[发明专利]一种用于分布式光纤应变传感测量的光程自相关器

说明书

技术领域

本发明属于光纤技术领域，具体涉及的是一种用于分布式光纤应变传感测量的光程自相关器。

背景技术

采用低相干、宽谱带光源，例如发光二极管(LED)、超自发辐射光源(ASE)或者超辐射激光二极管(SLD)驱动的光纤干涉仪通常被称为白光光纤干涉仪。典型的光纤白光干涉仪其结构如图1所示，由单模光纤所搭建的Michelson式干涉仪中采用宽谱光源LED或者ASE作为光源，通过探测器所探测到的白光干涉条纹实现对待测物理量的测量。其工作原理如下，由低相干宽谱光源11发出的宽谱光进入单模光纤后，被3dB单模光纤2×2耦合器13分成两束，一束光进入被作为测量臂的单模光纤14，被其后端的光学反射面15反射后沿原路返回，经过单模光纤14、耦合器13到达光电探测器12，这束光称为测量信号光；由光源11发出光被耦合器13分路的另外一束光，进入作为参考臂的单模连接光纤16、自聚焦透镜17，经过移动反射镜18的反射后同样沿原路返回到达光电探测器12，这束光被称为参考信号光。测量信号光和参考信号光在探测器表面发生相干叠加，由于宽谱光源的相干长度很短，大约为几微米到几十微米，只有当参考信号光和测量信号光程差小于光源的相干长度时，才会产生相干叠加，输出白光干涉图样，如图2所示。

如图2所示，白光干涉条纹的特征是有一个主极大值，称为中心条纹，它与零光程差为之相对应，即对应于参考光束和测量光束光程相等时，称为参考光束与测量光束的光程相匹配。当测量臂光程变化时，通过改变光纤延迟线的延迟量，使参考信号的光程发生变化，可以获得中心干涉条纹。中心条纹的位置为测量提供了一个可靠的绝对位置参考，当测量光束在外界待测物理量的影响下其光程发生变化时，只需通过参考臂光程调整即可得到的白光干涉条纹的位置变化，从而获得被测量物理量的绝对变化值。与其他光纤干涉仪相比，光纤白光干涉除了具有高灵敏度、本质安全、抗电磁场干扰等优点外，最大特点是可对压力、应变、温度等待测量进行绝对测量。因此白光干涉性光纤干涉仪被广泛用于物理量、机械量、环境量、化学量、生物医学量的测量。

为解决传感器的多路复用问题，1995年美国H-P公司Wayne V.Sorin和Douglas M.Baney公开了一种基于光程自相关器的白光干涉传感器的复用方法(美国专利：专利号5557400)。如图3所示，它基于Michelson干涉仪结构，利用光信号在Michelson干涉仪固定臂和可变扫描臂之间形成的光程差与光纤传感器的前后两个端面反射光信号光程差之间的匹配实现光程自相关，获得该传感器的白光干涉信号，再利用改变扫描臂与固定臂之间光程差的大小多个首尾相接的串行光纤传感器阵列中的每个传感器逐一匹配，完成光纤传感器的多路复用。

除传感器的多路复用问题外，申请人于2007年和2008年公开的低相干绞扭式类Sagnac光纤形变传感装置(中国专利申请号：200710072350.9)和空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪及测量方法(中国专利申请号：200810136824.6)主要用来解决光纤传感器服用阵列布设过程中抗毁坏的问题；申请人于2008年公开的光纤Mach-Zehnder与Michelson干涉仪阵列的组合测量仪(中国专利申请号：200810136819.5)和孪生阵列Michelson光纤白光干涉应变仪(中国专利申请号：200810136820.8)主要用于解决白光光纤干涉仪多路复用中温度对测量干扰，以及温度和应变同时测量问题；申请人于2008年公开的一种简化式多路复用白光干涉光纤传感解调装置(中国专利申请号：200810136826.5)和基于可调Fabry-Perot谐振腔的分布式光纤白光干涉传感器阵列(中国专利申请号200810136833.5)，引入环形腔、F-P腔光程自相关器主要用于简化多路复用干涉仪的拓扑结构，构造共光路形式，提高温度稳定性；申请人于2008年公开的一种双基准长度低相干光纤环形网络传感解调装置(中国专利申请号：200810136821.2)4×4光纤耦合器光程自相关器的引入，目的是解决多基准传感器的同时测量问题。