征在于，包括： 微波扫频源，用于产生正弦波形式的射频信号RF且该射频信号RF的频率在扫频范围 内随时间单调变化； 功分器，用于对所述的射频信号RF功率平分，输出两路相同的射频信号RFl?RF2 ; 宽谱光源，用于产生宽谱激光； 马赫-曾德强度调制器，用于将射频信号RFl调制到宽谱激光上，进而将宽谱激光加载 至干涉型传感器输入端； 直流稳压电源，用于为马赫-曾德强度调制器提供直流偏置电压，通过调节直流偏置 电压的大小，使马赫-曾德强度调制器工作在线性工作点上； 高速光电探测器，用于将干涉型传感器输出端产生的光信号转换成电信号； 射频放大器，用于对所述的电信号进行放大，得到射频信号RF3 ; 移相器，用于调节射频信号RF2的相位，使其与射频信号RF3相位相同； 混频器，用于对相位相同的两路射频信号RF2?RF3进行混频后输出中频信号； 低通滤波器，用于对所述的中频信号进行滤波； AD采样器，用于对滤波后的中频信号进行采样； 测量处理器，用于根据采样得到的中频信号以及射频信号RF的频率，计算出干涉型传 感器的臂长差。
2. 根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的宽谱光源采用SLED光源、LED 光源、ASE光源或其他干涉长度小于Imm的光源。
3. 根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的马赫-曾德强度调制器基于 银酸裡晶体的电光效应。
4. 根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的微波扫频源具有扫频功能，其 扫频区间长度由要求的最小测量臂长差决定，其对应关系如下：
其中=Lmin为要求的最小测量臂长差，fd为扫频区间长度，n为干涉型传感器中光纤的 折射率，k为类型参数，若干涉型传感器为马赫-曾德干涉仪则k = 1，若干涉型传感器为迈 克尔逊干涉仪则k = 2。
5. 根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的功分器采用3dB功分器，以实 现射频功率的平均分配。
6. 根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的微波扫频源输出射频信号RF 的频率受测量处理器控制。
7. 根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的低通滤波器采用有源低通滤 波器、RC低通滤波器或LC低通滤波器。
8. 根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的AD采样器采用8至24位的 AD米样器。
9. 根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的射频放大器的输出端与混频 器的射频输入口相连，所述的移相器的输出端与混频器的本振输入口相连。
10.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的测量处理器根据以下公式计 算干涉型传感器的臂长差：
其中：△ 1为干涉型传感器的臂长差，C为真空中的光速，n为干涉型传感器中光纤的折 射率，k为类型参数，若干涉型传感器为马赫-曾德干涉仪则k = 1，若干涉型传感器为迈克 尔逊干涉仪则k = 2 ;f\和f2分别为中频信号在扫频范围内相邻两个幅值为0的采样点所 对应射频信号RF的频率。
【文档编号】G01D18/00GK104330104SQ201410603812
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】吕武略, 金晓峰, 章献民, 郑史烈, 池灏 申请人:浙江大学