專利名稱：光導纖維傳感器系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明總體涉及傳感器陣列領域，特別涉及光導纖維傳感器系統(tǒng)及方法。
電傳感器系統(tǒng)的局限性和由纖維光學系統(tǒng)提供的改進已經有很好的文獻材料加以證明。而且，在傳感應用領域中使用光纖的概念也已經不新鮮了。美國海軍研究實驗室(NRL)是這一領域的領頭者，NRL和其他一些研究機構已經揭示了很多光學系統(tǒng)。例如，Gialorenzi的美國專利4,648,083描述了一種典型的纖維光學系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，等價于水下測音器中的聲壓的光學相位能被測量。此外，海軍研究生院的Hofler、Garrett和Brown揭示了纖維光學振動傳感器。普通的纖維光學傳感器由繞在芯子(參見Cielo等的美國專利4,525,818)或包在彎曲盤上(參見Hofler等的美國專利4,959,539)的纖維線圈構成。然后這些線圈固定在光耦合器上以構成干涉儀。在這些傳統(tǒng)的光學傳感系統(tǒng)中，通過干涉儀上的動作，正在被測量的物理現象直接被轉換成不同的光學相位。換句話說，聲壓或振動壓迫在干涉儀中產生光學相移的干涉儀臂。有些陣列需要延長通道組的長度，以便于獲得需要的信噪比。在拖成帶狀陣列的情形，很多水下測音器元件(通常是16個)電氣聯接在一起，使得在延長的長度上產生一個輸出。被延長了組長度的光學版本已經在Dandridge等人的美國專利5,668,779和Maas等人的美國專利5,317,544中描述。這些被延長的干涉儀制造起來相對復雜一些，并且很難分離出干涉儀的某些部分。
另一個光導纖維傳感器方法由基于傳感器的纖維布雷格光柵組成。布雷格光柵常常以不同方式用于測量已知現象。一種方法是把該光柵作為反射器使用，構成法布里-珀羅干涉儀。在這種情況下，可以測得光線在其相位方面的相似變化。第二種方法是布雷里光柵本身作為傳感器，光柵上的應變改變光柵的周期，而這又改變了從光柵反射的光線的波長。這里的波長變化與光柵上的應變成比例。
用以上兩種光導纖維傳感器的任何一種，都可以通過纖維光學測距法技術明顯改進傳感器陣列。然而，按這種方式的話，傳感器就會變得更加復雜，并且在大多數情形下，傳統(tǒng)的纖維光學系統(tǒng)生產的傳感器性能低和/或成本高。
根據本發(fā)明的一個方面，基于被測量的參數，傳感器產生的電信號能跨接在可以根據外加的電信號改變尺寸的材料兩端。光導纖維被耦合到該材料上，在這種材料中，材料的尺寸變化在光導纖維中產生應變。這種應變能被控制，使得它對穿過光導纖維的光線產生影響，從而產生用于纖維光學系統(tǒng)的光信號。在一個實施例中，傳感器可以是能產生與地音探測器本身的移動成比例的電信號的地音探測器。在另一個實施例中，傳感器可以是能產生與入射到水下測音器的聲壓成比例的電信號的水下測音器。能根據外加的電信號改變尺寸的材料也可以是例如壓電陶瓷柱、PVDF薄膜或者壓電聚合物材料。
本發(fā)明的一個技術優(yōu)點是，由傳感器產生的電信號能夠被轉化為在纖維光學系統(tǒng)中使用的光信號。
本發(fā)明的另一個技術優(yōu)點是，由激光器控制的光學發(fā)射和檢測系統(tǒng)能替代傳統(tǒng)電子傳感器陣列系統(tǒng)中的調節(jié)和預放大元件。這種功能可以通過把傳感器中的電子輸出信號轉換成光相位信號信息來實現。
本發(fā)明還有一個技術優(yōu)點是，能夠通過提供集高性能和低成本于一身并具有無源光學遙測系統(tǒng)之優(yōu)點的電子傳感器來克服現有系統(tǒng)的缺點。在水中，這種無源的特性可以消除許多由有源信號調節(jié)電子儀器或其它需要電力的光學結構引起的不足。
