CN201083500Y - 自动调谐f-p光纤传感器 - Google Patents

Abstract

一种自动调谐F－P光纤传感器，包括光源和传感头，该光源包括一个带有温控电路的激光器，该激光器经光纤与耦合器的第一端口相连，该耦合器的第三端口经单模光纤接所述的传感头，所述的耦合器的第四端口经第二光电探测器接主动控制单元，该耦合器的第二端口接第一光电探测器的输入端口，该第一光电探测器5输出端口分别连接所述的主动控制单元和信号输出单元，所述的主动控制单元的输出端接所述的温控电路，所述的传感头的构成包括F－P腔，该F－P腔的两腔面分别接硅膜和导光光纤，所述的硅膜、F－P腔和导光光纤由一石英套固定，所述的导光光纤的另一端接所述的单模光纤。本实用新型具有调谐方便、造价低廉、灵敏度高和适应环境变化的特点。

Description

自动调谐F-P光纤传感器

技术领域

本实用新型涉及光纤传感，是一种利用光纤作为传输光介质的基于微机电***(MEMS)工艺的法布里-帕罗谐振腔(以下简称为F-P腔)的高灵敏度工作点(简称为Q点)稳定的光纤位移/振动传感器。特别涉及到使用镀膜的F-P腔和利用一定的腔长，得到具有低精细度干涉的条纹最大对比度，通过信号输出反馈来控制可调谐激光器波长进而锁定***Q值点的传感器***。本实用新型适用于对环境温度或者外界介质不稳定的地方的位移、压力、超声波等进行测量。

背景技术

直到最近，压力传感器，例如振动传感器仍然是基于电容式或者压阻式的结构。这种结构有很多缺点，例如灵敏度低，高偏置电压，要求各层之间绝缘，要求膜电极之间的一致性等，以上问题都要有很复杂的解决方案。

光纤F-P传感器能够解决电容式传感器受困扰的很多问题，比如无需偏置并且电磁绝缘。此外，光纤F-P传感器还有很多优点是电容式传感器无法比拟的。例如灵敏度高，抗电磁干扰，安全可靠，体积小，耐腐蚀，可构成光纤传感网络等，因而在工业探伤，材料特性分析，声音传感，变压器局部放电的检测，液位及水压的测定等方面具有很好的应用前景。但是目前，还有一些问题限制了它的广泛应用：在光源的选用上，要求光源线宽不能太窄也不能太宽，并且要求非常稳定；在传感头的制作上，要适应环境的变化，由于是基于干涉型的，传感头工作在F-P干涉谱(正弦型)的线性区域具有线性转换函数，信号处理比较方便。所以我们一般选用F-P腔干涉谱线中斜率最大的点作为传感头的工作点(以下又称为Q值点)(见Bing Yu，Anbo Wang，“Grating-assisted demodulation of interferometric optical sensors”Appl.Opt.42 6824-6829(2003))，在Q点附近，光信号对外界信号的响应是线性的，且具有最大的响应灵敏度。环境的变化很容易使传感头偏离灵敏度最大值点而到达非线性区域。

光纤F-P传感器在很多的论文中都有论述，针对问题也都提出了一些解决方案，比如文献1[John F.Dorighi，“Stabilization of an embedded fiber optic Fabry-Perot sensorfor ultrasound detection”IEEE Trans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control 42，820-824(1995)]，选用外腔激光器+反馈控制波长的方法对Q点进行调谐和控制，起到了对传感头的Q值点稳定控制的目的。然而这种方法会遇到外腔激光器的窄线宽带来的由于外界干扰引起的噪声(寄生F-P效应)，并且该方法使用的外腔激光器会让该***变得笨重而昂贵，并且没有考虑激光器光强的变化和由于信号的产生对干涉带来的影响，这种调谐过程中还要用到示波器，使这种方法的实用受到限制。

