反射式干涉型光纖傳感器系統技術方案

本實用新型專利技術提出了一種反射式干涉型光纖傳感器的通用方案。它包括光源、光電探測器、光學器件集成組件、探頭以及基于相關調制解調的數字閉環信號處理單元組成。其中光學器件集成組件由第一分光合光器件、Y型Y型光相位調制器、第二分光合光器件、光延遲器組成，作用包括分光合光、光起偏、偏振光分解、和光相位調制。該光纖傳感器的通用方案具有互易性光路，提高了傳感器對溫度、振動等環境因素的抗干擾能力；它采用方波偏置調制結合階梯波反饋調制的數字閉環微弱信號檢測方法，使得傳感器由此可以高線性度、高準確度地測得待測物理量大小。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及光纖傳感器，尤其涉及反射式干渉型的光纖傳感器。
技術介紹
近30年來，光纖傳感器技術得到了快速發展，現在已經是傳感技術的ー個重要領域，其發展直接影響到許多行業的進歩。與傳統的傳感器相比，光纖傳感器的特點主要包括(I)抗電磁干擾，電絕緣，耐腐蝕，本質安全；(2)靈敏度高；(3)重量輕，體積小，外形可變；(4)測量對象廣泛；(5)對被測介質影響小；(6)便于復用，便于成網；(7)成本低等等。由于上述優點，光纖傳感器技術在電力、石油化工、生醫生化、航空航天、國防、環境保護與檢測等諸多領域有廣泛的應用或應用前景。它利用外界因素改變光纖中光的強度 (振幅)、相位、偏振態或波長(頻率)，具體可測量物理量包括電流、電壓、電場、磁場、電功率、溫度、應力、應變、振動、速度、角速度、血流、體壓、氣體濃度等等。但是光纖傳感器應用光纖等光學材料作為光傳感和傳輸介質，而光學材料特性一般都容易受到溫度、振動、壓カ等周圍環境的影響。尤其是對于相位調制型光纖傳感器而言，相位調制型光纖傳感器中的光電子模塊容易受到溫度、振動、壓カ等外界因素干擾，導致其傳感精度不良，使用壽命也受到影響。現有的光纖電流傳感器技術參見CN100575959C、CN101299147B、CN101364475B、CN101521104B、CN101692401B、CN101915866A、CN101957395A、CN102087307A、CN102082606A坐寸ο本專利技術的目的在于以下幾個方面一、采用本專利技術設計的光纖傳感器測量范國大，測量范圍最大可遠遠突破干渉信號周期性限制；ニ、采用本專利技術設計的光纖傳感器測量靈敏度高；三、采用閉環信號檢測方案，保證了采用本專利技術設計的光纖傳感器在測量范圍都具有很好的測量線性度(即在測量范圍內不用校正傳感器的標度因素)；四、本專利技術結構簡單，光路和電路均易于模塊化和集成；五、采用本專利技術設計的光纖傳感器光路互易性好，抗干擾能力強；六、采用本專利技術設計的光纖傳感器體積小，重量輕，便于組網設計。
技術實現思路
為了簡化系統并有效提高系統可靠性，有必要針對傳感器的信號處理單元和數據采集單元進行一體化設計，從而保證傳感器的集成度和穩定性。鑒于上述情況，本專利技術提供ー種光纖傳感器，包括光源、光學器件集成組件、探頭、光電探測器、信號處理單元。所述光學器件集成組件中包括Y型光相位調制器；所述光學器件集成組件將光源輸出的光線起偏為兩束線偏振光并傳輸至探頭；接收從探頭處返回的光線并使得返回的光線在所述Y型光相位調制器中發生干渉；將干涉結果輸出到光電探測器；接收來自信號處理單元的反饋調制信息；所述光電探測器接收光學器件集成組件的光信號輸出，利用光電效應將光信號轉換為電信號，將電信號輸出到信號處理單元；所述信號處理單元中接收光電探測器的輸出的信號，對所述信號進行處理，并將信號處理結果作為反饋調制信息反饋給所述光學器件集成組件。根據本專利技術的ー個方面，所述光學器件集成組件中還包括第一分光合光器件、第二分光合光器件，光延遲器；第一分光合光器件接收光源輸出的光線，并將該光線全部或部分地通過光纖輸入到Y型光相位調制器；將光路中返回的兩束偏振光的干涉結果經過光纖輸出到光電探測器；第二分光合光器件接收Y型光相位調制器輸出的兩束偏振光，并將其轉換為模式正交的形式后耦合在同一根保偏光纖中輸出到光延遲器；接受鈦光延遲器返回的兩束模式正交的線偏振光，并將其轉換成偏振模式相同的線偏振光后，分解至第二分光合光器件的 兩個保偏光纖尾纖回傳至Y型光相位調制器；光延遲器在第二分光合光器件至探頭之間傳輸兩束模式正交偏振光并調整傳感器本征周期的大小。