專利名稱：寬帶光纖加速度計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖振動(dòng)傳感器，具體地涉及一種把響應(yīng)負(fù)荷物質(zhì)(loadmass)振動(dòng)的光束進(jìn)行相位調(diào)制的傳感器。
目前從西屋公司及ASEA公司得到的現(xiàn)有技術(shù)的光纖振動(dòng)傳感器提供較窄的帶寬。西屋公司的振動(dòng)傳感器用由共振調(diào)諧的彈簧片所載的振動(dòng)屏擋住來(lái)自光纖的光束。ASEA公司的傳感器以鏡面方式將同樣具有共振工作點(diǎn)的懸臂梁的光進(jìn)行反射。在ASEA的傳感器中產(chǎn)生光束幅度調(diào)制，因?yàn)閺澢膽冶哿耗軌蚵┑粢徊糠止?亦即尚未被反射回光纖的光)。因?yàn)楣舱裾{(diào)諧，這些傳感器在其窄帶內(nèi)可以是極度非線性的，因此，如果檢測(cè)光束的監(jiān)測(cè)器未被適當(dāng)?shù)貥?biāo)定，則需要對(duì)加速度計(jì)產(chǎn)生的加速度信號(hào)使用非線性放大器和濾波器。這些現(xiàn)有技術(shù)傳感器還有12-36%的溫度漂移系數(shù)，這使它們?cè)跍囟茸兓沫h(huán)境下不實(shí)用。
本發(fā)明的一個(gè)目的是生產(chǎn)一種帶寬很寬的傳感器。本發(fā)明的另一目的是生產(chǎn)一種不受溫度漂移影響的傳感器。下面所述的是一種價(jià)格低的加速度計(jì)，(ⅰ)它不要外部能源，(ⅱ)它在整個(gè)帶寬內(nèi)是線性的，因此不需要那些造價(jià)昂貴的非線性校正的放大器和濾波器，(ⅲ)該加速度計(jì)可在高電位下使用。
本發(fā)明中使用一種振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)上述各個(gè)目的，該振動(dòng)傳感器使用一個(gè)壓電晶體對(duì)一激光光束的相位進(jìn)行電氣調(diào)制。利用已調(diào)制光束與非調(diào)制參考光束之間的相位差來(lái)確定加速度。
廣泛形式的本發(fā)明在于一個(gè)用以測(cè)量負(fù)荷振動(dòng)和加速度的光纖監(jiān)測(cè)器，這種型式的光纖監(jiān)測(cè)器用一根光纖傳輸與被測(cè)振動(dòng)相應(yīng)的信號(hào)，該監(jiān)測(cè)器包括用以產(chǎn)生響應(yīng)負(fù)荷的加速度的加速度信號(hào)的傳感裝置。其特征在于用以改變響應(yīng)加速度信號(hào)的光纖光束的相位角特性的裝置。
為了便于理解本發(fā)明和易于把它付諸實(shí)踐，下面僅舉例並用


最佳實(shí)施例。
圖1表示本發(fā)明實(shí)施例的光纖加速度計(jì)的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。
圖2表示圖1中的傳感器24的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
圖3描述給加速度信號(hào)加偏置的框圖。
圖4也描述使振動(dòng)信號(hào)偏置的系統(tǒng)。
圖5表示出使加速度信號(hào)偏置的另一種方法。
圖6表示一個(gè)消除由機(jī)械作用引起的低頻相位漂移的系統(tǒng)。
圖7表示一個(gè)消除低頻機(jī)械作用並使振動(dòng)傳感器24的靈敏度提高一倍的系統(tǒng)。
圖1表示出一種使用常規(guī)的激光器12和常規(guī)的光學(xué)相位漂移檢測(cè)器14的負(fù)荷物質(zhì)10的寬帶加速度傳感系統(tǒng)。從位于加利福尼亞州的SanJose的光譜二極管實(shí)驗(yàn)室公司可以得到合適的常規(guī)的激光器12，型號(hào)如SDL-2402-Hz，而常規(guī)的檢測(cè)器14如在光纖陀螺里用的是較好的。激光器12發(fā)出相干光束，該光束通過(guò)光纖16傳輸?shù)匠Ｒ?guī)的分束器18。被分光束的一半經(jīng)常規(guī)的光纖20傳輸?shù)较嘁茩z測(cè)器14並被用作參考光束，將與振動(dòng)相應(yīng)的相移光束與該參考光束比較以確定振動(dòng)。該比較過(guò)程基本上是一種加法運(yùn)算，在該運(yùn)算中把參考光束加到相位調(diào)制的傳感光束上以便剩下加速度信號(hào)。例如，Sin(ωt+φ)+Sin(ωt)＝2Cosφ/2Sin(φ/2+ωt)，其中上方程等號(hào)右邊的第一項(xiàng)用于確定相移φ的大小。分束器18使另外的分光束(傳感光束)通過(guò)光纖22傳輸?shù)揭粋€(gè)與負(fù)荷物質(zhì)10物理上耦合的振動(dòng)傳感器24。傳感器24包括一個(gè)常規(guī)的壓電晶體26，它可以從位于加利福尼亞州的San Juan Capistrano的Endevco公司得到。該晶體產(chǎn)生出響應(yīng)負(fù)荷物質(zhì)10引起的晶體的壓縮的膨脹或彎曲的電信號(hào)?？