[发明专利]一种光纤干涉仪臂长差的测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种光纤传感器性能测量装置，本发明还涉及一种光纤传感器性能测量方法。具体地说是一种光纤干涉仪臂长差的测量装置及测量方法。

背景技术

随着光通讯技术的发展，光纤传感技术由于其不受电磁干扰、结构紧凑和灵敏度高等优点，也得到了迅速的发展。Mach-Zehnder型干涉仪(如图4)和Machelson型干涉仪(如图5)作为主要的传感元，可直接用于检测水声、电流、磁场、温度等物理量。目前的光纤干涉仪可以根据两臂臂长差是否相等分为平衡型和非平衡型两种，平衡型光纤干涉仪由于其零臂差结构可以有效减小噪声。但是在频率调制相位发生载波系统中，为了利于信号处理光纤干涉仪要有臂差。而且光纤干涉仪的主要传感原理为：被测信号作用于光纤干涉仪的一臂引起臂长的改变，导致光纤内的光波的相位发生变化，而位相的改变会导致干涉后的输出光强发生变化，检测输出光强的变化就可以得到待测信号的信息。所以干涉仪的臂长差决定了传感器的性能与灵敏度。综上所述，精确测量光纤干涉仪臂长差具有非常重要的意义。

目前测量光纤干涉仪臂长差的方法主要有以下几种：电流调制和观察干涉仪条纹可见度法、白光干涉法、时域脉冲法、干涉仪干涉谱观测法、光载微波法等方法。1983年英国的Dandridge在IEEE Journal of LightwaveTechnology.1(3)：514-516上发表文章“Zero Path-Length Difference in Fiber-Optic Interferometers”提出电流调制和观察干涉条纹的方法，该方法首先通过电流来调制光源，利用干涉输出强度与调制电流的关系计算长度大于10mm的臂长差，如果被测臂长差的长度大于10mm，则利用观察干涉条纹，通过查看条纹间距的方法测量，这种方法相对来说技术比较复杂。白光干涉法的基本原理是：在白光干涉仪的一臂末端接上扫描镜，另一臂接被测光纤干涉仪，通过移动扫描镜来引入参考臂长，当参考臂长分别等于被测光纤干涉仪两臂长时，出现的反射峰值最大，分别读出当时的扫描镜距离就可以得出被测光纤干涉仪的臂长差。2007年哈尔滨工程大学杨军等人发表在哈尔滨工程大学学报.28(8)：740-742的文章“光纤Mach-Zehnder干涉仪臂长差的精确测量”利用这种方法，达到了10微米的测量精度，但是这种方法的测量长度主要受限于扫描台的扫描范围，所以可测量的臂长差的长度较短。时域脉冲法的主要原理为：将飞秒激光器输出的光注入被测干涉仪，通过使用高速信号采集仪在信号输出端测量从两臂反射回的信号的时间差，来达到测量光纤干涉仪两臂臂长差的目的。飞秒激光器和高速信号采集仪都比较昂贵，所以使得这种方法的成本非常高。干涉仪干涉谱观测法主要是利用光谱仪观测宽谱光的干涉图像，获得相邻谷值或峰值所对应的波长计算得到光程差。2005年黑龙江大学的余有龙等人发表在黑龙江大学自然科学学报.22(2)：216-218上的文章“非平衡全光纤干涉仪臂长差测量方法的研究”利用这种方法，实现了20微米的测量精度。但是这种测量方法依赖于光谱仪的分辨率，并且和工作波长有关，所以无法测量较长的臂长并且高分辨率光谱仪成本较高。2010年吕武略等人公开了一种光载微波的方法(中国专利申请号：201010603812.5)，通过将臂长差信号调制到光载微波的相位上，解调微波的相位达到了测量臂长差的目的。这种方法的测量范围比较广，能提供较高的测量精度，但是由于引入微波扫频源、高速光电探测器等装置，使得结构稍显复杂，并且成本相对较高。PGC零差调制法需要在光纤干涉仪两臂加上不同的电压来补偿两臂的臂长差，通过测量电压差值计算得出光纤干涉仪两臂的臂长差。由于需要给光纤干涉仪两臂加电压，所以这种方法存在破坏传感器的风险，无法应用于已经封装成型的如水听器等传感装置的臂长差测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、可自动定标、测量范围广和测量精度高的光纤干涉仪臂长差的测量装置。本发明的目的还在于提供一种光纤干涉仪臂长差的测量方法。

本发明的光纤干涉仪臂长差的测量装置包括激光光源模块10、被测光纤干涉仪模块20、参考干涉仪模块30和采集与控制模块40；

所述的光源模块由可调谐激光光源101、分布式反馈激光器102、第一光隔离器103、第二光隔离器103’和1×2光纤耦合器104构成；