[发明专利]具有偏振补偿功能的光学测量系统及相应的方法

说明书

技术领域

本申请涉及一种校准光学装置以提高测量精度的方法，所述光学装置具体 是用于检测力学量的光学测量装置，更具体是传感器集成在光波导中的测量装 置。本申请还涉及一种用于校准此类光学装置的系统。

背景技术

在诸如力、转矩、加速度等力学量的检测方面，光学测量技术越来越重要。 其所使用的光纤测量系统具有嵌入在光波导中的传感元件。此类传感元件可被 设计成例如光纤Bragg光栅传感器。用适当波长范围的光辐射照射以这种方式 集成的传感元件，其中根据传感元件的设计以及作用于传感元件的力学量，一 部分入射光被传感器反射且可被传输给评估分析单元。

在传感元件上反射的光辐射或穿透传感元件的光辐射的强度和/或波长范 围具有一些特征，这些特征受到所施加的力学量(例如一个待测量的力)影响。 基于光波导的力传感器或光纤力传感器以及相应的光学测量方法用途广泛，例 如机械设备监测，结构中的机械应力检测，部件负荷的远程诊断，力、转矩等 等的测量。

集成在传感光纤中的光纤传感元件如光纤Bragg光栅传感器(FBG传感器) 对传感光纤的伸长敏感，从而对在光纤中反射的波长谱或穿透光纤的波长谱产 生影响。如此一来，光纤的伸长和/或光纤Bragg光栅结构的变化不再仅取决 于待测量的力学量(例如力)，而是会受到非期望扰动量如温度波动的影响。光 学检测力相关量时，这类非期望的影响因素可能会导致测量精度下降。

另一个干扰因素在已知的基于边缘滤波器阵列的光纤测量系统中有重大 影响。此类测量系统可以实施为基于All-In-Fiber的配置(All-In-Fiber-basierte Anordnung)、集成式光学设备或(微)光学设备。

图1示出一种已知的光纤测量装置的方块示意图，其设计用于检测至少一 个待测量的量。所述光纤测量装置具有用于提供光辐射的一次光源101，可用 所述光辐射来照射至少一个光纤Bragg传感元件303。传输光纤302先将所述 辐射传输到光纤耦合器102上，所述光纤耦合器用于将光学传感元件303上反 射后的反射光通过传感光纤304传输回光学评估单元109。

被传感元件303反射且由传感光纤304和光纤耦合器102传输的反射光被 称作二次光202。之后可以在光学评估单元109中对二次光202进行分析。光 学评估单元109可被设计成例如光学滤波器，用于为二次光202滤波，而后获 得经过滤波的Bragg信号203。这些经过滤波的Bragg信号以外加方式包含了 关于被传感元件反射的波长的信息，这样就能通过测定波长来测定光学传感元 件(光纤Bragg光栅)的伸长，进而对施加于光学传感元件303的待测量的力进 行测定。在与光学评估单元109相连的检测单元104中进行这一测定。

图2以比率式光纤Bragg光栅测量配置为例示出光学评估单元109和检测 单元104的细节图。其中，来自于光学传感元件303的二次光202被导入评估 单元109中的两个光学滤波器110、111内。这些滤波器具有互补的滤波曲线， 因此当入射光202的波长偏移时，两个滤波器中的一个滤波器的穿透率升高， 另一个滤波器的穿透率下降。如前所述，根据分别设于滤波器110、111下游 的两个光传感器(此处未示出)的输出电平的变化，可以在放大后推断出图1所 示传感元件303的Bragg波长的变化，进而推断出测得力学量的变化。检测单 元104输出相应的电输出信号，这些电输出信号之后被传输给在正常操作条件 下与检测单元104相连的测定单元112。测定单元112再测定测量结果信号 301，所述测量结果信号例如是用来判断可根据光学传感元件303的伸长加以 测定的力学量(例如作用于某一机器上与所述光纤相连的结构性元件的力)的 依据。

与(包含光谱仪或激光器的)传统FBG测量系统相比，上述比率式光纤测量 系统一般还存在其它问题。举例而言，温度因素可能会改变光学组件和/或光 电组件的光学特性。这会导致测量系统出现非期望的温度漂移。此外，例如由 被污染的插式连接器、PC插式连接器或有缺陷的光纤封闭件引发的背景光也 会造成测量偏差。