梢允褂昧硗庖恍┱駝?dòng)傳感器，如速度傳感器，只要它們產(chǎn)生大約1伏的信號(hào)就行。晶體26的頻率響應(yīng)范圍大約為1赫茲到幾百兆赫茲。把晶體26產(chǎn)生的電信號(hào)加到一個(gè)相位調(diào)制器28上如系列號(hào)為947的接線式(amphenol)LINI GUIDE相位調(diào)制器。相位調(diào)制器28產(chǎn)生出一個(gè)相位調(diào)制的光束，該光束經(jīng)光纖30傳輸?shù)焦鈱W(xué)相移檢測(cè)器14。壓電晶體26及相位調(diào)制器28相結(jié)合構(gòu)成一個(gè)在溫度范圍20℃到100℃內(nèi)溫漂為零的傳感器24。傳感器24的尺寸一般小于1Cm3，並且能夠產(chǎn)生出頻率范圍寬到幾百兆赫的線性加速度信號(hào)。在工作期間，相移檢測(cè)器14再產(chǎn)生出壓電晶體26的電信號(hào)，並把這個(gè)再生信號(hào)再處理成與壓電晶體26直接產(chǎn)生的信號(hào)一樣的信號(hào)。由于由晶體26產(chǎn)生的電壓對(duì)較低頻率而言是較低的，因而在低頻處，需要對(duì)檢測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行某種線性化處理。這種補(bǔ)償可由本領(lǐng)域的那些普通技術(shù)人員根據(jù)具體的應(yīng)用予以提供。
圖2表示壓電晶體26和負(fù)荷物質(zhì)10結(jié)合為一體的相位調(diào)制器28的詳細(xì)情況。由光波導(dǎo)22加到調(diào)制器28上的光呈TE模(橫向電場(chǎng)模)，並用光纖連接器40把該光耦合到調(diào)制器28上。光纖連接器40把光纖22連到在鈮酸鋰基質(zhì)44上形成的擴(kuò)散鈦的波導(dǎo)42上。該光束是相位調(diào)制的，它通過(guò)連接到晶體26上的導(dǎo)體48把電壓加到兩個(gè)電極46上。波導(dǎo)42從連接器50耦合到光纖30上。部件40-46及50是上述最佳調(diào)制器28的所有零件。在工作期間，晶體26產(chǎn)生出一個(gè)電壓以響應(yīng)負(fù)荷10作用到晶體26上的力，該電壓使電荷轉(zhuǎn)移到調(diào)制器28的電極46上。光波導(dǎo)42兩端的電壓在波導(dǎo)內(nèi)形成一個(gè)改變材料折射率的強(qiáng)電場(chǎng)。折射率的這種變化引起光傳播速度變化，從而產(chǎn)生該光束相對(duì)參考光束相位移。因?yàn)楣馐南辔缓屑铀俣刃盘?hào)，所以該信號(hào)與光源強(qiáng)度無(wú)關(guān)。
采用如圖3所示的系統(tǒng)可以向被調(diào)制的光束提供一個(gè)DC(直流)偏壓。在壓電晶體26和相位調(diào)制器28之間的兩根導(dǎo)線中的一根導(dǎo)線上把電池60連到相位調(diào)制器28上。該電池60給出一個(gè)恒定的相位移偏壓。如果沒有電池偏壓，則相位移每個(gè)周期有兩次過(guò)零。檢測(cè)器14將產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)過(guò)整流的波動(dòng)信號(hào)。該電池偏壓將使檢測(cè)器輸出信號(hào)總是正的，並還提高低頻振動(dòng)信號(hào)的輸出信號(hào)電平。因?yàn)殡姵?0不向相位調(diào)制器28或晶體26輸出凈功率，所以電池60的壽命很長(zhǎng)。
圖4表示第二種加偏壓方式，它用從第三個(gè)光源(如另外一根光纖62)來(lái)的光波常規(guī)的硅光電池64向壓電晶體26的一引線加偏壓。使用光電池64不僅能施加恒定的DC式相位移偏置以使光學(xué)片加偏壓，而且能標(biāo)定經(jīng)過(guò)光纖62傳輸?shù)墓庑盘?hào)，以標(biāo)定和測(cè)試傳感器24。還可把光電池64用于交流(AC)調(diào)制DC偏壓，以便在壓電晶體信號(hào)上產(chǎn)生拍頻。由于光電池64基本上驅(qū)動(dòng)一個(gè)無(wú)限小阻抗，所以不需要由光纖62輸送功率。
圖5表示使用一個(gè)與振動(dòng)信號(hào)電隔離的系統(tǒng)隨著標(biāo)定信號(hào)產(chǎn)生出偏壓信號(hào)的第三種方法。該系統(tǒng)使用兩個(gè)串聯(lián)的相位調(diào)制器66及68。由于含有兩對(duì)電極46提供了一個(gè)有兩個(gè)輸入端的器件，所以可從內(nèi)部改變了現(xiàn)用的調(diào)制器。使用圖5所示系統(tǒng)，由于經(jīng)光電池64向傳感器提供反饋信號(hào)，結(jié)果如晶體26在光中引入的相位移連續(xù)地加偏壓，以維持住由于相位移在最靈敏區(qū)域內(nèi)引起的振動(dòng)從而能使性能得到改善。例如，如果由偏壓產(chǎn)生180°相位移，則兩光束幾乎互相抵銷，由晶體26引起的微小相位移幾乎不能檢測(cè)出。最好的偏壓往往是使偏壓和振動(dòng)相位移的光束相對(duì)于參考光束保持大約90°相位差。
