專利名稱：一種不平衡纖維光學(xué)米切爾森干涉計(jì)作為一個(gè)光學(xué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與光學(xué)干涉計(jì)有關(guān)，是用于測量環(huán)境參數(shù)如壓力或速度的變化。本發(fā)明包括一個(gè)光學(xué)傳感器，它是干涉計(jì)的一個(gè)部件，干涉計(jì)可以用于聲學(xué)傳感器或加速度計(jì)中。
Michelson或Mach-Zehnder干涉計(jì)使用在某些應(yīng)用中，如聲學(xué)傳感器，是已知的。Mach-Zehnder干涉計(jì)用在水下使用的聲學(xué)傳感器，在Arab-Sadeghabadi等人的美國專利No．5，448，058中有所描述。
已知類型的光學(xué)干涉計(jì)包括由一個(gè)單光源發(fā)送一個(gè)光信號(hào)至一對(duì)光學(xué)纖維中。光信號(hào)分別經(jīng)此兩條纖維引導(dǎo)，經(jīng)過不同長度的光路，當(dāng)這兩個(gè)信號(hào)光束結(jié)合在一起時(shí)，在這兩條信號(hào)光束之間產(chǎn)生了一個(gè)相位差。結(jié)合的光束可由一個(gè)光檢測器檢測。當(dāng)它們結(jié)合后，如果這兩條信號(hào)光束有相同的極化狀態(tài)，信號(hào)便干擾而形成亮的或暗的線條的條紋圖案，這可由光學(xué)檢測器來檢測到。
使任一條或兩條纖維暴露在環(huán)境參數(shù)的變化中，如聲壓變化，條紋圖形變化均在光學(xué)檢測器上有反映現(xiàn)象。通過分析光學(xué)檢測器檢測到的這些條紋圖形的變化，可以測得纖維所暴露給的環(huán)境參數(shù)的變化。在這樣情況下，當(dāng)干涉計(jì)用在一個(gè)聲學(xué)傳感器中時(shí)，光纖上接觸的聲波的特性就可以確定。
Mach-Zehnder或Michelson干涉計(jì)在水下聲學(xué)傳感器系統(tǒng)中使用時(shí)(水下測聲器)，幾十米長的光學(xué)纖維繞在一個(gè)心軸上。纖維的拉伸會(huì)產(chǎn)生一種測得相位的滯后，它與聲波的壓力變化成正比。干涉計(jì)在它的兩條光學(xué)纖維引線腳之間有一不匹配的光路長度，它在一米的數(shù)量級(jí)，允許標(biāo)準(zhǔn)工作和用相位發(fā)生載波器來進(jìn)行信號(hào)處理。例如，參見Kersey的“分布和多路的光纖傳感元件”一文，Udd，ED．Fiber Optic SensorsAnIntroduction for Engineers and Scientists(New York 1991)，pp．347～363。
上述的光纖干涉計(jì)的傳感器系統(tǒng)，比壓電式的水下測聲系統(tǒng)優(yōu)越，因?yàn)樗膬?yōu)點(diǎn)是免除了電磁干擾(EMI)，能夠在拖船上而不是在水下環(huán)境中設(shè)置所有的電子和電氣部件和系統(tǒng)，而且易測得矢量。但已有的光纖傳感器系統(tǒng)制造時(shí)比較昂貴，沒有優(yōu)于壓電系統(tǒng)，并提供相同優(yōu)點(diǎn)的比較便宜的措施。成批處理的硅片傳感元件，它有一響應(yīng)于環(huán)境中如壓力和加速度變化而移動(dòng)的檢測體，已經(jīng)用來作為加速度和速度的傳感器。這樣的硅傳感元件是非常便宜和堅(jiān)實(shí)的。這種硅傳感元件在水下測聲系統(tǒng)中使用時(shí)，用光纖傳遞系統(tǒng)接入檢測體，將比已有的光纖系統(tǒng)降低成本。但是，將這種硅片傳感元件與在Mach-Zehnder和Michelson干涉計(jì)測量傳感系統(tǒng)或類似系統(tǒng)中使用的現(xiàn)有光纖結(jié)構(gòu)相匹配，在實(shí)踐上證明有困難。
因此，在水下測聲器或類似的應(yīng)用中提供一個(gè)光纖干涉測量傳感系統(tǒng)，它能夠使用普通的成批處理的硅傳感元件，對(duì)目前的技術(shù)來說有著顯著的進(jìn)步。
本發(fā)明是一個(gè)測試系統(tǒng)，在光學(xué)干涉測量計(jì)中使用便宜的硅片傳感元件來測量壓力、速度、加速度，或其他環(huán)境的特性或參數(shù)。傳感元件內(nèi)有一可動(dòng)的檢測體，在有兩個(gè)長度不相等的引線腳的干涉計(jì)中的一個(gè)引線腳端部，用作可動(dòng)的鏡面。硅片傳感元件的檢測體的移動(dòng)響應(yīng)于某一特別環(huán)境參數(shù)的變化，改變干涉計(jì)引線腳的光學(xué)長度。