本發(fā)明的其他技術優(yōu)點應該能從附圖、說明書和權利要求書中明顯看出。
圖4是在被纏繞在PZT上的法布里-珀羅干涉儀中，使用單個纖維布雷格光柵將電信號轉換成為各種光學波長信息的系統(tǒng)的一個實施例的示意圖。
圖5是使用馬赫-曾德耳干涉儀將電信號轉換成為不同干涉相位的系統(tǒng)的一個實施例的示意圖，該干涉儀有一條臂固定在一片PVDF薄膜上；圖6A和6B是被轉換成干涉相位的電子傳感器總組的實施例示意圖；以及圖7是被轉換成干涉相位的電子傳感器的陣列結構的示意圖。
發(fā)明詳述

圖1是使用具有一條繞在PZT上的臂的馬赫-曾德耳干涉儀來將例如來自電子傳感器或傳感器總組的電信號轉換成為不同干涉相位的系統(tǒng)實施例的示意圖。正如圖中所示，傳感器10根據它正在測量的參數(例如速度或聲壓)生成相應的電壓輸出。然后把該輸出電壓施加到能根據外加輸出電壓改變尺寸(即收縮和膨脹)的材料12的兩端。光導纖維14纏繞在材料12上，并且根據材料12的尺寸變化發(fā)生應變。該系統(tǒng)還包括一根基準光導纖維16。如圖所示，為了構成干涉儀，光耦合器18能在20處熔接到敏感光導纖維14和基準光導纖維16上。
在一個實施例中，圖1的傳感器10可以使用常規(guī)的地音傳感器。地音傳感器通過在磁場中移動銅質線圈來測量振動的速度。這種移動在線圈中產生與移動量成比例的感應電壓。在這種實施中，從傳感器12輸出的電壓被直接導向壓電陶瓷柱12。一般來說，用于地震勘探應用的地音傳感器產生峰-峰值為一伏特的電壓輸出(雖然這可以通過改變銅線的匝數或磁場加以調整)。例如，把這個電壓施加到標準的壓電陶瓷柱(PZT)兩端將導致直徑一英寸、壁厚0.05英寸的PZT的平均直徑改變大約5nm/伏特。這種改變可被解釋為光導纖維14的長度每匝改變4.75Πnm。匝數可以變化，以便調節(jié)系統(tǒng)的光學尺度因子。干涉儀中的相關相位變化由以下方程給出△φ=2Π*n*(△l/λ)其中n為光纖的折射率，λ為光線的波長。
根據本發(fā)明，光導纖維干涉儀可以具有被纏繞在壓電陶瓷柱12上的一條臂，如圖1所示的。在操作中，從電子傳感器10(例如地音檢測器)輸出的信號被施加到壓電陶瓷12兩端。電子傳感器10的電壓輸出引起壓電陶瓷柱12膨脹和收縮，從而引起干涉儀中的敏感光導纖維14產生膨脹和收縮。這引起干涉儀中的相位相對于由電子傳感器12測量的參數成比例地變化。然后光信號可以和根據傳統(tǒng)方法從陣列中的其它傳感器產生的信號多路復用。
圖2是使用馬赫-曾德耳干涉儀將電信號轉換成為不同干涉相位的系統(tǒng)的一個實施例的示意圖，該干涉儀有兩個分別繞在以“推-拉”型結構與相反極性相連的PZT上的臂。與圖1中系統(tǒng)相反，采用了能根據外加的輸出電壓改變尺寸的第二決材料22，該第二塊材料以與材料12相反的極性連接到傳感器10的輸出電壓上，使得材料22鏡像材料12。例如，材料22可以是以上討論過的壓電陶瓷柱(PZT)。通過在材料22上纏繞基準纖維16并以相反極性把材料12和材料22連接起來，當光纖14膨脹時光纖16收縮，反之亦然。以這種結構，圖2的系統(tǒng)提供了一種用于將傳感器10的電輸出轉換為光信號的推-拉型結構，這里輸出的光信號將尺度因子增加到2倍。
圖3和圖4顯示增加了與信號轉換相關的纖維布雷格光柵的另一種方案的結構。根據本發(fā)明的思想，圖3示出在被繞在PZT上的法布里-珀羅干涉儀中使用纖維布雷格光柵將電信號轉換成為不同干涉相位的系統(tǒng)的一個實施例的示意圖。正如圖中所示，法布里-珀羅干涉儀是在兩個反射用的纖維布雷格光柵26和28之間建立的。照射到光纖30上的光線有一部分被第一個光柵26反射回去。光線繼續(xù)穿過纏繞在PZT柱12(或其它對電敏感的材料)上的光導纖維32，到達下一個光柵28并將被反射回去。由傳感器10(圖3中未顯示出來)產生在PZT12上的電壓在從光柵26和光柵28分別反射回來的各信號之間引起一個相位變化。因此圖3的系統(tǒng)把光柵26和光柵28作為反射器，構成一個法布里-珀羅干涉儀。
