[发明专利]具有微分调制相位检测的干涉测定传感器

说明书

提供一种传感器，其具有：感测元件(8)，由此被测对象引起两个波之间的相对相移；相位调制器(5)，将调制添加到相对相移；至少两个检测器(10‑1，10‑2)，其中第一检测器(10‑1)响应于相对相移没有包含如由被测对象所引起的相对相移而检测干扰信号，并且其中第二检测器(10‑2)响应于相对相移包括如由被测对象所引起的相对相移而检测干扰信号；以及还包括信号处理单元(11)，其适合分析两个所检测干扰信号，并且从其中得出被测对象值。

技术领域

本发明涉及使用调制相位检测方案的干涉测定传感器。

背景技术

US 3707329描述一种用于分析通过待测量的量所调制的光束的设备。它包含机械斩光器，其在光束进入电光传感器之前调制光束的幅度。

DE 19544778描述一种电流传感器，其中不同长度的感测光纤的两段围绕导体缠绕（would）。

依靠两个波、通常是波的两个正交偏振模式之间的干扰的传感器是已知的，并且用于大范围的技术领域中(参见参考文献[1]-[7])。这些传感器的检测器信号与两个波之间的相对相移的余弦相关。相移能够使用例如偏振测定方案来检测。这种传感器一般要求多个检测器通道(例如两个正交偏振测定通道和测量总光功率的参考通道)。为了满足一些应用、例如DC电光电压感测中的高准确性要求，必须保持多个通道之间的极良好相对稳定性(保护精度的~1-5%相对通道稳定性)，这是严重的实际挑战。

干涉测定传感器也能够使用如例如参考文献[8]中所述的调制相位检测(MPD)技术，均按照开环和闭环配置来构建。MPD技术一般在“非交互相位调制”方案中实现，并且通常用于光纤陀螺仪(FOG)和光纤电流传感器(FOCS)中([9、10])。共同拥有的专利US7911196 [11]描述一种按照结合电压感测元件(或者若干这类元件)、45°法拉第旋转器以及MPD调制和检测电子器件的反射配置的电压传感器。具有横向配置电压单元的类似系统能够见于[12]。

然而偏振测定光学相位测量通常要求从多个检测器所测量的光功率的比较，在MPD中，快速相位调制添加到待测量相移上，并且仅需要一个检测器来测量响应波形并且从其中计算相移。MPD相移计算与测量功率的绝对电平无关，并且因此对产生于低频振动和环境扰动的光功率波动(其可在不同检测器之间改变，但是不能改变检测器测量的波形的形状(只要扰动远小于调制频率))是固有地免疫的（immune）。

迄今，实际MPD传感器的设计采用“非交互相位调制”原理。这类传感器能够主要划分为两类：萨格纳克干涉计配置和反射配置。光学设计是交互的，意味着必须抵消在电路中的传播期间所累积的所有本征相移。但是，感测元件中的被测对象引起相移和由调制器所强加的相位调制是非交互的并且进行合计。为此，干扰波在到达检测器之前必须在相反方向上两次经过相位调制器和任何互连光纤。需要单模(偏振保持(PM))光纤往来于具有所定义相移(和偏振)的光学相位调制器传送波。对于信号处理，闭环和开环方案均被开发，以从测量波形提取被测对象引起相移，参见例如[8]。

交互设计的原理在所有实际MPD传感器中已是必不可少的，因为相位调制器和PM光纤两者中的本征相移对温度或应力扰动极为敏感。因此，在没有交互光学电路系统的情况下，简单MPD设备在现实世界环境中将不会可靠地工作，因为测量相移将会被环境扰动持续扰动。另一方面，采用交互设计，MPD传感器已经证明取得具有显著DC稳定性的优秀相位测量准确性。

实现全光纤装置、例如FOG或FOCS的交互光学设计相对简易，因为在这类装置中，光纤本身是感测媒介，并且各种光纤组件之间的高耦合效率能够通过标准拼接（splicing）可靠地实现。但是，对于其中感测元件不是光纤、而是例如块状元件的传感器，具有光纤耦合光学相位调制器的交互光学设计相当难以实现。那是因为，在经过块状光学感测元件之后，光必须被耦合回到单模光纤(反射配置中在感测元件之前的相同光纤)中，以及对于以高效率和可靠性那样做独自是相当大的技术挑战。