CN101799304B - 反射式差动强度调制光纤传感装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供反射式差动强度调制光纤传感装置及其方法，包括光源、光纤耦合器、光纤、反射器、光电探测器、计算机处理***和差动相减处理***。本发明在保证轴向响应的前坡分辨力和线性范围同时，既大大改善装置死区范围和轴向响应的后坡分辨力，又显著增强了***抗干扰能力和线性范围。

Description

反射式差动强度调制光纤传感装置及其方法

技术领域

本发明涉及的是一种传感装置，本发明还涉及一种传感方法，具体地说是应用于光纤传感及光电检测的传感装置及其方法。

背景技术

传统的反射式光纤传感器基本原理如图1所示，光源1发出的光经耦合器2的耦合，进入发射光纤3，再通过发射光纤3射向反射器4，其反射光由接收光纤5收集，并送到光电探测器6，通过信号处理单元8的处理便可得到光纤端面与被测面之间距离的变化。该传感器的特点是结构紧凑、原理简单、设计灵活、价格低廉等，从而在许多物理量(如位移、压力、振动、表面粗糙度等)测量中成功获得应用。但传感器的分辨力和线性测量范围却严重相互制约。如图2所示，一般情况下前坡灵敏度好，分辨力高，线性较好，可用于位移、振动、压力等物理量的测量，但其线性范围小，只适用于测量微小位移变化；而其后坡曲线的斜率为负，虽然线性大，但灵敏度低，只能用于低分辨力大量程的位移测量。同时，该传感器存在较大的“死区”，并且因为以光强变化来获取被传感参量变化的信息，测量结果极易受光源、光纤、探测器等引起的光强波动以及探测器和后续电路产生的共模噪声的影响，存在较大测量误差。为了克服传统反射式光纤传感的上述缺点，国内外学者做了许多有益尝试。

杨华勇等(杨华勇，吕海宝，徐涛，等.几种带补偿功能的三光纤传感器的分析.国防科技大学学报，2002，24(1)：105-108)研究了芯径不等式、等芯错位式以及等芯不等间距式三种带补偿功能三光纤反射式光纤传感器，有效抑制了光强波动和电子噪声的影响，并在一定程度上改善了***的线性范围，但是却没有有效改善***的分辨力和灵敏度，并且存在较大测量“死区”。

美国MTI公司MTI-2100系列反射式光纤传感器，采用了不规则分布、半球状分布以及同心圆分布等多光纤分布探头，大大提高了***的分辨力和灵敏度，并且存在较小的死区，但仍存在***分辨力和线性测量范围相互制约的矛盾。

发明内容

本发明的目的在于提供能够改善轴向分辨力、线性范围以及死区范围的反射式差动强度调制光纤传感装置，本发明的目的还在于提供通过设置两接收光纤出射端面相对于发射光纤出射端面不同方向的错位量、依次进行“远端”和“近端”探测、获得不同位相的两个测量信号、再进行差动相减处理从而抑制了光源、光纤、探测器等引起的光强波动以及探测器和后续电路产生的共模噪声的影响、大大地提高了装置测量的信噪比的强度调制光纤传感方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的反射式差动强度调制光纤传感装置，包括光源、光纤耦合器、光纤、反射器、光电探测器和计算机处理***，其特征是：还包括差动相减处理***，所述的光纤包括发射光纤、第一接收光纤和第二接收光纤；发射光纤、第一接收光纤和第二接收光纤平行放置，发射光纤的出射端面向反射器，发射光纤的接收端连接光纤耦合器，光纤耦合器连接光源的发射端，第一接收光纤和第二接收光纤的接收端面向反射器，第一接收光纤和第二接收光纤的出射端分别连接第一光电探测器和第二光电探测器，第一光电探测器和第二光电探测器连接差动相减处理***，差动相减处理***连接计算机处理***。

