一種基于Smith諧振干涉型光程匹配掃描器的低相干光纖形變傳感器網(wǎng)絡(luò)解調(diào)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，具體涉及的是一種可用于多種光纖傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)準(zhǔn)分布形變、應(yīng)變或者準(zhǔn)溫度分布等物理量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與測(cè)量的基于Smith 諧振干涉型光程匹配掃描器的低相干光纖形變傳感器網(wǎng)絡(luò)解調(diào)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖白光干涉儀的優(yōu)點(diǎn)之一就是可以很容易地實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用。多個(gè)傳感器在各自 的相干長(zhǎng)度內(nèi)，只存在單一的光干涉信號(hào)，因而勿需更復(fù)雜的時(shí)間或者頻率復(fù)用技術(shù)對(duì)信 號(hào)進(jìn)行處理。近年來(lái)，白光干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)得到了蓬勃的發(fā)展，其中的一個(gè)熱點(diǎn)就是發(fā)展了多 種基于多路復(fù)用技術(shù)的光纖傳感器和測(cè)試系統(tǒng)，用于應(yīng)變、溫度、壓力等物理量的測(cè)量。多 路復(fù)用技術(shù)的發(fā)展背景主要是由于在實(shí)際測(cè)量與測(cè)試應(yīng)用中，單個(gè)物理量以及單一位置點(diǎn) 的傳感，已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足人們對(duì)事物整體或者系統(tǒng)狀態(tài)感知的要求，這往往需要對(duì)多個(gè)或 者多點(diǎn)物理量的分布進(jìn)行在線或者實(shí)時(shí)的量測(cè)。例如對(duì)大型結(jié)構(gòu)（水電站、大壩、橋梁等） 的無(wú)損檢測(cè)與監(jiān)測(cè)以確定其安全的過(guò)程中，需要將光纖傳感器植入關(guān)鍵部位，并構(gòu)筑成監(jiān) 測(cè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)其內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變以及溫度等信息進(jìn)行提取。因此，傳感器數(shù)量通常為幾十個(gè) 或者上百個(gè)，如果測(cè)試系統(tǒng)僅以單點(diǎn)傳感器進(jìn)行連接，無(wú)疑其測(cè)試造價(jià)將大大提高，同時(shí)降 低了系統(tǒng)可靠性。采用多路復(fù)用技術(shù)，利用同一個(gè)解調(diào)系統(tǒng)對(duì)多個(gè)傳感器的測(cè)量信息進(jìn)行 問(wèn)詢(xún)，這不僅極大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)復(fù)雜程度，而且使測(cè)量精度和可靠性也得到了保證。同時(shí)，由 于多路復(fù)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，降低了單點(diǎn)傳感器的造價(jià)，從而使測(cè)試費(fèi)用大為降低，提高了 性?xún)r(jià)比，使光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比更具優(yōu)勢(shì)。
[0003] 白光干涉光纖傳感器可以有效地避免很多長(zhǎng)相干長(zhǎng)度的信號(hào)所遇到的限制和問(wèn) 題。空分復(fù)用白光干涉光纖傳感器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是可以測(cè)量絕對(duì)長(zhǎng)度和時(shí)間延遲。另外， 由于傳感信號(hào)的相干長(zhǎng)度短，可以消除系統(tǒng)雜散光的時(shí)變干擾?？辗謴?fù)用白光干涉技術(shù)的 另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要相對(duì)復(fù)雜的時(shí)分復(fù)用或頻分復(fù)用技術(shù)便可以將多個(gè)傳感器相干復(fù)用 在一個(gè)信號(hào)中?？辗謴?fù)用技術(shù)是通過(guò)使用掃描干涉儀（如邁克爾遜干涉儀）實(shí)現(xiàn)信號(hào)光與 參考光的光程相匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果兩路信號(hào)光的光程相匹配，在干涉儀的輸出信號(hào)中會(huì) 觀察到白光干涉條紋?？蓪?shí)現(xiàn)高精度的絕對(duì)測(cè)量，能夠測(cè)量的參量包括位置、位移、應(yīng)變和 溫度等。
