一種波長循環(huán)調(diào)諧補(bǔ)償干涉型傳感器工作點(diǎn)漂移的方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，是一種利用有限帶寬的波長可調(diào)諧激光器實(shí)現(xiàn)雙 光束干涉型傳感器靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的方法及系統(tǒng)。該方法通過循環(huán)波長調(diào)諧實(shí)時跟蹤補(bǔ)償 傳感器靜態(tài)工作點(diǎn)實(shí)現(xiàn)傳感器的長期穩(wěn)定運(yùn)行。該方法特別涉及到基于干涉-強(qiáng)度調(diào)制的 低細(xì)度F-P傳感器的工作點(diǎn)補(bǔ)償，利用傳感器反饋信號控制可調(diào)諧激光器波長進(jìn)而大范圍 跟蹤靜態(tài)工作點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對振動或聲波信號的高靈敏度測量。本發(fā)明適用于利用光纖傳 感技術(shù)檢測復(fù)雜環(huán)境的振動和聲波。
【背景技術(shù)】
[0002] 雙光束干涉型光纖傳感器對比電容式或者壓電式的電子傳感器，在聲波與振動測 量方面具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、抗電磁干擾、體積小、安全、可形成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)等諸多優(yōu) 點(diǎn)。因而在聲波感測，地震監(jiān)測，建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，大型變壓器局部放電監(jiān)測等方面有 著重要的應(yīng)用。但是，限制此種調(diào)制方式的光纖干涉型傳感器實(shí)際應(yīng)用的最大障礙是環(huán) 境因素變化下的傳感器工作點(diǎn)漂移問題。對于雙光束干涉調(diào)制型的傳感器，其干涉譜為 余弦函數(shù)（低細(xì)度的F-P傳感器近似為雙光束干涉），我們通常利用余弦曲線中線性度最 好的一段作為相位-強(qiáng)度轉(zhuǎn)換曲線。在對聲波一類的交流信號檢測時靜態(tài)工作點(diǎn)一般設(shè) 置在曲線斜率最大的1/4JT相位點(diǎn)（Q點(diǎn)），（見Dae-Hyun Kim，Bon-Yong Koo，Chun-Gon Kim，Damage detection of composite structuresusing a stabilized extrinsic Fabry - Perotinterferometric sensor system，SamrtMater. Struct. 13 (2004)593-598)〇 在Q點(diǎn)附近，小信號的響應(yīng)是線性的，而且響應(yīng)的靈敏度最大。但如果工作點(diǎn)因外界因素偏 離Q點(diǎn)，傳感器的靈敏度就會降低并出現(xiàn)非線性響應(yīng)。
[0003] 針對雙光束干涉型傳感器工作點(diǎn)漂移問題前期論文中已提出了多種解決方案。文 獻(xiàn)I[J. F. Dorighi, S. Krishnaswamy, J. D. Achenbach, Stabilization of an embeddedfiber optic Fabry - Perot sensor for ultrasound detection, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 37(1995)820 - 824]報(bào)道了使用外腔激光器通過調(diào)諧輸出激 光的波長對工作點(diǎn)漂移進(jìn)行補(bǔ)償。這種方法雖然能夠在一定漂移量范圍內(nèi)控制工作點(diǎn)， 但是這種大光譜范圍外腔調(diào)諧式激光器的體積大，機(jī)械調(diào)諧機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，不 適合作為一種簡單的光纖傳感器的光源。文獻(xiàn)2 [Bing. Yu, Anbo. Wang, Grating-assisted demodulation of interferometric optical sensors,Appl. Opt. 42(2003)6824 - 6829] 采用補(bǔ)償工作點(diǎn)漂移的原理基本相同，都是采用寬譜光源+波長選擇器件的方案，文獻(xiàn)[2] 的缺點(diǎn)是光路中也采用了光柵機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使得整個調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且 激光輸出耦合到光柵，經(jīng)光柵衍射分光后再耦合回光纖將引入較大的插入損耗。