本发明的反射式差动强度调制光纤传感方法，其特征是：

(1)第一接收光纤和第二接收光纤分别布置在发射光纤两侧、接收发生光纤通过反射器反射回来的光信号，形成两路接收光路；

(2)由两路接收光路得出不同位相的轴向响应信号的功率P₁(d，d1)和P₂(d，d2)以及具有不同位相的功率曲线：

$P_1(d,d1)=\frac{{2P}_0(1-C)}{\mathrm{\π}{w}_1{\left(d\right)}^2}\×{\∫}_{d{f}_1-r_1}^{d{f}_1+r_1}{e}^{-r^2/w_1{\left(d\right)}^2}\arccos \left(\frac{r^2+d{f_1}^2-{r_1}^2}{2\mathrm{rd}{f}_1}\right)\mathrm{rdr}---\left(1\right)$

$P_2(d,d2)=\frac{2P_0(1-C)}{\mathrm{\π}{w}_2{\left(d\right)}^2}\×{\∫}_{d{f}_2-r_2}^{d{f}_2+r_2}{e}^{-r^2/w_2{\left(d\right)}^2}\arccos \left(\frac{r^2+d{f_2}^2-{r_2}^2}{2\mathrm{rd}{f}_2}\right)\mathrm{rdr}---\left(2\right)$

式中，r为光场径向半径，w1(d)为第一接收光纤接受端面处光斑半径，w2(d)为第二接收光纤接受端面处光斑半径，光源的输出功率为P₀，第一接收光纤纤芯半径为r1，接收光纤与第一发射光纤光轴中心距为df1，第二接收光纤纤芯半径为r2，接收光纤与第二发射光纤光轴中心距为df2，反射器的吸收系数为C，d1和d2分别为第一接收光纤和第二接收光纤接收端面和发射光纤出射端面错位量，di为发射光纤到反射器的距离，式(1)中d＝2di+d1，式(2)中d＝2di+d2。

(3)将P₁和P₂差动相减，得出被测反射器因位移变化产生的输出功率P_D及功率曲线。

本发明的优势在于：本发明的反射式差动强度调制光纤传感装置能够改善轴向分辨力、线性范围以及死区范围；本发明的强度调制光纤传感方法通过设置两接收光纤出射端面相对于发射光纤出射端面不同方向的错位量、依次进行“远端”和“近端”探测、获得不同位相的两个测量信号、再进行差动相减处理从而抑制了光源、光纤、探测器等引起的光强波动以及探测器和后续电路产生的共模噪声的影响、大大地提高了装置测量的信噪比。

附图说明

图1为传统反射式光纤传感器结构原理示意图；

图2为传统反射式光纤传感器位移特性响应曲线；

图3为本发明方法与装置构成图；

图4为本发明位移特性响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～4，本发明提供了一种反射式差动强度调制光纤传感装置，包括光源1，依次放置在光源发射端的光纤耦合器2、发射光纤3、反射器4，以及分别布置在发射光纤3两侧，且接收端面和发射光纤3出射端面错位量分别为d1和d2的接收光纤51和52，以及放置在接收光纤51出射端的光电探测器61和放置在接收光纤52出射端的光电探测器62，计算机处理***8，其中光电探测器61和光电探测器62接受的轴向响应信号的功率分别为P₁(d，d1)和P₂(d，d2)，其特征是：该装置还设有差动相减处理***7，其输出信号P_D(d)为P₁(d，d1)和P₂(d，d2)差动相减，配置在计算机处理***8前，并与光电探测器61和光电探测器62共同相连。

接受光纤51接收端面位于发射光纤3出射端面后面，错位量d1为正，接受光纤52接收端面位于发射光纤3出射端面前面，错位量d2为负；或者接受光纤51接收端面位于发射光纤3出射端面前面，错位量d1为负，接受光纤52接收端面位于发射光纤3出射端面后面，错位量d2为正。发射光纤3为单模光纤或多模光纤。

