[发明专利]反射式差动强度调制光纤传感装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种传感装置，本发明还涉及一种传感方法，具体地说是应 用于光纤传感及光电检测的传感装置及其方法。

背景技术

传统的反射式光纤传感器基本原理如图1所示，光源1发出的光经耦合器2 的耦合，进入发射光纤3，再通过发射光纤3射向反射器4，其反射光由接收光 纤5收集，并送到光电探测器6，通过信号处理单元8的处理便可得到光纤端面 与被测面之间距离的变化。该传感器的特点是结构紧凑、原理简单、设计灵活、 价格低廉等，从而在许多物理量(如位移、压力、振动、表面粗糙度等)测量中 成功获得应用。但传感器的分辨力和线性测量范围却严重相互制约。如图2所示， 一般情况下前坡灵敏度好，分辨力高，线性较好，可用于位移、振动、压力等物 理量的测量，但其线性范围小，只适用于测量微小位移变化；而其后坡曲线的斜 率为负，虽然线性大，但灵敏度低，只能用于低分辨力大量程的位移测量。同时， 该传感器存在较大的“死区”，并且因为以光强变化来获取被传感参量变化的信 息，测量结果极易受光源、光纤、探测器等引起的光强波动以及探测器和后续电 路产生的共模噪声的影响，存在较大测量误差。为了克服传统反射式光纤传感的 上述缺点，国内外学者做了许多有益尝试。

杨华勇等(杨华勇，吕海宝，徐涛，等.几种带补偿功能的三光纤传感器的分析. 国防科技大学学报，2002，24(1)：105-108)研究了芯径不等式、等芯错位式以 及等芯不等间距式三种带补偿功能三光纤反射式光纤传感器，有效抑制了光强波 动和电子噪声的影响，并在一定程度上改善了系统的线性范围，但是却没有有效 改善系统的分辨力和灵敏度，并且存在较大测量“死区”。

美国MTI公司MTI-2100系列反射式光纤传感器，采用了不规则分布、半球 状分布以及同心圆分布等多光纤分布探头，大大提高了系统的分辨力和灵敏度， 并且存在较小的死区，但仍存在系统分辨力和线性测量范围相互制约的矛盾。

发明内容

本发明的目的在于提供能够改善轴向分辨力、线性范围以及死区范围的反射 式差动强度调制光纤传感装置，本发明的目的还在于提供通过设置两接收光纤出 射端面相对于发射光纤出射端面不同方向的错位量、依次进行“远端”和“近 端”探测、获得不同位相的两个测量信号、再进行差动相减处理从而抑制了光源、 光纤、探测器等引起的光强波动以及探测器和后续电路产生的共模噪声的影响、 大大地提高了装置测量的信噪比的强度调制光纤传感方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的反射式差动强度调制光纤传感装置，包括光源、光纤耦合器、光纤、 反射器、光电探测器和计算机处理系统，其特征是：还包括差动相减处理系统， 所述的光纤包括发射光纤、第一接收光纤和第二接收光纤；发射光纤、第一接收 光纤和第二接收光纤平行放置，发射光纤的出射端面向反射器，发射光纤的接收 端连接光纤耦合器，光纤耦合器连接光源的发射端，第一接收光纤和第二接收光 纤的接收端面向反射器，第一接收光纤和第二接收光纤的出射端分别连接第一光 电探测器和第二光电探测器，第一光电探测器和第二光电探测器连接差动相减处 理系统，差动相减处理系统连接计算机处理系统。

本发明的反射式差动强度调制光纤传感方法，其特征是：

(1)第一接收光纤和第二接收光纤分别布置在发射光纤两侧、接收发生光纤 通过反射器反射回来的光信号，形成两路接收光路；

(2)由两路接收光路得出不同位相的轴向响应信号的功率P₁(d，d1)和P₂(d， d2)以及具有不同位相的功率曲线：