由于采 用寬譜自發(fā)輻射光源，經(jīng)窄帶濾波后的光強(qiáng)弱，會直接影響系統(tǒng)的檢測靈敏度。專利號為 ZL200710046651的"自動調(diào)諧F-P光纖傳感器"中，使用具有溫控系統(tǒng)的分布反饋式激光器 (簡稱DFB)，通過反饋控制溫控系統(tǒng)使激光器可以改變輸出波長，從而補(bǔ)償工作點(diǎn)漂移，這 種方法的一個缺點(diǎn)是溫度調(diào)諧DFB輸出波長的響應(yīng)速率較慢，另外，DFB激光器的光譜可調(diào) 諧范圍通常很窄，該方法在很窄的調(diào)諧或選頻帶寬內(nèi)跟蹤調(diào)諧，一旦環(huán)境因素所造成的工 作點(diǎn)漂移超出了波長調(diào)諧補(bǔ)償范圍，則工作點(diǎn)跟蹤補(bǔ)償方案就會失效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了解決雙光束干涉型光纖傳感器工作點(diǎn)漂移問題，提出了基于電流循環(huán) 調(diào)諧DFB激光器的工作波長來補(bǔ)償工作點(diǎn)漂移的方法。此方法可以實(shí)現(xiàn)在工作點(diǎn)在較大范 圍漂移情況下，對Q點(diǎn)的連續(xù)實(shí)時跟蹤，并且依據(jù)此方案所設(shè)計(jì)的傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、造價 低廉、靈敏度高。
[0005] 本發(fā)明設(shè)計(jì)的主要依據(jù)包括：
[0006] 在光纖干涉型傳感器中，傳感光與參考光的相位差可以表示為φ=2π OPD/λ， 式中，λ是激光光源的中心波長，（PD表示光程差。從式子中可以看出當(dāng)環(huán)境參數(shù)變化引 起(PD改變時，可以通過調(diào)節(jié)λ來補(bǔ)償(PD的變化，保持相位差恒定。這個過程可以用公 式表示為：
[00071
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種波長循環(huán)調(diào)諧補(bǔ)償干涉型傳感器工作點(diǎn)漂移的方法及系統(tǒng)，其特征在于，利用 可調(diào)諧激光器作光源，使用激光波長循環(huán)調(diào)諧方法實(shí)現(xiàn)雙光束干涉型光纖傳感器的工作點(diǎn) 漂移補(bǔ)償方法；本方法所用系統(tǒng)包括可調(diào)諧激光器、環(huán)形器、雙光束干涉型光纖傳感器、探 測器模塊、信號采集與控制電路、可調(diào)諧激光器驅(qū)動電路和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；可調(diào)諧激光器經(jīng)光 纖與環(huán)形器的第一端口相連；環(huán)形器的第二端口經(jīng)單模光纖與雙光束干涉型光纖傳感器連 接；環(huán)形器的第三端口與探測器模塊連接，探測器模塊包含同相前置放大器和反相前置放 大器；探測器模塊接信號采集與控制電路；信號采集與控制電路將采集到的信息傳輸?shù)接?jì) 算機(jī)系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)向信號采集與控制電路發(fā)出指令；信號采集與控制電路采集探測器 模塊的信號，控制可調(diào)諧激光器驅(qū)動電路與探測器模塊中的同相前置放大器和反相前置放 大器的切換；可調(diào)諧激光器驅(qū)動電路接收信號采集與控制電路產(chǎn)生的控制信號驅(qū)動可調(diào)諧 激光器；具體步驟如下： 首先掃描可調(diào)諧激光器輸出光譜，對得到的余弦干涉信號曲線求導(dǎo)，確定導(dǎo)數(shù)值最大 的波長位置和該波長下的可調(diào)諧激光器驅(qū)動電流值，最大的波長位置即為Q點(diǎn)波長；然后 記錄該驅(qū)動電流下的干涉信號的直流量平均值，將該直流量平均值設(shè)為參考值；雙光束干 涉型光纖傳感器實(shí)時獲取信號的直流量，將直流量與參考值做比較，當(dāng)出現(xiàn)偏差時，說明工 作點(diǎn)發(fā)生了漂移，此時通過比例-積分-微分算法調(diào)節(jié)可調(diào)諧激光器的注入電流，通過微調(diào) 激光波長跟蹤鎖定Q點(diǎn)；當(dāng)輸出波長調(diào)諧到最大值或最小值時，為了鎖定工作點(diǎn)繼續(xù)增大 波長或減小波長，系統(tǒng)會自動將輸出波長跳變回最小值或最大值進(jìn)行下一個循環(huán)的Q點(diǎn)鎖 定；當(dāng)波長從最大值到最小值或從最小值到最大值跳變時，信號采集與控制電路發(fā)出信號 給探測器模塊的前置放大器，使前置放大器中工作的同相放大器與反相放大器切換，克服 了跳變后信號相位發(fā)生反相的現(xiàn)象。