本發(fā)明包括有一個(gè)光學(xué)信號(hào)源以提供一個(gè)脈沖的、可干涉的光信號(hào)；一個(gè)有不同光路長度的第一和第二光纖引線腳干涉計(jì)。信號(hào)被分離成第一和第二光束，它們被分別引導(dǎo)到第一和第二光纖引線腳中。一個(gè)固定的端鏡安放在第一光纖引線腳的端部，以反射在第一光引線腳端所接受的第一個(gè)光束。一個(gè)光學(xué)傳感器固定在第二光纖引線腳的遠(yuǎn)端。光學(xué)傳感器包括有一個(gè)傳感元件，它有一檢測體能相對(duì)于第二光纖引線腳的端部而移動(dòng)。檢測體的表面是可以反射的，并且定位在能反射從第二纖維引線腳端部所接受的第二光束。一個(gè)光學(xué)耦合器，把從固定端鏡和檢測體反射過來的第一和第二光束結(jié)合，以產(chǎn)生一個(gè)干涉信號(hào)。一個(gè)光學(xué)檢測器，以光學(xué)方式聯(lián)結(jié)到耦合器，以檢測結(jié)合光束的干涉信號(hào)，并產(chǎn)生一個(gè)電子信號(hào)，其值表示干涉信號(hào)值。電子信號(hào)經(jīng)過分析，使它的值與被測量的環(huán)境參數(shù)數(shù)值的變化之間產(chǎn)生相互關(guān)系。
本發(fā)明的測量系統(tǒng)可提供一個(gè)準(zhǔn)確的、相對(duì)成本低的光纖干涉測量傳感器系統(tǒng)，在水下測聲或類似的應(yīng)用中，可使用普通的、成批處理的硅傳感元件，并且完全可以與現(xiàn)有纖維光學(xué)構(gòu)件相兼容的。


圖1所示是根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)成的測量裝置，使用了多個(gè)干涉計(jì)；圖2是根據(jù)本發(fā)明的可作為一個(gè)速度傳感元件類型的硅片傳感元件，及其固定傳感元件片的支撐件和光學(xué)傳感器的光纖端部的一個(gè)實(shí)施例橫斷面圖；圖3是圖2硅傳感片以及為固定傳感元件的支撐塊和根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)成的光學(xué)傳感器的光纖端部的第二個(gè)實(shí)施例的橫斷面圖；圖4是可以用在本發(fā)明中的改變了結(jié)構(gòu)的硅傳感片的橫斷面圖。
本發(fā)明將根據(jù)其較佳實(shí)施例的前后關(guān)系說明如下根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)成的測試系統(tǒng)10，如圖1所示，它包括一個(gè)或更多的干涉計(jì)用來測量從有不同長度的光纖光路的端部所反射出來的光的干涉圖形的變化。
具體地講，測試系統(tǒng)10包括有一個(gè)光源11，它最好是激光器，產(chǎn)生一個(gè)紅外線的或可見光譜的可干涉的光學(xué)信號(hào)。激光器11可直接發(fā)脈沖，或連續(xù)激勵(lì)，其信號(hào)再由鋰鈮振幅調(diào)制器12，作為一個(gè)光學(xué)門，或其他相當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)，引發(fā)出脈沖。脈動(dòng)信號(hào)于是纖維光學(xué)地傳輸?shù)揭粋€(gè)相位調(diào)制器13，從而以所選定的載波頻率產(chǎn)生一相位發(fā)生的載波。
脈沖的和相位調(diào)制后的信號(hào)沿第一方向經(jīng)光纖傳輸線15傳播到一個(gè)單獨(dú)的干涉計(jì)，或沿著傳輸線15上序列設(shè)置的許多干涉計(jì)。在所示實(shí)施例中，為了便于以后說明有三個(gè)干涉計(jì)31，101，121示出。為了能進(jìn)行簡明的討論，故只對(duì)第一個(gè)干涉計(jì)31進(jìn)行說明。
干涉計(jì)31由一光纖連結(jié)線36和第一個(gè)光學(xué)耦合器37，以光學(xué)的方法聯(lián)結(jié)到傳輸線15上，干涉計(jì)包括有一對(duì)長度不等的光纖引線腳33，35。來自激光器11的光學(xué)信號(hào)經(jīng)傳輸線15沿第一方向傳輸，由第二個(gè)光學(xué)耦合器38分離成的二個(gè)詢?cè)L光束。第二光學(xué)耦合器38，可以用已有的3dB光學(xué)耦合器，它引導(dǎo)第一光束至第一引線腳33和第二光束至第二引線腳35。
第二光學(xué)引線腳35的光路長度遠(yuǎn)大于第一光學(xué)31線腳。例如，第一引線腳33的光路長度應(yīng)盡可能的短些，較好長度不超過10厘米左右。而第二引線腳35的光路長度約為1米。
如同下面的詳細(xì)解釋，第一和第二光束在第一和第二光纖引線腳33，35的端部分別被反射回來，經(jīng)光學(xué)引線腳返回至第二光學(xué)耦合器38，它再結(jié)合被反射的光學(xué)信號(hào)，使其沿傳輸線15以第二方向回傳送到光檢測器39。兩個(gè)引線腳之間相對(duì)光路長度的變化，在反射光回到傳輸線15上，就會(huì)使反射光的干涉圖形發(fā)生變化。正如下面將要說明，本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員也會(huì)認(rèn)可，通過分析干涉圖形和它的變化，使得干涉計(jì)31所暴露給的環(huán)境參數(shù)(如壓力和運(yùn)動(dòng))的變化可以確定。