一般而言，用于法布里-珀羅干涉儀的包含光纖的光柵能被纏繞在PZT柱或其它對電敏感的材料上，使得兩個光柵分別位于柱的一邊。兩個光柵之間的光導纖維根據電子傳感器的輸出被加壓，而這種輸出本身引起在從兩個光柵反射回去的各信號之間測到的光線的相位產生變化。
圖4是在被繞在PZT上的法布里-珀羅干涉儀中使用單個纖維布雷格光柵將電信號轉換成為各種光學波長信息的系統(tǒng)的一個實施例的示意圖。如圖所示，具有集成的纖維布雷格光柵36的光導纖維38被連接在能根據由傳感器10(未在圖4中示出)外加給材料40(例如PZT)兩端的電壓輸出改變其尺寸的材料15上。從傳感器10施加給材料40兩端的電壓輸出導致布雷格光柵36中產生應變。這種應變引起光柵36的周期發(fā)生變化，而該變化又引起從光柵36中反射回來的光線波長發(fā)生變化。波長的變化又與傳感器10中輸出的電壓輸出成比例。因此，在操作過程中，光柵36作為傳感器，用于將傳感器10的輸出電壓轉換成為光學信號。
雖然在以上的實施例中使用了壓電陶瓷柱(PZT)來在光導纖維中引起應變，但這種PZT能夠由PVDF薄膜或其它具有尺寸變化或者電敏性質的材料替代。圖5是使用具有一個連接在PVDF薄膜上的臂的馬赫-曾德耳干涉儀根據本發(fā)明將電信號轉換成為不同干涉相位的系統(tǒng)實施例的示意圖。正如圖中所示，圖1中的PZT柱12由PVDF薄膜46(或者其它材料)替代。光導纖維44連接到材料46上，并且傳感器48的電信號輸出被施加到材料46兩端。傳感器48的電信號輸出在材料46中引起相應的變化，這種變化又使得光導纖維44產生應變。如圖5所示，材料46除了平放以外，也可以纏繞在芯軸上，或者根據實際應用的結構要求以其它方式放置。而且除了以上所述的干涉儀以外，諸如邁克爾遜干涉儀等其它類型的干涉儀也可以在此使用。
圖6A和6B是電子傳感器總組的實施例的示意圖。如圖6A所示，傳感器50可以包含一組并聯在一起的電子傳感器或者敏感元件52。同樣，正如圖6B所示，傳感器50可以包含一組串聯在一起的電子傳感器或者敏感元件52。在拖成帶狀陣列的情況下，十六個敏感元件構成的組52一般被擺成一個12.5米長的陣列，用以形成一個電信號輸出。雖然這種組時常被看成單個元件，但它和其它傳感器類型是通用的。
圖7是電子傳感器的一種陣列結構的示意圖，這種陣列結構具有一個濕端部分54(該陣列被放在水中)和一個干端部分56。干端部分56可以包含一個處理光信號的光電裝置。圖7的陣列結構由四個傳感器子組58組成，每個子組又包含四個傳感器60。傳感器60可以是一個傳感器，也可以是一個傳感器組(例如像圖6A和6B所示的傳感器組)。傳感器60連接于輸出的光信號62，并提供輸入光信號64。在所示的方案中，組58中的每一個傳感器60連接在同一個輸出光信號62上。在這同一個方案中，為了提供輸入光信號64，組58中的每一個傳感器60連接在不同的線上。這個裝配方案實際上是一個頻分復用的遙測裝置，例如象Gialorenzi的美國專利4,648,083所顯示和描述的那種。然而，各種其它光學遙測裝置也能被用于驅動一個N通道的陣列。
雖然已經詳細地描述了本發(fā)明，但應該了解的是，在不違背以下附屬權利要求書中限定的精神和范圍的條件下可以進行除此之外的各種變化、替代和修改。
權利要求
1．一種用于將電信號轉換成為纖維光學系統(tǒng)的光學信號的系統(tǒng)，包括基于被測量的參數產生電信號的傳感器；能根據外加的電信號改變尺寸的材料，其中的電信號由跨接在材料兩端的傳感器產生；以及被耦合到上述材料上的光導纖維，其中材料的尺寸變化在此光導纖維中產生應變；這種應變可被控制以影響通過光導纖維的光線，以便產生用于纖維光學系統(tǒng)的光學信號。