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法及系統(tǒng)，其特征在于，所述的可調(diào)諧激光器是電流調(diào)諧 分布反饋式半導(dǎo)體激光器，波長調(diào)諧在〇. 5nm以上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法及系統(tǒng)，其特征在于，所述的雙光束干涉型光纖傳感 器的初始光程差彡2. 4_。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法及系統(tǒng)，其特征在于，采用自帶光強(qiáng)監(jiān)控功能的可調(diào) 諧激光器或者在可調(diào)諧激光器連接環(huán)形器前先連接光纖耦合器用以監(jiān)控輸出可調(diào)諧激光 器的光強(qiáng)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法及系統(tǒng)，其特征在于，采用自帶光強(qiáng)監(jiān)控功能的可調(diào)諧 激光器或者在可調(diào)諧激光器連接環(huán)形器前先連接光纖耦合器用以監(jiān)控輸出可調(diào)諧激光器 的光強(qiáng)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或5所述的方法及系統(tǒng)，其特征在于，在可調(diào)諧激光器與環(huán)形器之 間設(shè)置有隔離器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法及系統(tǒng)，其特征在于，在可調(diào)諧激光器與環(huán)形器之間設(shè) 置有隔離器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法及系統(tǒng)，其特征在于，在可調(diào)諧激光器與環(huán)形器之間設(shè) 置有隔離器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、5、7或8所述的方法及系統(tǒng)，其特征在于，所述的環(huán)形器分光比為 50 :50的親合器代替。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法及系統(tǒng)，其特征在于，所述的環(huán)形器分光比為50 :50的 耦合器代替。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種波長循環(huán)調(diào)諧補(bǔ)償干涉型傳感器工作點(diǎn)漂移的方法，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。其特征是利用有限帶寬的波長可調(diào)諧激光器實(shí)現(xiàn)雙光束干涉型傳感器靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定。該方法利用傳感器反饋信號控制激光器循環(huán)調(diào)諧波長，進(jìn)而實(shí)時跟蹤補(bǔ)償傳感器靜態(tài)工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)傳感器的長期穩(wěn)定運(yùn)行。本發(fā)明的效果和益處是采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器作為光源，利用循環(huán)調(diào)諧補(bǔ)償方法克服干涉型傳感器工作點(diǎn)漂移問題，既解決了傳感器在惡劣環(huán)境中工作點(diǎn)大范圍漂移的補(bǔ)償問題，對比其他方法又降低了系統(tǒng)的成本。本發(fā)明適用于利用光纖傳感技術(shù)檢測復(fù)雜環(huán)境的振動和聲波。
【IPC分類】G01D18-00
【公開號】CN104764476
【申請?zhí)枴緾N201510158109
【發(fā)明人】毛雪峰, 周新磊, 于清旭
【申請人】大連理工大學(xué)
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月3日