第一光纖引線腳33(短的引線腳)有一個(gè)高反射率的端面鏡41，它固定在引線的遠(yuǎn)端或第二端。這個(gè)固定的端鏡41反射經(jīng)第一個(gè)引線腳33傳來的第一光束，使其沿第二方向返回第一個(gè)引線腳，即向光源11(也向檢測器39)。在第二引線腳35的遠(yuǎn)端或第二端，有一光學(xué)傳感器51(將在后面詳細(xì)說明)，它包括有一可移動(dòng)的檢測體的硅片傳感元件。檢測體有一個(gè)可移動(dòng)的端面鏡，反射經(jīng)第二引線腳35傳播過來的第二個(gè)光束，使其沿第二方向返回第二引線腳，即導(dǎo)向光源11和檢測器39。
現(xiàn)參看圖2，光學(xué)傳感器51中使用了安裝在傳感支撐塊54上的硅片傳感元件54。適用于本發(fā)明的硅片傳感元件是大家普遍知道和已經(jīng)可以得到的。它們是相對(duì)便宜也易于大量生產(chǎn)。硅片傳感元件使用一個(gè)可移動(dòng)檢測體來傳感環(huán)境如速度、加速度或壓力的變化。一個(gè)示范的硅片傳感元件53如圖二所示，它有一個(gè)整體的硅元件，含有一個(gè)可移動(dòng)的檢測體55，使用柔性連結(jié)部件58，將檢測體沿檢測體的至少二個(gè)相對(duì)的邊緣固著在一個(gè)周邊固定部件57上。固定部件57是穩(wěn)固地固定在第一殼部59a和第二殼部59b之間，這樣在它們之間限定有一內(nèi)部空腔60來容納檢測體55。殼部59a和59b較優(yōu)地有低熱膨脹系數(shù)的陶瓷材料板，較好是Pyrex玻璃(由Corning Glass上市，Corning，NY)或某種相當(dāng)?shù)牟牧?。檢測體必須能在空腔60內(nèi)移動(dòng)，因?yàn)樗囊苿?dòng)用來檢測環(huán)境參數(shù)的變化，正如下面所要說明的。第二殼部59b上有一個(gè)開孔62，它與檢測體55的中心安排得相近，通過它第二光束被引導(dǎo)到檢測體55上，這將在下面加以說明。
第二光纖引線腳35的遠(yuǎn)端部設(shè)有在一個(gè)套管63內(nèi)，可以用陶瓷管。套管63有一軸向通路以容納第二光纖引線腳35的遠(yuǎn)端部，并且通路的直徑應(yīng)基本與光纖35的直徑相同。套管63的遠(yuǎn)端與它內(nèi)含的第二光纖引線腳35的遠(yuǎn)端一起插入硅傳感元件53的第二體殼部59b的開口62中。檢測體有一高反射平面64，它定位在即分離又面對(duì)于第二光學(xué)纖維引線腳35的端面65，端面65是與套管63的端面在開孔62中互相平齊。較好地是這個(gè)反射平面64具有一層薄薄的金屬涂層，例如黃金，以提供反射率能接近100％。這樣從纖維35來的光束僅在從纖維端面65出來并由檢測體的表面64反射并返回到纖維時(shí)穿經(jīng)空氣。光并不經(jīng)過其他有可能扭曲光束的材料。
在纖維35的端面65和檢測體55的反射平面64之間的間隙應(yīng)足夠的小，這樣當(dāng)光從纖維端部出來并反射回到纖維時(shí)，光束散射的光損失會(huì)最低。較好地是間隙寬度不超過經(jīng)過纖維傳播的光的幾個(gè)波長。例如，對(duì)于討論的波長，間隙寬度最好大約在2．5徽米到20徽米之間，這樣光在空氣中經(jīng)過的來回距離大約在5～40徽米的范圍內(nèi)。在第二纖維引線腳35的端面65涂以一種防反射的涂層(圖中未示出)，使檢測體55和纖維端面65之間減少不希望的etalon反射，并保證所有的反射信號(hào)全部進(jìn)入纖維。而且，需要防反射涂層也是為了基本消除回復(fù)反射到第二光纖引線腳35。在端面65上的防反射涂層應(yīng)有一小于約10％的反射率，較好地是不大于約0．1％。制造具有低度反射性能光學(xué)涂層，在已知的技術(shù)中如美國專利No．5，529，671中所示，它的內(nèi)容就結(jié)合在這里作為參考。
傳感元件53是安裝在支持塊54上，這樣使第二體殼部59b上的開孔62與支撐塊54的軸向孔74中心相一致。軸孔74容納套管63。第二纖維引線腳35在套管63外留下的長度可置于一個(gè)典型的纖維外套內(nèi)(圖中未示出)。傳感器支持塊54可以是環(huán)形的，雖然它的特殊外形與尺寸是設(shè)計(jì)選擇上的事情，是為了適用于特別的應(yīng)用。
這樣，第二光束經(jīng)第二光纖引線腳35，從纖維端面65發(fā)射出來，穿經(jīng)纖維端面65和可移動(dòng)檢測體55的反射表面64之間的空氣間隙。反射表面64將光束反射回到光纖引線腳35中。
使用一個(gè)硅傳感元件的光傳感器，可用來測量速度或加速度，或用來測壓力的變化。正如本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員可知，當(dāng)傳感元件53中的檢測體55在空腔60內(nèi)相對(duì)于體殼部59a和59b運(yùn)動(dòng)時(shí)，可檢測到加速度。因?yàn)轶w殼59a和59b相對(duì)于第二光光引線腳35來說是固定的，檢測體55在空腔60中的運(yùn)動(dòng)，也就是相對(duì)于第二光學(xué)引線腳35的運(yùn)動(dòng)。這一運(yùn)動(dòng)改變了檢測體55的反射表面64和第二光學(xué)引線腳35端面65之間的光學(xué)間隙的寬度。第一體殼部59a內(nèi)表面是離檢測體55有一個(gè)小的距離，以允許檢測體55在空腔60中沿一個(gè)單一軸向運(yùn)動(dòng)。整個(gè)結(jié)構(gòu)可被容納在中性的浮盒中(未在圖中示出)。
