[实用新型]一种单光纤迈克尔逊干涉传感器及传感系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，具体而言涉及一种单光纤迈克尔逊干涉传感器及传感系统。

背景技术

光纤迈克尔逊干涉传感器在光纤传感、光信号处理等领域有非常广泛的应用，包括光纤应力传感、光纤分布式振动传感等。普通光纤迈克尔逊干涉传感器通常需要利用光分路器将来自光源的光信号灯功率分配后，入射到两根分立的光纤中，当光在各自光纤的端面被反射后，再分别沿光路返回到光分路器，此时光分路器对返回光进行合波，两束返回光发生干涉，通过光电转换后进行强度采集，获取的信号可能呈现出余弦的周期性变化。在这种分立的光路中，参考臂容易受温度的影响，从而使干涉强度出现干扰。为了简化光纤迈克尔逊干涉传感器的干涉结构，专利“基于同轴光纤的迈克尔逊干涉仪”(专利号：ZL200910044807.4)、“光纤内集成式微型迈克尔逊干涉传感器及其制作方法”(专利号：ZL200910104579.5)和“微型光纤集成的光纤迈克尔逊干涉式温度传感器、制作方法”(专利号：ZL200910104580.8)等采用光纤复接或微加工的方法，在一段光纤上构建光纤迈克尔逊干涉传感器，但上述方法制作工艺复杂，批量生产困难，实用性不佳。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种单光纤迈克尔逊干涉传感器及系统，该装置结构简单、制作方便、灵敏度高、配置灵活、抗电磁干扰、耐腐蚀和可用于恶劣环境等优点。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种单光纤迈克尔逊干涉传感器，它由普通单模光纤以及光纤上分别刻写的两个与光纤轴垂直的第一啁啾光栅、第二啁啾光栅组成，第一啁啾光栅与第二啁啾光栅之间保持一定的间距前后排列，且有相同的反射光谱特性，其反射率低于1％。

本实用新型还提供了一种单光纤迈克尔逊干涉传感器的传感系统，包括窄带激光光源，光环行器，光电探测器，带A/D转换的数据采集卡，计算机，以及单光纤迈克尔逊干涉传感器。环形器的第一端口接激光光源，环形器的第二端口接单光纤迈克尔逊干涉传感器，环形器的第3端口接光电探测器，光电探测器与数据采集卡连接，数据采集卡与计算机连接。

激光光源的工作波长位于第一啁啾光栅、第二啁啾光栅的反射谱范围内。

单光纤迈克尔逊干涉传感器的尾端盘绕成半径小于5mm、圈数大于10圈的小圆，且光纤尾端的端面斜度小于60°，以降低端面反射。

计算机对干涉仪引起的相位变化进行解调，提取相应的物理参量的信息。

单光纤迈克尔逊干涉传感器的传感系统的工作原理如下：

激光光源发出的光经过环形器注入到单光纤迈克尔逊干涉传感器，假定第一啁啾光栅、第二啁啾光栅反射系数为R₀，激光的光强为I₀，则第一啁啾光栅反射光为I₀*R₀，透射光为I₀*(1-R₀)。透射光入射到第二啁啾光栅上时，反射信号的强度为I₀*(1-R₀)*R₀，反射信号通过第一啁啾光栅后的强度为：I₀*(1-R₀)²*R₀。则第一啁啾光栅、第二啁啾光栅两束返回光的强度之比为：1:(1-R₀)²。

假定光栅的反射率R₀等于1％，两束光的强度之比为1：0.9801，光强相差小于2％；而光栅的反射率降低到0.1％时，两束反射光的强度之比为1:0.998001，两束光强相差小于0.2％。这对干涉条纹的影响非常有限，可以近似为等功率两束光。两束光是同一激光光源的反射光，具有相同的传播方向和稳定的相位差，因此会产生双光束干涉，其反射机理符合迈克尔逊的工作机理，命名为单光纤迈克尔逊干涉传感器。其双光束干涉的表达式：

I_D≈2R₀*I₀*{1+cos[4πn_effL/λ+φ_r]}(1)

式中，I_D为双光束干涉的光强，L为两光栅之间的距离，φ_r为两光栅之间的相位差。当两个光栅之间的光纤受到外界扰动时，干涉信号的相位差变化Δφ：