专利号为ZL200610024955的“光纤声传感器”(蔡海文等)中，声传感器选用宽带光源+可调谐滤波器的方案，获得线宽在1nm左右的光源，这种方法如果滤波器可靠，可以获得稳定的适合F-P传感头的光源，但是这种方法的缺点也是很明显的，除了可调谐滤波器一般比较昂贵外，而且经过宽带和可调谐滤波器后的光一般是比较弱的，这就会造成***灵敏度的下降。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种自动调谐F-P光纤传感器，该传感器应具有调谐方便、造价低廉、灵敏度高和对环境的变化具有极强的适应性的特点。

本实用新型设计的主要依据包括：

对于光源中的分布反馈式激光器(简称为DFB)的反馈效应的典型过程分析可以用范德保罗方程(Van der Pol equation)来描述。外部反馈和其线宽的关系可以直接用下试来表示：

$\∂f=\frac{{\∂f}_o}{{[1+\sqrt{1+{\mathrm{\α}}^2}{\mathrm{\κ\τ}}_e\cos ({\mathrm{\ω\τ}}_e+{\tan }^{-1}\mathrm{\α})]}^2}---\left(1\right)$

其中：f_o为没有反馈时候DFB的线宽，τ_e为外部反馈的延迟时间，α为线宽加宽因子，k的表达式为：

$\mathrm{\κ}=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_s}\frac{1-R_s}{\sqrt{R_s}}\sqrt{R_e}---\left(2\right)$

τ_s为光在分布反馈激光器半导体内部传播一周的时间，R_s是激光的前端表面的功率反射率，R_e为外部能量反馈因子。

从公式1可以看出，分布反馈激光器线宽的加宽由因子

决定，也就是由外部的能量反馈大小和反馈延迟决定，在我们的***中，外部反馈的能量一般在负十几个dB，正好处在我们的线宽加宽范围内，经实验测得线宽加宽了大约1000倍，达到10GHz左右。

我们还对外部反馈对激光器的输出功率的影响进行了测量，发现在反馈信号在5KHz的调制下，反馈对激光器输出功率的影响是可以忽略的。

关于传感头，本实用新型传感头的构成包括F-P腔，该F-P腔的两腔面分别接硅膜和导光光纤，所述的硅膜、F-P腔和导光光纤由一石英套固定，下面是F-P腔腔长的选择依据：

为了得到干涉的对比度最大，F-P腔的腔长和硅膜反射率有以下关系：

$R_2^2=\frac{\underset{0}{\overset{a}{\∫}}\exp (-\frac{{2r}^2}{{\mathrm{\ω}}_0^2})\·r\·2\mathrm{\π}\·\mathrm{dr}}{\underset{0}{\overset{a}{\∫}}\frac{{\mathrm{\ω}}_0^2}{{\mathrm{\ω}}_2^2}\exp (-\frac{{2r}^2}{{\mathrm{\ω}}_2^2})\·r\·2\mathrm{\π}\·\mathrm{dr}}\·\frac{R_1^2}{T_1^4}---\left(3\right)$

其中：R₁和T₁为导光光纤端面的反射率和透过率，R₂为硅膜内侧的反射率，z₀为腔的特征参数，ω₀为光纤纤芯的内半径，ω₂为光传播到硅膜处的光斑半径，λ为激光波长，腔长z₂表示为：

$z_2=z_0\sqrt{1-\frac{{\mathrm{\ω}}_2^2}{{\mathrm{\ω}}_0^2}}---\left(4\right)$

$z_0=\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_0^2}{\mathrm{\λ}}---\left(5\right)$

由于受到普通半导体DFB激光器的波长调谐限制，我们的F-P腔长一般为选择大于200um，考虑到避免硅两个面的反射，我们对硅膜镀膜选择的反射率应该大于70％，所以腔长的选择是各个因素共同作用的结果。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种自动调谐F-P光纤传感器，包括光源和传感头，其特点是该光源包括一个激光器和相应的驱动电路和温控电路，该激光器经光纤与耦合器的第一端口相连，该耦合器的第三端口经单模光纤接所述的传感头，所述的耦合器的第四端口经第二光电探测器接主动控制单元，该耦合器的第二端口接第一光电探测器的输入端口，该第一光电探测器输出端口分别连接所述的主动控制单元和信号输出单元，所述的主动控制单元的输出端接所述的温控电路，所述的传感头的构成包括F-P腔，该F-P腔的两腔面分别接硅膜和导光光纤，所述的硅膜、F-P腔和导光光纤由一石英套固定，所述的导光光纤的另一端接所述的单模光纤。