參看圖3，所示的是一個(gè)修改后的傳感器51＇，有一改變了的傳感器支持塊82，是為了使用在需要一個(gè)基本扁平結(jié)構(gòu)的傳感器51＇中。傳感器支持塊82容納第二光學(xué)引線腳35的遠(yuǎn)端，并為第二光束在第二光學(xué)引線腳35的端部和硅傳感元件53中的檢測體55之間提供一條光路。傳感器支持塊82較好由盤形的陶瓷材料片或由一種基本上等效的熱穩(wěn)定性材料(也就是說有低的熱膨脹系數(shù))來形成，雖然它的外形和尺寸是根據(jù)應(yīng)用為設(shè)計(jì)者選擇的事情。
第二光引線腳35的遠(yuǎn)端部是包在套管83中，它與支持塊82一樣應(yīng)由一種熱膨脹系統(tǒng)幾乎可忽視的如合適的陶瓷材料來形成。套管83是插入到支持塊82的第一個(gè)側(cè)面孔85中，它具有足夠的間隙允許套圈83能在孔85中軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣光束的方向可以調(diào)整到最佳狀態(tài)運(yùn)作，這將在下面說明。穿過套管83的軸向孔容納第二光纖引線35的遠(yuǎn)端部，遠(yuǎn)端部與套管83的端平齊，或者較好地是如圖所示，稍稍比套管83的端突出一點(diǎn)點(diǎn)。第二光纖引線35有端面86，它較好是具有約8°的角度，以基本消除回復(fù)反射到第二光纖引線35中。
一個(gè)圓柱形分級(jí)指數(shù)透鏡(GRIN透鏡)87，在光學(xué)上與第二纖維引線35的端面86調(diào)準(zhǔn)，從而將第二纖維引線35發(fā)出來的光束聚焦到檢測體55的反射表面64上。第二光纖引線35的端面86和面對(duì)的GRIN透鏡87的表面之間較好是有一個(gè)間隙大約為0．2毫米。GRIN透鏡87是容納在支持塊82的第二個(gè)側(cè)孔89中，它與第一個(gè)側(cè)孔85是在同一個(gè)心軸上。
傳感元件53是裝在支持塊82的表面上，這樣第二傳感元件體殼部59b上的光學(xué)開孔62，與有空氣的光學(xué)能路91排成一列，通路軸向通過支持塊82。為了接納套管83、GRIN透鏡87以及下面將敘述的部件，通路91并不一定需要在支持塊82的中心。
一個(gè)鏡棒93安裝在管狀裝配件95的偏心孔94中，而裝配件95裝到支持塊82的第三個(gè)側(cè)面孔97中，目的是為能軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。鏡棒93的內(nèi)端頭是一被切成45°角度的鏡面99，它突出在通路91中以便接受從GRIN透鏡發(fā)出來的光束。從第二光纖引線35的端86發(fā)出來的第二光束，通過GRIN透鏡87，然后在鏡棒93的端頭由鏡面99反射了90°角，再通過通路91。管狀裝配件95可以在第二側(cè)孔97中轉(zhuǎn)動(dòng)，以便光束在鏡面99上的打擊點(diǎn)可以進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到最佳運(yùn)行，也就是說以達(dá)到最小損失和不希望的反射。附加的可調(diào)整度可以從安裝鏡棒93至管狀裝配件95中時(shí)能在偏心孔94中的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)來達(dá)到。
第二傳感元件體殼部59b的光學(xué)開孔62的安排使光路不穿過體殼材料。因?yàn)殚_孔62與傳感器支持塊82的通路91套齊，第二光束從GRIN透鏡87出來僅會(huì)通過空氣。第二光束經(jīng)過第二光纖引線35并從纖維端部86出來，再經(jīng)過在纖維端部86和GRIN透鏡87之間的空氣間隙，進(jìn)入到GRIN透鏡中。GRIN透鏡87將從纖維端部86來的光束成像在檢測體55的反射表面64上。鏡面99反射光束90°后，使光束穿越傳感元件53的第二體殼部59b中的開孔62，打擊在檢測體55的反射表面64上。反射表面64反射光束使之返回到鏡棒99上。鏡棒99再以90°反射被反射光束使之返回到GRIN透鏡87中。這樣被反射的光束經(jīng)過GRIN透鏡87，再次進(jìn)入第二光纖引線35。從纖維35出來的光束至檢測體表面64以及返回時(shí)的高效耦合，對(duì)得到這個(gè)裝置的最高效率是很重要的。它應(yīng)減小纖維端部86或其他處所的反向反射。
鏡面99應(yīng)調(diào)整到使從反射表面64來的反射光，準(zhǔn)確的沿著如同光束打擊到反射表面64時(shí)同樣線路進(jìn)行傳播。這樣鏡面99應(yīng)引導(dǎo)光束盡可能的接近檢測體55的中心，如果使用時(shí)的檢測體55老在彎曲。