一种反射式差动强度调制光纤传感方法，包括下列步骤：

(1)将两路接收光纤分别布置在发射光纤3两侧形成两路接收光路；

(2)两路接收光路具有不同位相的轴向响应信号的功率P₁(d，d1)和P₂(d，d2)以及具有不同位相的功率曲线91、92；

(3)将P₁(d，d1)和P₂(d，d2)差动相减，则得被测反射器4因位移变化产生的输出功率P_D(d)及功率曲线93。

将两路接收光纤分别布置在发射光纤3两侧，并使接收端面和发射光纤3出射端面错位量分别为d1＞0和d2＜0，在接受光纤的出射端各布置一套光电接收***，从而相对于反射器4分别构成光纤传感器的“远端”和“近端”光电接受***，再将接受的两路具有一定相移的探测信号差动相减和处理，继而达到改善光纤传感器轴向分辨力和线性测量范围以及光强抗干扰能力的目的。其具体技术方案如图3所示：光源1发出的光经光纤耦合器2耦合后，进入发射光纤3，再通过发射光纤3射向反射器4，其反射光分别由接收光纤51和52收集，进入接收光纤51的光被光电探测器61接受，进入接收光纤52的光被光电探测器62接受，差动相减处理***7将探测到的两个具有一定位相大小的信号P₁(d，d1)和P₂(d，d2)差动相减得到P(d)，再由计算机处理***8进行数据处理即可得到位移特性响应曲线93。

本发明的装置如图3所示，包括光源1，依次放置在光源发射端的光纤耦合器2、发射光纤3、反射器4，以及分别布置在发射光纤3两侧，且接收端面和发射光纤3出射端面错位量分别为d1＞0和d2＜0的接收光纤51和52，以及放置在接收光纤51出射端的光电探测器61和放置在接收光纤52出射端的光电探测器62，计算机处理***8，其中光电探测器61和光电探测器62接受的轴向响应信号的功率分别为P₁(d，d1)和P₂(d，d2)，本发明的装置还设有差动相减处理***7，其输出信号为P₁(d，d1)和P₂(d，d2)差动相减，配置在计算机处理***8前，并与光电探测器61和光电探测器62共同相连。其光的路径为：光源1发出的光经光纤耦合器2耦合后，进入发射光纤3，再通过发射光纤3射向反射器4，其反射光分别由接收光纤51和52收集，进入接收光纤51的光被光电探测器61接受，进入接收光纤52的光被光电探测器62接受，差动相减处理***7将探测到的两个具有一定位相大小的信号P₁(d，d1)和P₂(d，d2)差动相减得到P(d)，再由计算机处理***8进行数据处理。

下面通过提供一个具体实施例可进一步理解本发明。

光源1为激光光源，波长为1550nm，输出功率P0＝20mW；发射光纤3为单模光纤，其模场直径2w0＝10.5μm，数值孔径NA＝0.05；接收光纤51为多模光纤，纤芯直径为2r1＝50μm，与发射光纤3光轴中心距df1＝125μm，错位量d1＝300μm；接收光纤52为多模光纤，纤芯直径为2r2＝50μm，与发射光纤3光轴中心距df2＝125μm，错位量d2＝-300μm；反射器4的吸收系数C＝4％。

如图3所示，光源1、光纤耦合器2、发射光纤3、反射器4、接收光纤51和光电探测器61构成“远端”探测的光纤传感器。设用高斯模型表示发射光纤的出射端光强分布，则其接受的功率响应P₁(d，d1)可表示为：

$P_1(d,d1)=\frac{{2P}_0(1-C)}{\mathrm{\π}{w}_1{\left(d\right)}^2}\×{\∫}_{d{f}_1-r_1}^{d{f}_1+r_1}{e}^{-r^2/w_1{\left(d\right)}^2}\arccos \left(\frac{r^2+d{f_1}^2-{r_1}^2}{2\mathrm{rd}{f}_1}\right)\mathrm{rdr}---\left(1\right)$

