[发明专利]光纤干涉仪及用于确定光纤干涉仪的光纤线圈内部的物理状态参数的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括光纤的光纤干涉仪，所述光纤卷绕以形成光纤线圈并且第一光源的两个分光束(partial light beam)能够耦合到所述光纤中。本发明还涉及用于确定光纤干涉仪的光纤线圈内部的物理状态参数的方法，其中两个分光束耦合到卷绕以形成光纤线圈的光纤中。

背景技术

光纤干涉仪例如用以测量转速。为此目的，光束被分为两个分光束，在任何情况下，各分光束沿圆的相反方向被引导并且经过一圈或者多圈之后再彼此相遇。如果光纤干涉仪绕与光束面(beam plane)垂直的轴线转动，由于两个分光束的光路由此不再具有相同长度，因此，两个叠加的分光束的干涉图案变化。但是，两个叠加的光束所形成的干涉图案不仅是转速的函数，而且会例如依赖于比如温度等外部参数。由于光纤干涉仪现今在世界范围内广泛地应用于各种区域，它们在所要求的条件下必须具有恒定的操作特性，比如例如在-55℃至90℃的温度范围内具有恒定的操作特性。在操作要求的温度范围内被校正的各个传感器才可以实现该特性。在校正过程中，通过充分已知的外部参数检测光纤干涉仪的作为沿相反方向行进的两个光束的相移的函数的输出信号。之后，根据输入参数确定适当的数学模型并将所确定的数学模型存储在光纤干涉仪的信号处理部的存储器中，其中所述输入参数例如是当前主要的环境温度。在光纤干涉仪的操作期间，然后根据所述输入参数评估所测量的数据。

但是，这只能表示一种近似，因为光纤干涉仪的特性不仅依赖于比如温度等单个输入参数，而且还依赖于物理上彼此影响或者相互作用的多个参数(至第一近似)，所述参数比如例如是温度和由温度支配的光纤长度变化所产生的膨胀。光纤干涉仪的特性还依赖于在同一位置处的温度的时间曲线(temporalprofile)、即瞬态温度，或者依赖于不同位置处在同一时刻的不同温度、即温度梯度。以温度为例，能够以简单的方式更为详细地说明这一点：光在光纤的芯部(core)中的传播时间依赖于光纤的长度，其中，随温度的增加，光纤的长度由于材料膨胀而变化。但是，还依赖于光纤内的折射率n。折射率反过来由于光纤的材料特性而直接依赖于温度，并且由于温度变化产生的光纤的长度的变化而间接依赖于温度，其中所述光纤长度的变化伴随有所卷绕的光纤的内部光纤芯部的空间局部分布的机械应力σ的变化并且由此能够使折射率n变化。在作用于光纤的局部机械应力增大的情况下，还会在保偏光纤(polarization-maintaining optical fiber)的快轴和慢轴之间发生交叉耦合(cross-coupling)，这同样会使传播时间产生相当大的变化。

因此，为精确校正光纤干涉仪，期望使用传统的测量方法获得对光纤内部的状态参数的计量。

另外，在传感器操作之前的校正的缺点在于必须预先确定将使用传感器时条件。该校正因此也仅在这些预先确定的条件下有效。

为确定光纤干涉仪的与温度相关的特性，根据现有技术已知以组合的方式同时或者分别使用通常基于半导体的多个温度传感器。这些传感器通常布置在干涉仪或者相位调制器的附近或者直接布置在卷绕以形成光纤线圈的光纤的最顶层。但是，在这样的布置的情况中，不可能直接测量光纤自身内部的瞬时状态。因此，由于光纤干涉仪中使用的材料的不同的热容而引起的从光纤周围向光纤内部的热传递的复杂条件，所测量的温度不一定是光纤内部的温度。环境温度的外部变化仅在一些时间后会影响到光纤内部，其中所述时间在时间和空间上依赖于许多、大部分是未知的参数，因此仅能够近似地确定该时间。一个额外的因素在于相同的温度不一定产生相同的光束传播时间，例如，作为滞后效应的结果，如果在冷却或加热处理之后在相同的温度条件下建立起特定的温度，会在光纤的芯部建立起其它的内部状态。在该情况中，测量的温度相同，并且在两种情况中的补偿程度也相同，尽管实际的光束传播时间不同。

一种能够想象到的消除这些缺点的方法是例如将传统的半导体温度传感器和/或压力传感器与光纤一起卷绕以形成光纤线圈。然而，在本方法中，在卷绕光纤时会出现技术处理上的困难，比如，在线圈中的传感器的位置处会由于鼓起而出现光纤的回弹。线圈内的传感器另外会使在其上方和/或下方卷绕的光纤中的机械应力的局部变化，这反过来由于所述机械应力对于光纤芯材的折射率的影响而会影响到光传播时间的曲线。

发明内容

本发明提供了一种光纤干涉仪，其中能够以简单的方式和使用已知的测量方法获得关于所述干涉仪的光纤线圈内部的物理状态参数的信息。