對(duì)于測量環(huán)境壓力變化的各種應(yīng)用(例如一個(gè)水下測聲系統(tǒng))，傳感元件的結(jié)構(gòu)可以采用不同于圖2和圖3中所示的。本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員將會(huì)懂得，在這種應(yīng)用中，圖中所示的檢測體結(jié)構(gòu)55和58可以取消。這樣一個(gè)替換傳感元件53的結(jié)構(gòu)如圖4所示。在這個(gè)變更中，傳感元件53＇有一個(gè)起到檢測體作用的硅膜片100，它有一柔性的中心面積區(qū)，可響應(yīng)環(huán)境壓力的變化作相應(yīng)的彎曲。膜片100由一周邊輪緣102圍起來，輪緣102是附著在一堅(jiān)實(shí)的基板104上，在膜片100和基板104之間形成了一個(gè)內(nèi)部光學(xué)空腔60＇?；?04有一個(gè)光學(xué)開孔62＇，作為第二光束的通道，使第二光束打擊到反射表面64＇上，它是直接作用到膜片100的內(nèi)表面(面對(duì)空腔60＇)。壓力的變化促使膜片100的中心面積區(qū)移動(dòng)，改變了被內(nèi)部空腔60＇寬度所限定的光學(xué)間隙的路長度。
再參看圖1，從傳感器51反射回來的第二光束(它可能是上述實(shí)施方案中的任一種)經(jīng)第二光纖引線35向第二個(gè)方向傳播；而從固定鏡41反射回來的，經(jīng)過第一光纖引線33的第一光束也向第二方向傳播。第一和第二光束在第二光耦合器38中再次結(jié)合，這樣就形成一個(gè)干涉信號(hào)，該信號(hào)隨傳感器51中可移動(dòng)鏡面的運(yùn)動(dòng)而變化，而該運(yùn)動(dòng)又響應(yīng)于環(huán)境參數(shù)值的變化。此干涉信號(hào)經(jīng)過連結(jié)線36傳播，并由第一光耦合器37與傳輸線15耦合。此干涉信號(hào)經(jīng)傳輸線15再由一個(gè)光纖連結(jié)線75傳輸?shù)焦鈾z測器39，連接線75由一個(gè)光耦合器73耦合到傳輸線。
因?yàn)閺膫鞲衅?1反射出來的第二光束，比從端鏡41反射出來的第一光束經(jīng)過了不同的長度，因此從傳感器51反射出來的光與從端鏡41反射出來的光發(fā)生干涉，從而產(chǎn)生了一個(gè)干涉圖形，干涉圖形隨檢測體的運(yùn)動(dòng)變化，而該運(yùn)動(dòng)是響應(yīng)于環(huán)境參數(shù)的變化。干涉圖形的變化表明用光電檢測器39檢測到的干涉信號(hào)值的變化；棼測器發(fā)出的一個(gè)定值的電輸出信號(hào)指示干涉信號(hào)值的變化。這一電輸出信號(hào)輸入到微型計(jì)算機(jī)77(經(jīng)適當(dāng)?shù)暮蛡鹘y(tǒng)的信號(hào)整理和數(shù)字化后)，它用大家熟知的技術(shù)將電信號(hào)進(jìn)行處理，使干涉信號(hào)值的變化與環(huán)境參數(shù)變化值之間相關(guān)聯(lián)，從而產(chǎn)生能表示參數(shù)值的變化的測量結(jié)果。
在使用本發(fā)明作一個(gè)加速計(jì)的情況下，運(yùn)動(dòng)的物體上附裝有光學(xué)傳感器51，從而使容納在體殼59a和59b中的檢測體55在傳感器空腔60中移動(dòng)。檢測體55的運(yùn)動(dòng)使經(jīng)第二引線35傳播的光的光路長度變化。因此，光路長度的變化使由光檢測器39檢測出來的被反射的干涉信號(hào)的干涉圖形也發(fā)生變化。從這些反射光的干涉圖形的變化可以確定檢測體55的運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明也可用來作為一個(gè)壓力傳感器，如水下測聲器，則較好是使用如圖4所示的傳感元件53＇。壓力變化(例如聲波經(jīng)過傳感器51)促使可變形的第一體殼部59a＇彎曲(在這一變更中，它是作為如前面所述的檢測體)，改變了經(jīng)第二引線35傳播的光的光路長度。因此，光路長度的變化，使由光檢測器39檢測的被反射干涉信號(hào)的干涉圖形發(fā)生變化。從這些反射光的干涉圖形的變化，就能測得環(huán)境壓力的變化。從這些測得的壓力變化，就可以獲得引起這些變化的聲波的信息。
與現(xiàn)有的技術(shù)不同，本發(fā)明中光纖維部件并不起傳感元件的功能。傳感全部由傳感器51中硅傳感元件53完成。為了傳感有一頻率高于十分之幾赫茲的環(huán)境變化，在光纖引線33、35中由于纖維伸長的相位延遲是可以忽略的。
一個(gè)對(duì)所述系統(tǒng)所需要的相位發(fā)生載波，要求在兩個(gè)纖維引線33和35之間有一足夠不匹配的光路長度。目前關(guān)于被動(dòng)纖光傳感元件的技術(shù)狀態(tài)表明，兩個(gè)纖維引線33和35之間的光路長度不一致應(yīng)在約10厘米至約1米。這樣的光路長度不一致范圍也兼容于目前技術(shù)中的穩(wěn)定窄線寬激光光源，及其使用內(nèi)頻率調(diào)制和時(shí)間分隔多路復(fù)合或外相位調(diào)制和頻率分隔多路復(fù)合的纖維光學(xué)結(jié)構(gòu)。