所述的F-P的腔长≥200μm。

所述的耦合器为3dB耦合器。

所述的光源的激光器是一分布反馈单模半导体激光器，而且该分布反馈单模半导体激光器的输出端具有光反馈。

所述的硅膜的内侧面镀有反射膜，反射率的选择范围为70％～100％。由于在导光光纤端面镀膜会存在一定的难度和随机性，我们对导光光纤的端面不进行镀膜处理，这样导光光纤端面的功率反射率大约就是3.5％，

所有的连线都采用单模光纤进行连接，接头一般都尽量采用有角度的活动连接器(APC接头)，以减小额外的F-P干扰。

本实用新型的技术效果：

(1)本实用新型采用对传感头的F-P腔的腔长进行设计，采用长的F-P腔长的传感头，以降低对激光器波长调谐范围的要求；

(2)本实用新型传感头的硅膜的内侧面镀有反射膜，避免了硅膜两个反射面反射光对接收信号产生干扰，使F-P干涉条纹的对比度尽可能的大，一般大于30dB，极大地提高了***的灵敏度；

(3)本实用新型的主动控制单元接收第一光电探测器的电信号主动调节光源的DFB激光器的温控，及时反馈控制传感头的工作点处于F-P腔的Q点位置，提高了***的灵敏度和动态范围，避免了在***校准时要用到大的光谱仪和示波器的问题，极大地简化了***的结构。

(4)采用了分布反馈单模半导体激光器作光源，解决了窄带宽激光器所带来的对外界敏感的问题，并且使光源的能量利用率高，输出能量高，提高了***的灵敏度，并且光源变得小巧，缩小了***的体积；

附图说明

图1是本实用新型自动调谐F-P光纤传感器的结构示意图

具体实施方式

先请参阅图1，图1是本实用新型自动调谐F-P光纤传感器的结构示意图，也是本实用新型实施例的结构示意图，由图可见，本实施例自动调谐F-P光纤传感器，包括光源1和传感头4，该光源1是一个带温控电路的分布反馈单模半导体激光器，该激光器经光纤与耦合器2的第一端口201相连，该耦合器2的第三端口203经单模光纤3接所述的传感头4，所述的耦合器2的第四端口204经第二光电探测器6接主动控制单元7，该耦合器2的第二端口202接第一光电探测器5的输入端口，该第一光电探测器5的输出端分别连接所述的主动控制单元7和信号输出单元8，所述的主动控制单元7的输出端接所述的光源1的温控电路，所述的传感头4的构成包括F-P腔402，该F-P腔402的两腔面分别接硅膜401和导光光纤404，所述的硅膜401、F-P腔402和导光光纤404由一石英套403固定，所述的导光光纤404的另一端接所述的单模光纤3。

在本实施例中所述的耦合器2为3dB耦合器。所述的硅膜401的内侧面镀有高反射膜。所有的连线都采用单模光纤进行连接，接头一般都尽量采用有角度的活动连接器连接，以减小额外的F-P干扰。