根據本專利技術的ー個方面，所述信號處理單元中還包括放大濾波単元、模數轉換單元、數字解調單元、積分單元、數字累加単元、數模轉換及驅動單元、數值濾波単元、接ロ轉換單元；其中放大濾波単元，對光電探測器的輸出電信號進行處理，實現其幅值放大和噪聲降低；模數轉換單元，接收放大濾波單元的輸出，將經過放大濾波的模擬信號轉換為數字信號，然后輸出到數字解調單元；數字解調單元，接收模數轉換單元輸出，將經過解調后的數字信號輸出到積分單元進行積分運算；積分單元，接收數字解調單元的輸出，將解調后的信號進行積分，得到反饋階梯波的臺階高度信號，并將該信號分別輸出給數字累加単元和數值濾波単元；數字累加単元，接收積分単元的輸出，并按照時間步長對其進行累加，得到數字階梯波信號，該數字階梯波信號與偏置調制方波疊加，疊加結果作為數模轉換及驅動單元的輸入信號；數模轉換及驅動單元，接收數字累加単元的輸出，將數字階梯波與調制方波轉換為模擬電信號，然后把該電信號輸出給Y型光相位調制器，從而驅動Y型光相位調制器對光信號進行調制，以在兩束相干偏振光間引入偏置調制相位和反饋調制相位；數值濾波単元，接收積分単元的輸出，對接收到的信號進行濾波，得到濾波結果信號，并將該信號輸出到接ロ轉換單元；接ロ轉換單元，接收數值濾波單元的輸出，將該輸出信號轉換為符合特定格式的輸出信號，并以數字信號形式輸出。根據本專利技術的ー個方面，所述Y型光相位調制器是Y型集成光學光相位調制器。根據本專利技術的ー個方面，干涉時的相位差始終保持在土 /2左右的干涉最靈敏區域。根據本專利技術的ー個方面，在信號處理單元中，數字解調單元、積分單元、數值濾波単元集成為獨立的數字處理單元。如附圖所示，根據下文對最佳實施方式的詳細描述，本專利技術公開的這些和其他目的、特征和優點將更為明顯。附圖說明圖I是本專利技術的光纖傳感器一個實施例的結構示意圖；圖2是光纖傳感器中進行方波調制的原理圖；圖3是對階梯波進行調制的波形示意圖；圖4是對信號進行解調的波形示意圖。具體實施方式圖I是本專利技術所涉及的反射式相位調制型光纖傳感器的一個實施例的示意圖。根據該實施例，該光纖傳感器包括光源、第一分光合光器件(即圖I中的分光合光器件I)、Y型光相位調制器、第二分光合光器件(即圖I中的分光合光器件2)、光延遲器、光電探測器、放大濾波單元、模數轉換單元、數字解調單元、積分單元、數字累加単元、數模轉換及驅動單元、數值濾波單元、接ロ轉換單元。由于本專利技術所設計的傳感器可以用作通用傳感器，因此其中的探頭的作用是對待 測量進行檢測，探頭的構成可根據具體待測量種類而定。比如測量電壓的探頭，它就主要有電光調制晶體構成。至于測定其它的待測量，則本領域的技術人員可以根據需要而自行選取相應的探頭，因此本專利技術的重點不在于探頭本身的改進，下文對探頭結構及其組成不再詳敘。在該實施例中，第一分光合光器件、Y型光相位調制器、第二分光合光器件、光延遲器既可以統ー集成為ー個獨立的光學組件，稱為光學器件集成組件，也可以按照設計需求，將這些器件組成多個組件，以提高系統的集成程度，便于組件的生產，也有利于提高組件的可替換性。在優選的情況下，第一分光合光器件、Y型光相位調制器、第二分光合光器件、光延遲器構成模塊化的光學器件集成組件。在該實施例中，放大濾波單元、模數轉換單元、數字解調單元、積分單元、數字累加単元、數模轉換及驅動單元、數值濾波単元、接ロ轉換單元既可以統ー集成為ー個獨立的信號處理模塊，稱為信號處理單元(即圖I中的閉環信號處理單元)，也可以按照設計需求，將這些器件組成多個組件，以提高系統的集成程度，便于組件的生產本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種反射式干涉型光纖傳感器系統，包括光源、光學器件集成組件、探頭、光電探測器、信號處理單元，其特征在于，所述光纖傳感器為反射式干涉型光纖傳感器；所述光纖傳感器中，兩束模式正交的線偏振光沿同一根保偏光纖的兩個正交模式傳輸至探頭，并在探頭內發生反射并使得兩束光的正交模式互換，之后沿原光路返回；所述光學器件集成組件中包括Y型光相位調制器；所述光學器件集成組件將光源輸出的光線起偏為兩束線偏振光并傳輸至探頭；接收從探頭處返回的光線并使得返回的光線在所述Y型光相位調制器中發生干涉；將干涉結果輸出到光電探測器；接收來自信號處理單元的反饋調制信息；所述光電探測器接收光學器件集成組件的光信號輸出，利用光電效應將光信號轉換為電信號，將電信號輸出到信號處理單元；所述信號處理單元中接收光電探測器的輸出的信號，對所述信號進行處理，并將信號處理結果作為反饋調制信息反饋給所述光學器件集成組件中的Y型光相位調制器。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：石金華，
申請(專利權)人：揚州永陽光電科貿有限公司，
類型：實用新型
國別省市：