光傳感器51測量檢測體55相對(duì)于固定的硅傳感元件體殼59a和59b的位移，其測量頻率在1～5赫茲左右的某個(gè)最小值以上。纖維引線33，35中光路長度可能會(huì)隨時(shí)間和溫度發(fā)生慢慢漂移，但這樣的變化所產(chǎn)生的誤差從頻率上是很低的，所以對(duì)測量所需要的精確度來說是可以忽略的。例如，溫度在1分鐘內(nèi)有1℃的變化，當(dāng)這兩個(gè)纖維引線33和35之間的線路長度差約一米時(shí)，產(chǎn)生的邊紋運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于0．1赫茲，大大低于上面所述的最小值。當(dāng)用作加速計(jì)時(shí)，在給定的傳感器51中的檢測體55只在一個(gè)方向上有響應(yīng)。因此可以使用三個(gè)干涉計(jì)傳感元件，每一個(gè)有它自己的硅片傳感片，以測量x，y，z三個(gè)軸向的運(yùn)動(dòng)。這三個(gè)一組的傳感元件可以安裝在一個(gè)體塊上。
圖1所示的系統(tǒng)由三個(gè)傳感元件組成，這樣就有可能來測量三個(gè)方向上的速度和加速度。用作加速度計(jì)的第二和第三干涉計(jì)101和121，每一個(gè)基本上與干涉計(jì)31相同，它們雖然可能是圖2或圖3中的任一個(gè)實(shí)施方案。在一個(gè)特定的系統(tǒng)中，所有的干涉計(jì)的方案應(yīng)相同，但不限制這一系統(tǒng)應(yīng)有多少特殊數(shù)量的干涉計(jì)。
在圖1中，第二干涉計(jì)101含有長度不等的纖維引線103和105。其中纖維引線103明顯短于纖維引線105，這兩個(gè)引線由一個(gè)光學(xué)耦合器106進(jìn)行光學(xué)耦合。短的引線103終止在一個(gè)固定的端鏡107內(nèi)。長的引線105終端在一個(gè)光學(xué)傳感器109中，它基本上與上面所述的光學(xué)傳感器51或51＇中任何一種相同是有利的。第二干涉計(jì)由纖維光學(xué)連接線111和光學(xué)耦合器113與傳輸線15光學(xué)耦合。類似地，第三干涉計(jì)121含有不同長度的引線123和125，由光學(xué)耦合器126聯(lián)結(jié)。第一個(gè)纖維引線123明顯短于第二纖維引線125。短的引線123終端在固定端鏡127上。長的引線125終端在一個(gè)光傳感器129中。第三干涉計(jì)121用纖維光學(xué)連接線131和光學(xué)耦合器133與傳輸線15光學(xué)耦合。附加的同樣結(jié)構(gòu)的干涉計(jì)可以加到系統(tǒng)中來，用光學(xué)耦合方法與主傳輸線15進(jìn)行耦合。
當(dāng)在水下測聲裝置上使用時(shí)，較大數(shù)量的干涉計(jì)(使用傳感元件53＇，如圖4所示)可以排成一列拖在一個(gè)船的后面。用一個(gè)足夠功率的激光源，一個(gè)激光器就能推動(dòng)幾十個(gè)這樣的裝置。若在光纖被選擇部分摻雜餌以獲得分布增益，幾百個(gè)這樣的裝置可以由一個(gè)泵的一個(gè)信號(hào)激光器來推動(dòng)。
雖然幾種較佳實(shí)施例已在上面敘述，但這些方案只是示范性的。許多變更和修改對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員是可產(chǎn)生的，例如，支持塊54(圖2)和82(圖3)的外形和尺寸可以變更以適于不同的應(yīng)用。同時(shí)，上面所敘述如圖3方案中的鏡棒93的對(duì)準(zhǔn)調(diào)整機(jī)構(gòu)，也可以修改使在其他方向上也能進(jìn)行調(diào)整，或者它也可以一起省去。這些和其他的變更和修改，應(yīng)考慮在本發(fā)明的精神和范圍之中，正如以下權(quán)利要求所限定的。
權(quán)利要求
1．一個(gè)用于檢測環(huán)境參數(shù)值變化的系統(tǒng)，包括一個(gè)脈動(dòng)的可干涉光信號(hào)源；一個(gè)干涉計(jì)，光學(xué)地耦合到所述光源，以便從那里接受一個(gè)脈動(dòng)的光學(xué)信號(hào)；該干涉計(jì)包括第一裝置，用以將所述光學(xué)信號(hào)分離成第一和第二兩個(gè)光束；第二裝置，分別為第一和第二光束形成第一個(gè)和第二個(gè)光學(xué)引腳，經(jīng)過其中一個(gè)光學(xué)引腳的光路長度要比經(jīng)過另一個(gè)光學(xué)引腳的長度長；一個(gè)固定鏡，處于第一光學(xué)引腳的終端，以便將第一光束反射回到第一光學(xué)引腳內(nèi)；一個(gè)可動(dòng)鏡，處于第二光學(xué)引腳的終端，以便將第二光束反射回到第二光學(xué)引腳內(nèi)；可動(dòng)鏡的移動(dòng)響應(yīng)于參數(shù)值的變化；光學(xué)耦合器裝置，把分別由固定鏡和可動(dòng)鏡沿各自的光學(xué)引腳反射回來的第一和第二光束再結(jié)合起來，以便形成一個(gè)干涉信號(hào)；光學(xué)檢測器裝置，對(duì)干涉信號(hào)作出響應(yīng)，以產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)來表示干涉信號(hào)的值；第三裝置，以所述電信號(hào)作出響應(yīng)，建立干涉信號(hào)值的變化與參數(shù)值變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