[0004] 在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是在建筑結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)中，通常需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)距離、多 點(diǎn)的準(zhǔn)分布式測(cè)量。然而，對(duì)于傳統(tǒng)的光纖白光干涉儀結(jié)構(gòu)，傳感光纖的長(zhǎng)度受到可變掃描 臂的調(diào)節(jié)范圍的限制。另外，即使可以得到長(zhǎng)距離的調(diào)節(jié)范圍，光信號(hào)在長(zhǎng)距離的空間光路 中傳輸?shù)膿p耗也會(huì)很大。
[0005] 為解決上述問(wèn)題，1995年美國(guó)H-P公司W(wǎng)ayne V. Sorin和Douglas M. Baney公開(kāi) 了一種基于光程自相關(guān)器的白光干涉?zhèn)鞲衅鞯膹?fù)用方法（美國(guó)專(zhuān)利：專(zhuān)利號(hào)5557400)，基 于Michelson干涉儀結(jié)構(gòu)，利用光信號(hào)在Michelson干涉儀固定臂和可變掃描臂之間形成 的光程差與光纖傳感器的前后兩個(gè)端面反射光信號(hào)光程差之間的匹配實(shí)現(xiàn)光程自相關(guān)，獲 得該傳感器的白光干涉信號(hào)，再利用改變掃描臂與固定臂之間光的程差與多個(gè)首尾相接的 串行光纖傳感器陣列中的每個(gè)傳感器逐一匹配，完成光纖傳感器的多路復(fù)用。
[0006] 另外，申請(qǐng)人于2007年和2008年公開(kāi)的低相干絞扭式類(lèi)Sagnac光纖形變傳感 裝置（中國(guó)專(zhuān)利：200710072350. 9)和空分復(fù)用Mach-Zehnder級(jí)聯(lián)式光纖干涉儀及測(cè)量方 法（中國(guó)專(zhuān)利號(hào)：ZL 200810136824.6)主要用來(lái)解決光纖傳感器復(fù)用陣列布設(shè)過(guò)程中抗毀 壞的問(wèn)題；申請(qǐng)人于2008年公開(kāi)的光纖Mach-Zehnder與Michelson干涉儀陣列的組合測(cè) 量?jī)x（中國(guó)專(zhuān)利：ZL 200810136819. 5)和孿生陣列Michelson光纖白光干涉應(yīng)變儀（中國(guó) 專(zhuān)利號(hào)：ZL 200810136820.8)主要用于解決白光光纖干涉儀多路復(fù)用中溫度對(duì)測(cè)量干擾， 以及溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量問(wèn)題；申請(qǐng)人于2008年公開(kāi)的一種簡(jiǎn)化式多路復(fù)用白光干涉光 纖傳感解調(diào)裝置（中國(guó)專(zhuān)利：ZL 200810136826. 5)和基于可調(diào)Fabry-Perot諧振腔的分布 式光纖白光干涉?zhèn)鞲衅麝嚵校ㄖ袊?guó)專(zhuān)利：ZL 200810136833. 5)，引入環(huán)形腔、F-P腔光程自 相關(guān)器主要用于簡(jiǎn)化多路復(fù)用干涉儀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)造共光路形式，提高溫度穩(wěn)定性；申請(qǐng) 人于2008年公開(kāi)的一種雙基準(zhǔn)長(zhǎng)度低相干光纖環(huán)形網(wǎng)絡(luò)傳感解調(diào)裝置（中國(guó)專(zhuān)利【申請(qǐng)?zhí)枴?200810136821. 2)4X4光纖耦合器光程自相關(guān)器的引入，目的是解決多基準(zhǔn)傳感器的同時(shí) 測(cè)量問(wèn)題。
[0007] 但在上述基于空分復(fù)用的干涉儀結(jié)構(gòu)中，光源功率衰減大、光源利用率低，由光源 發(fā)出的光，僅有較小的一部分達(dá)到傳感器陣列，被探測(cè)器接收形成干涉圖樣。以W. V. Sorin 公開(kāi)的光路結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)傳感器陣列反射的光信號(hào)通過(guò)光纖耦合器1時(shí)，只有一半的光進(jìn) 入Michelson自相關(guān)器，而另一半光沿與光源相連的光路損耗掉。另外，進(jìn)入Michelson自 相關(guān)器的光，被反射鏡反射后經(jīng)過(guò)耦合器2時(shí)又只有一半光進(jìn)入光電探測(cè)器，另一半光回 饋到耦合器1中。因此，這種結(jié)構(gòu)最多只有1/4的光源功率對(duì)傳感過(guò)程有貢獻(xiàn)。另外，經(jīng)過(guò) 耦合器1回饋的光會(huì)直接進(jìn)入光源，雖然使用的光源類(lèi)型為寬譜光，與激光光源相比，對(duì)回 饋不十分敏感，但是過(guò)大的信號(hào)功率反饋，特別是對(duì)于SLD和ASE等自發(fā)輻射增益較大的光 源，回饋光會(huì)引起光源的較大的噪聲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于Smith諧振干涉型光程匹配掃描器的低相干光 纖形變傳感器網(wǎng)絡(luò)解調(diào)系統(tǒng)。