其中，r为光场径向半径，d＝2di+d1，w1(d)为接收光纤51接受端面处光斑半径，表示为

w₁(d)＝(2d_i+d1)×tan(arcsin(NA))+w₀(2)

光源1、光纤耦合器2、发射光纤3、反射器4、接收光纤52和光电探测器62构成“近端”探测的光纤传感器，则其接受的功率响应P₂(d，d2)可表示为：

$P_2(d,d2)=\frac{2P_0(1-C)}{\mathrm{\π}{w}_2{\left(d\right)}^2}\×{\∫}_{d{f}_2-r_2}^{d{f}_2+r_2}{e}^{-r^2/w_2{\left(d\right)}^2}\arccos \left(\frac{r^2+d{f_2}^2-{r_2}^2}{2\mathrm{rd}{f}_2}\right)\mathrm{rdr}---\left(3\right)$

其中，r为光场径向半径，d＝2di+d2，w2(d)为接收光纤52接受端面处光斑半径，表示为

w₂(d)＝(2d_i+d2)×tan(arcsin(NA))+w₀(4)

当反射器因运动产生位移时，将P₁(d，d1)和P₂(d，d2)进行差动相减后，便可得到传感器的输出功率P_D(d)，即

P_D(d)＝P₁(d，d1)-P₂(d，d2)(5)

代入上述确定的***参数，便可得到传感器的功率仿真响应曲线，如图4所示。从图中可以看出，相对于传统反射式光纤传感器，本发明在保证轴向响应的前坡分辨力和线性范围同时，不但大大改善了装置死区范围和轴向响应的后坡分辨力，而且利用差动相减，抑制了光源、光纤、探测器等引起的光强波动以及探测器和后续电路产生的共模噪声的影响，大大地提高了装置测量的信噪比。

Claims (1)

1.反射式差动强度调制光纤传感方法，其特征是：

(1)第一接收光纤和第二接收光纤分别布置在发射光纤两侧、接收发射光纤通过反射器反射回来的光信号，形成两路接收光路；

(2)由两路接收光路得出不同位相的轴向响应信号的功率P₁(d，d1)和P₂(d，d2)以及具有不同位相的功率曲线：

$P_1(d,d1)=\frac{2P_0(1-C)}{\mathrm{\π}{w}_1{\left(d\right)}^2}\×{\∫}_{{\mathrm{df}}_1-r_1}^{{\mathrm{df}}_1+r_1}{e}^{-r^2/w_1{\left(d\right)}^2}\arccos \left(\frac{r^2+{\mathrm{df}}_1^2-r_1^2}{2\mathrm{rd}{f}_1}\right)\mathrm{rdr}---\left(1\right)$

$P_2(d,d2)=\frac{{2P}_0(1-C)}{\mathrm{\π}{w}_2{\left(d\right)}^2}\×{\∫}_{{\mathrm{df}}_2-r_2}^{{\mathrm{df}}_2+r_2}{e}^{-r^2/w_2{\left(d\right)}^2}\arccos \left(\frac{r_2+{\mathrm{df}}_2^2-r_2^2}{2\mathrm{rd}{f}_2}\right)\mathrm{rdr}---\left(2\right)$

式中，r为光场径向半径，w1(d)为第一接收光纤接受端面处光斑半径，w2(d)为第二接收光纤接受端面处光斑半径，光源的输出功率为P₀，第一接收光纤纤芯半径为r1，接收光纤与第一发射光纤光轴中心距为df1，第二接收光纤纤芯半径为r2，接收光纤与第二发射光纤光轴中心距为df2，反射器的吸收系数为C，d1和d2分别为第一接收光纤和第二接收光纤接收端面和发射光纤出射端面错位量，di为发射光纤到反射器的距离，式(1)中d＝2di+d1，式(2)中d＝2di+d2；

(3)将P₁和P₂差动相减，得出被测反射器因位移变化产生的输出功率P_D及功率曲线。

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