2．權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其中干涉計(jì)還包括一傳感元件，有一檢測體，可響應(yīng)于參數(shù)值的變化而動(dòng)；檢測體上的一反射面，形成所述可動(dòng)的鏡。
3．權(quán)利要求1中的系統(tǒng)，其中第二光學(xué)引腳的光路長度明顯大于第一光學(xué)引腳的光路長度。
4．權(quán)利要求3中的系統(tǒng)，其中第一光學(xué)引腳的光路長度不要大于約10厘米，而第二光學(xué)引腳的光路長度至少約1米。
5．權(quán)利要求2中的系統(tǒng)，其中所述傳感元件包括有第一和第二盒部來限定一個(gè)空腔，安置在其中的所述檢測體能夠移動(dòng)，所述第二盒部設(shè)有一個(gè)光孔，作為反射面反射第二光束的通路。
6．權(quán)利要求2中的系統(tǒng)，其中所述傳感元件包括有第一和第二盒部來限定相互之間有一個(gè)內(nèi)部空腔，所述檢測體構(gòu)成為第一盒部的一個(gè)壓力響應(yīng)部，這個(gè)壓力響應(yīng)部有一反射面面對(duì)所述內(nèi)部空腔以形成可動(dòng)的鏡面，而所述第二個(gè)盒部上設(shè)有一光孔，為給所述反射面反射所述第二光束提供通路。
7．一個(gè)用于干涉測量傳感系統(tǒng)或類似系統(tǒng)的光學(xué)傳感器，包括一支持結(jié)構(gòu)，包括有一端部的光路，一可動(dòng)鏡，響應(yīng)于特定的物理參數(shù)變化而動(dòng)，所述可動(dòng)鏡對(duì)于所述光路端部的設(shè)置，能使光路端部發(fā)出來的光束打擊到可動(dòng)鏡上，并從可動(dòng)鏡反射回到光路的端部里，從而可動(dòng)鏡的運(yùn)動(dòng)改變了光路長度。
8．權(quán)利要求7中的光學(xué)傳感器，其中可動(dòng)鏡包括一個(gè)有一反射面的檢測體。
9．權(quán)利要求8中的光學(xué)傳感器，還包括有一內(nèi)部空腔的盒，所述檢測體可動(dòng)的支撐在空腔內(nèi)，所述盒有一光孔與光路相匹配，以便為所述反射面和所述光路端部之間的光束提供一光通道。
10．權(quán)利要求8中的光學(xué)傳感器，其中所述檢測體是一具有周緣的壓力響應(yīng)膜片，其中所述傳感器還包括一塊基板，所述膜片的周緣支撐在所述基板內(nèi)，從而在膜片和基板之間形成一個(gè)內(nèi)部空腔，膜片布置使反射面面對(duì)內(nèi)部空腔，所述基板有一光孔與光路相匹配，這樣在所述反射面和所述光路端部之間，為光束提供一通路。
11．權(quán)利要求9中的光學(xué)傳感器，其中所述光路由一光纖所限定，其中所述光路的端部是所述光纖的端面，并且其中支持結(jié)構(gòu)應(yīng)包括一個(gè)支持塊；一纖維固定元件，使光纖固著在支持塊內(nèi)，從而光纖的端面設(shè)置在所述光孔中。
12．權(quán)利要求11中的光學(xué)傳感器，其中支持塊有一膛孔與所述光孔排成一列，并且其中纖維固定元件包括一套管配置在所述膛孔中，套管有一軸向通路以容納所述光纖維，從而光纖的端面配置在所述光孔中。
13．權(quán)利要求10中的光學(xué)傳感器，其中所述光路是由一個(gè)光纖所限定，其中光路的端部是光纖的端面，并且其中支持結(jié)構(gòu)應(yīng)包括一支持塊；一纖維固定元件，使光纖固著在支持塊內(nèi)，從而光纖的端面配置在所述光孔中。
14．權(quán)利要求13中的光學(xué)傳感器，其中所述支持塊有一膛孔與所述光孔排成一列，并且其中所述纖維固定元件包括一套管配置在所述膛孔中，所述套管有一軸向通路來容納光纖，從而光纖的端面配置在光孔內(nèi)。
15．權(quán)利要求9中的光學(xué)傳感器，其中支持結(jié)構(gòu)包括一支持塊，它有一軸向光學(xué)通路與所述光孔排成一列，其中所述光路基本定向在橫向光路，并且其中支持結(jié)構(gòu)還包括光束導(dǎo)向裝置以引導(dǎo)來自光路端部的光束進(jìn)入所述光通道，并經(jīng)所述光孔達(dá)到所述反射面上。
16．權(quán)利要求15中的光學(xué)傳感器，其中光路端部已定位，以引導(dǎo)所述光束至光的通道中，所述光束的方向基本是橫過通道的軸，并且所述光束導(dǎo)向裝置包括在支持塊上設(shè)置的一個(gè)有角度的鏡，以便在光學(xué)通道中接受所述光束，并且其定向能反射所述光束經(jīng)過所述光孔并達(dá)至所述反射面上。