[0009] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0010] 基于Smith諧振干涉型光程匹配掃描器的低相干光纖形變傳感器網(wǎng)絡(luò)解調(diào)系統(tǒng)， 由寬譜光源1、四端口光纖環(huán)行器2、Smith諧振干涉型光程匹配掃描器3、傳輸光纖4、光纖 傳感器網(wǎng)絡(luò)5、光電探測(cè)信號(hào)放大器6以及信號(hào)處理單元7組成，系統(tǒng)中寬譜光源發(fā)出的光 經(jīng)由四端口光纖環(huán)行器后被注入到Smith諧振干涉型光程匹配掃描器，Smith諧振干涉型 光程匹配掃描器產(chǎn)生光程差可調(diào)的兩束問(wèn)訊光信號(hào)，經(jīng)由四端口光纖環(huán)行器后通過(guò)傳輸光 纖被送入光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)，由光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)反射回來(lái)的干涉信號(hào)光再次通過(guò)傳輸光纖， 經(jīng)由四端口光纖環(huán)行器被光電探測(cè)器所接收并被放大，信號(hào)最后經(jīng)由信號(hào)處理單元處理后 給出測(cè)量結(jié)果。
[0011] Smith諧振干涉型光程匹配掃描器是通過(guò)一個(gè)2 X 2光纖耦合器31，一端與光纖準(zhǔn) 直器32和可調(diào)前后移動(dòng)的平面光學(xué)反射鏡33構(gòu)成光程掃描部分，另外兩端直接鍍有反射 鏡構(gòu)成了光學(xué)諧振腔，光纖準(zhǔn)直器被固定在一個(gè)精密滑移臺(tái)的基座上，一個(gè)平面光學(xué)反射 鏡被固定在可以滑移的平臺(tái)上，正對(duì)著光纖準(zhǔn)直器，構(gòu)成了一個(gè)光程可調(diào)的Smith諧振干 涉型光程匹配掃描器。
[0012] 光纖傳感網(wǎng)絡(luò)是由基本的光纖傳感器陣列組成的，而光纖傳感器陣列則是由若干 個(gè)首尾依次串接的光纖傳感器組成，每個(gè)光纖傳感器則是由一段兩端帶有光纖插芯的單模 光纖組成，將一系列長(zhǎng)度不等的單模光纖段構(gòu)成首尾相接的串行陣列，并通過(guò)1XN，N = 2， 3,4…光纖星形耦合器構(gòu)成總線式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、星形光纖傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和 復(fù)合星形光纖傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0013] 采用的光纖形變傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的的光纖傳感陣列可通過(guò)增加一個(gè) 1 XM多路光纖開(kāi)關(guān)的選通連接將M個(gè)光纖傳感陣列構(gòu)造成一個(gè)巡回檢測(cè)的NXM個(gè)線性光 纖傳感器網(wǎng)絡(luò)。
[0014] 采用的四端口光纖環(huán)行器將Smith諧振干涉型光程匹配掃描器和準(zhǔn)分布光纖傳 感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。
[0015] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0016] 本發(fā)明公開(kāi)了一種基于Smith諧振干涉型光程匹配掃描器的低相干多路復(fù)用準(zhǔn) 分布光纖形變傳感網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)?？捎糜诙帱c(diǎn)準(zhǔn)分布形變、應(yīng)變或者準(zhǔn)溫度分布等物理量 的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與測(cè)量，可廣泛用于大尺寸的智能結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。它采用光纖環(huán)行器來(lái)連接 Smith諧振干涉型光程匹配掃描器、光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)和光電探測(cè)器，使光纖傳感器反射的信 號(hào)全部耦合到光電探測(cè)器中，與在先技術(shù)相比，由于四端口光纖環(huán)形器的使用，消除了反饋 回光源的信號(hào)，提高了光源的穩(wěn)定性，同時(shí)增強(qiáng)了光源功率的利用率，能夠使光源發(fā)出的光 全部得到利用，也進(jìn)一步提高了傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)用能力。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1是基于Smith諧振干涉型光程匹配掃描器的低相干多路復(fù)用準(zhǔn)分布光纖形變 測(cè)量傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖2是Smith諧振干涉型光程匹配掃描器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖3是光纖形變傳感器網(wǎng)絡(luò)解調(diào)系統(tǒng)中所采用的光纖形變傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)