2．權利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，傳感器是地音探測器，該探測器產生與地音探測器的移動成比例的電壓輸出。
3．權利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，傳感器是水下測音器，該測音器產生與水下測音器的入射聲壓成比例的電壓輸出。
4．權利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，傳感器包括為了生成電信號而被連接在一起的一組敏感元件。
5．權利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，所述材料是壓電陶瓷柱。
6．權利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，所述材料是PVDF薄膜。
7．權利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，所述材料是壓電聚合物材料。
8．權利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，光導纖維是光學干涉儀的一個組成部分，并且光導纖維中產生的應變在該干涉儀中產生相位變化。
9．權利要求8的系統(tǒng)，還包括能根據外加的電壓改變尺寸的第二塊材料，傳感器的電壓輸出以相反極性方式連接在第二塊材料上；被耦合到上述第二塊材料上的第二根光導纖維，其中第二塊材料的尺寸變化在第二根光導纖維中產生應變；從而傳感器的電壓輸出在光導纖維中產生相反的尺寸變化。
10．權利要求8的系統(tǒng)，其特征在于，所述干涉儀是馬赫-曾德耳干涉儀。
11．權利要求8的系統(tǒng)，其特征在于，所述干涉儀是邁克爾遜干涉儀。
12．權利要求8的系統(tǒng)，其特征在于，所述干涉儀是法布里-珀羅干涉儀。
13．權利要求14的系統(tǒng)，其特征在于，所述干涉儀是使用布雷格光柵作為反射器的法布里-珀羅干涉儀。
14．權利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，光導纖維具有耦合于所述材料上的集成的布雷格光柵，并且光導纖維中產生的應變引起布雷格光柵的周期的變化，而該變化又改變了由布雷格光柵反射回來的光線的波長。
15．權利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，將光信號與從采用頻分復用技術的傳感器陣列得到的其它光信號多路復用。
16．權利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，將光信號與從采用波分復用技術的傳感器陣列得到的其它光信號多路復用。
17．權利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，將光信號與從采用時分復用技術的傳感器陣列得到的其它光信號多路復用。
18．權利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，將光信號與從采用頻分復用、波分復用和時分復用技術的混合技術的傳感器陣列得到的其它光信號多路復用。
19．一種用于將電信號轉換成為纖維光學系統(tǒng)的光學信號的系統(tǒng)，包括基于被測量的參數產生電信號的傳感器；根據外加的電信號改變尺寸的材料，該電信號由跨接在材料兩端的傳感器產生；以及一個干涉儀，其中材料的尺寸變化引起鏡像的移動，并且導致被反射的光學信號的強度產生變化。
20．權利要求19的系統(tǒng)，其特征在于，材料尺寸的變化導致鏡像的移動，并且導致被反射的光信號的相位產生變化。