17．權(quán)利要求15中的光學(xué)傳感器，還應(yīng)包括在支持塊內(nèi)并在所述光路的端部和光通道之間設(shè)置的成像透鏡，以便將所述光束成像在所述反射面上。
18．權(quán)利要求16中的光學(xué)傳感器，其中所述有角度的鏡是可以轉(zhuǎn)動(dòng)的，這樣來改變光束在反射面上的打擊點(diǎn)。
19．權(quán)利要求18中的光學(xué)傳感器，其中安裝在支持塊上可轉(zhuǎn)動(dòng)的所述角鏡，有一反射的端面設(shè)置在所述光學(xué)通道上，所述端面朝向有一個(gè)角度，以便接收光學(xué)通道中的光束，并將光束反射到所述光孔中。
20．權(quán)利要求19中的光學(xué)傳感器，其中所述角鏡包括一個(gè)棒，軸向安裝在支持塊中一個(gè)套管的偏心膛孔中以便能軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。
21．測量環(huán)境參數(shù)的變化的一種方法，包括如下步驟提供一個(gè)脈動(dòng)的可干涉光信號(hào)；提供一個(gè)干涉計(jì)，它有一個(gè)固定鏡的一可動(dòng)鏡，所述可動(dòng)鏡響應(yīng)環(huán)境參數(shù)值的變化而移動(dòng)；引導(dǎo)光信號(hào)到所述干涉計(jì)中，以獲得作為干涉計(jì)輸出的一個(gè)干涉信號(hào)；干涉信號(hào)的值是響應(yīng)于可動(dòng)鏡的運(yùn)動(dòng)而變化的；檢測所述干涉信號(hào)值的變化；將干涉信號(hào)值的變化與環(huán)境參數(shù)值的變化建立聯(lián)系。
22．權(quán)利要求21中的方法，其中環(huán)境參數(shù)是速度。
23．權(quán)利要求21中的方法，其中環(huán)境參數(shù)是壓力。
24．權(quán)利要求21中的方法，其中干涉計(jì)有一第一光學(xué)引腳，它的端點(diǎn)處是一個(gè)固定鏡，干涉計(jì)還有一第二光學(xué)引腳，它的端點(diǎn)處是所述可動(dòng)鏡，并且其中引導(dǎo)步驟包括先將光信號(hào)分離成第一光束，導(dǎo)向第一引腳，和第二光束，導(dǎo)向第二引腳。
25．權(quán)利要求21中的方法，其中檢測步驟包括產(chǎn)生一個(gè)電輸出信號(hào)的步驟，它的值指示干涉信號(hào)的值；并且其中建立聯(lián)系的步驟，包括確定電子輸出信號(hào)值與環(huán)境參數(shù)值變化之間的相互關(guān)系。
26．測量環(huán)境參數(shù)的方法，包括如下步驟提供一個(gè)脈動(dòng)的可干涉光信號(hào)；把所述光信號(hào)分離成為第一和第二光束；分別引導(dǎo)第一和第二光束到第一和第二光引腳中，第一和第二光引腳有不同的光路長度，其中一個(gè)光引腳的光路長度響應(yīng)于環(huán)境參數(shù)值的變化而變化；反射第一和第二光引腳出來的第一和第二光束，從而產(chǎn)生一個(gè)干涉信號(hào)，它的值響應(yīng)于一個(gè)光引腳光路長度的變化而變化；檢測干擾信號(hào)值的變化，建立干涉信號(hào)值的變化與環(huán)境參數(shù)值變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
27．權(quán)利要求26中的方法，其中環(huán)境參數(shù)是速度。
28．權(quán)利要求26中的方法，其中環(huán)境參數(shù)是壓力。
29．權(quán)利要求26中的方法，其中檢測步驟包括產(chǎn)生一個(gè)電子輸出信號(hào)，它的值指示干涉信號(hào)的值，并且還包括建立電子輸出信號(hào)值與環(huán)境參數(shù)值變化之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
全文摘要
測量環(huán)境參數(shù)如速度或壓力等變化的系統(tǒng)包括一光學(xué)信號(hào)源提供脈動(dòng)的可干涉光信號(hào);一干涉計(jì),具有不等光路的第一和第二光學(xué)引線。信號(hào)分離成第一和第二光束,分別導(dǎo)入第一和第二光學(xué)引線。一固定鏡反射所接受的第一光束。一有可動(dòng)鏡的光學(xué)傳感器,反射所接受的第二光束?？蓜?dòng)鏡的移動(dòng)響應(yīng)于要測量的環(huán)境參數(shù)值的變化。一光耦合器把經(jīng)過反射的第一和第二光束耦合起來,產(chǎn)生一干涉信號(hào),由光學(xué)檢測器檢測。檢測器產(chǎn)生電信號(hào),其值表明干涉信號(hào)的值。
文檔編號(hào)G01D5/26GK1204048SQ98101500
公開日1999年1月6日 申請(qǐng)日期1998年6月4日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月4日
發(fā)明者戴維B·霍爾, 塞謬阿爾N·弗雷什特 申請(qǐng)人:利頓系統(tǒng)公司