所述的第一光电探测器5和第二光电探测器6选为1550nm附近的光电探测器。

本实施例的工作情况如下：

光从光源1出发，经耦合器2的第一端口进，从第三端口203、第四端口204分两路输出，一路从第四端口204输出由第二光电探测器6探测，转变为电信号，称为光束电信号G，进入主动控制单元7，另一路由第三端口203输出经单模光纤3进入传感头4，传感头4由硅膜401、F-P腔402、石英套403和导光光纤404构成，在光纤端面未镀膜，反射率为3.5％，硅膜内侧镀金，反射率100％，腔长362um，经测量表明该F-P腔402的干涉对比度达到22.88dB。当光束进入传感头4时，在导光光纤404端面有一部分反射，一部分进入F-P腔402后被硅膜401反射后在导光光纤404的端面处产生干涉，属于低精细度的F-P干涉，又由于光源1的线宽比较宽，所以一般只需考虑一次反射的干涉结果。硅膜401的内面镀有高反射膜，与导光光纤404的端面形成一个F-P腔402。外界震动使硅膜401产生受迫震动，进而改变F-P腔402的腔长，这样在导光光纤404端面的干涉条纹将会对光的强度进行调制。被调制的光称为信号光，又经过单模光纤3从耦合器2第三端口203输入，由耦合器2的第一端口201和第二端口202输出，从第二端口202输出的信号光被第一光电探测器5探测，转变为电信号，称为信号光电信号，该信号光电信号主要部分X1经输出单元8输出供使用，该信号光电信号另一部分X2进入主动控制单元7，在主动控制单元7中：

(1)将信号光电信号X2和光束电信号G取平均(滤波)后由除法器相除，取得一个相对光源的X2/G控制信号，这样做的目的是去除光源功率漂动影响，获得一个与光源功率漂动无关的控制信号，也即反映传感头4激光反射输出水平的相对值；

(2)将该结果和一个只和传感头本身的性质相关的参数的大小相比较。

(3)比较的结果通过一个比例积分电路来调节控制光源1中的温控电路，从而保证光源1中的激光器的波长始终使传感头4工作在Q值点附近。

另外，作为本实用新型很重要的一点，本实用新型的激光器输出端是不加隔离器的，根据理论，对分布反馈半导体激光器加入少量反馈后，大约15～18dB，激光器的输出线宽会急剧加宽，测量结果表明，引入反馈后激光器的输出线宽由几MHz变到了大约10GHz，恰好处在我们测量的范围内。

信号输出单元8可根据需要由信号前置放大，滤波，后级放大后接到示波器上或者显示***上；或者前放后由数据采集卡连接到电脑上，以对信号进行处理，以得到探测信号的诸如频率，强度，声速，方位等物理量。

试验表明，本实用新型传感器具有调谐方便、造价低廉、灵敏度高和对环境的变化具有极强的适应性的特点。

Claims (6)

1.一种自动调谐F-P光纤传感器，包括光源(1)和传感头(4)，其特征在于该光源(1)包括一个带有温控电路的激光器，该激光器直接经光纤与耦合器(2)的第一端口(201)相连，该耦合器(2)的第三端口(203)经单模光纤(3)接所述的传感头(4)，所述的耦合器(2)的第四端口(204)经第二光电探测器(6)接主动控制单元(7)，该耦合器(2)的第二端口(202)接第一光电探测器(5)的输入端口，该第一光电探测器(5)的输出端口分别连接所述的主动控制单元(7)和信号输出单元(8)，所述的主动控制单元(7)的输出端接所述的温控电路，所述的传感头(4)的构成包括F-P腔(402)，该F-P腔(402)的两腔面分别接硅膜(401)和导光光纤(404)，所述的硅膜(401)、F-P腔(402)和导光光纤(404)由一石英套(403)固定，所述的导光光纤(404)的另一端接所述的单模光纤(3)。

2.根据权利要求1所述的自动调谐F-P光纤传感器，其特征在于所述的F-P腔(402)的腔长≥200μm。

3.根据权利要求1所述的自动调谐F-P光纤传感器，其特征在于所述的耦合器(2)为3dB耦合器。

4.根据权利要求1所述的自动调谐F-P光纤传感器，其特征在于所述的光源(1)的激光器为分布反馈单模半导体激光器，该激光器的输出端具有光反馈。

5.根据权利要求1所述的自动调谐F-P光纤传感器，其特征在于所述的硅膜(401)的内侧面镀有反射膜，反射率的选择范围为70％～100％。

6.根据权利要求1所述的自动调谐F-P光纤传感器，其特征在于所有的连线都采用单模光纤进行连接，所有接头采用有角度的活动连接器。

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