21．一種用于將電信號轉換成為纖維光學系統(tǒng)的光學信號的方法，包括將由傳感器基于被測量的參數產生的電信號連接在能根據外加電信號改變尺寸的材料上；將光導纖維耦合于其尺寸變化能在光導纖維中產生應變的材料上；并且在光線通過光導纖維時，能依據光導纖維中的應變效應產生用于纖維光學系統(tǒng)的光信號。
22．權利要求21的方法，其特征在于，傳感器是地音探測器，該探測器產生與地音探測器的移動成比例的電信號。
23．權利要求21的方法，其特征在于，傳感器是水下測音器，該測音器產生與水下測音器的入射聲壓成比例的電信號。
24．權利要求21的方法，其特征在于，傳感器包括為了產生電信號而被連接在一起的一組敏感元件。
25．權利要求21的方法，其特征在于，所述材料是壓電陶瓷柱。
26．權利要求21的方法，其特征在于，所述材料是PVDF薄膜。
27．權利要求21的方法，其特征在于，所述材料是壓電聚合物材料。
28．權利要求21的方法，其特征在于，光導纖維是光學干涉儀的一個組成部件，并且在光導纖維中產生的應變在該干涉儀中產生相位變化。
29．權利要求28的方法，還包括將傳感器的輸出電壓以相反極性方式連接在能根據外加電壓改變尺寸的第二塊材料上；和將第二根光導纖維耦合到第二塊材料上，在此，第二塊材料的尺寸變化能在第二根光導纖維中產生應變；從而，傳感器的電壓輸出在光導纖維中產生相反的尺寸變化。
30．權利要求28的方法，其特征在于，所述干涉儀是馬赫-曾德耳干涉儀。
31．權利要求28的方法，其特征在于，所述干涉儀是邁克爾遜干涉儀。
32．權利要求28的方法，其特征在于，所述干涉儀是法布里-珀羅干涉儀。
33．權利要求32的方法，其特征在于，所述干涉儀是使用布雷格光柵作為反射器的法布里-珀羅干涉儀。
34．權利要求21的方法，其特征在于，光導纖維具有耦合于材料上的集成的布雷格光柵；并且光導纖維中產生的應變引起布雷格光柵的周期產生變化，而該變化又將改變由布雷格光柵反射回來的光線的波長。
35．權利要求21的方法，還包括將光信號與從采用頻分復用技術的傳感器陣列得到的其它光信號多路復用。
36．權利要求21的方法，還包括將光信號與從采用波分復用技術的傳感器陣列得到的其它光信號多路復用。
37．權利要求21的方法，還包括將光信號與從采用時分復用技術的傳感器陣列得到的其它光信號多路復用。
38．一種用于將電信號轉換成為纖維光學系統(tǒng)的光學信號的方法，包括將由傳感器基于被測量的參數產生的電信號連接在能根據外加的電信號改變尺寸的材料上；和將干涉儀耦合到其尺寸變化能引起鏡像的移動并導致被反射光學信號的強度產生變化的材料上。
39．權利要求38的方法，其特征在于，材料尺寸的變化導致鏡像的移動，并導致被反射的光信號的強度產生變化。
全文摘要
一種將電信號轉換為纖維光學系統(tǒng)的光信號的方法和系統(tǒng)。基于正被測量的參數通過傳感器(10)產生的電信號被跨接在能根據外加的電信號改變其尺寸的材料(12、34、40)上。光導纖維(14、30、38)被耦合到該材料(12、34、40)上,這些材料(12、34、40)的尺寸變化在光導纖維(14、30、38)中產生應變。這種應變能有效地對穿過光導纖維(14、30、38)的光線產生影響,從而產生用于纖維光學系統(tǒng)的光信號。傳感器(10)可以是地音探測器或者水下測音器,而可以根據外加電信號改變尺寸的材料(12、34、40)可以是壓電陶瓷柱、PVDF薄膜或者其它壓電聚合物材料。
文檔編號G02F1/21GK1288526SQ99802295
公開日2001年3月21日 申請日期1999年1月20日 優(yōu)先權日1998年1月23日
發(fā)明者J·B·邦恩, J·S·邦恩, J·M·耶斯凱萊伊寧, S·J·馬爾斯 申請人:石油大地服務(美國)有限公司