如果光纖受到機(jī)械應(yīng)力，該機(jī)械應(yīng)力能在光束中產(chǎn)生低頻相位漂移噪聲，如圖6所示的系統(tǒng)基本上可以消除這類噪聲。在該系統(tǒng)中，光纖20、22和30到傳感器24和從傳感器24到檢測(cè)器14經(jīng)過(guò)相同的或并行的物理路程，因此，參考光束和傳感光束經(jīng)歷相同的相位移。由于常規(guī)的光纜至少有三根光纖，所以常規(guī)的光纜特別適合于減少因機(jī)械應(yīng)力在光纖上引起的噪聲以及傳送DC偏壓和標(biāo)定光束。
圖7表示出的一個(gè)系統(tǒng)不僅消除機(jī)械偏壓噪聲，而且使傳感器靈敏度提高一倍。在該系統(tǒng)中從激光器12發(fā)出的光束由分束器18分束並用常規(guī)的分束器70及72再分束。被分的光束之中的一束(信號(hào)傳感光束)經(jīng)過(guò)傳感器24，並被常規(guī)的反射器74反射，而被分光束(參考光)的并行物理路徑被常規(guī)的反射器76在同一部位反射。從反射器74返回的光束經(jīng)傳感器24返回，因此它被負(fù)荷10的振動(dòng)進(jìn)行兩次相位調(diào)制。把這個(gè)兩次相位調(diào)制的傳感光束和參考光束一起加到檢測(cè)器14。
從這些詳細(xì)地說(shuō)明可以清楚地看出本發(fā)明的許多特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，由于對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的那些技術(shù)人員而言還能做出各種修改和變動(dòng)，因此不希望把本發(fā)明限制在所述的嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)和描述的工作過(guò)程之中。因此，所有的適當(dāng)?shù)男薷暮偷韧锒颊J(rèn)為是在本發(fā)明的范圍以內(nèi)的。
權(quán)利要求
1.一種用以測(cè)量負(fù)荷振動(dòng)和加速度的光纖監(jiān)測(cè)器(24)，它是那種用光纖傳送相應(yīng)于被測(cè)振動(dòng)的這種類型的監(jiān)測(cè)器，該監(jiān)測(cè)器包括傳感裝置(26)，用以產(chǎn)生相應(yīng)于負(fù)荷加速度的加速度信號(hào)，其特征是裝置(28)，用以改變相應(yīng)于該加速度信號(hào)的光纖光束的相位的角特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測(cè)器，其中所述的傳感裝置包括耦合到負(fù)荷上的一個(gè)壓電晶體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測(cè)器，其中所述的用以改變相位角的裝置包括一個(gè)光學(xué)相位調(diào)制器形式的調(diào)制裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測(cè)器，它還包括偏壓裝置(60、64)用以給加速度信號(hào)加偏壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的監(jiān)測(cè)器，其中所述的偏壓裝置包括連接在所述的傳感裝置和所述的調(diào)制裝置之間的一個(gè)電池(60)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的監(jiān)測(cè)器，其中該偏壓裝置包括一個(gè)產(chǎn)生偏置光束的光源;和一個(gè)與所述光源連接的光電池，所述光源連接在所述的傳感裝置和所述的調(diào)制裝置之間，該光電池由該偏置光束照射。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的監(jiān)測(cè)器，其中所述的偏壓裝置包括連到所述的調(diào)制裝置上的一個(gè)相位調(diào)制器;一個(gè)用以產(chǎn)生偏置光束的光源;和與所述光源相連接的一個(gè)光電池，所述光電池與所述的相位調(diào)制器連接，並用由所述的偏置光束照射。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測(cè)器，它還包括偏壓和標(biāo)定裝置，用以給加速度信號(hào)加偏壓，並產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)定信號(hào);
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的監(jiān)測(cè)器，其中所述的光源包括產(chǎn)生光束的一個(gè)激光器;和一個(gè)檢測(cè)器，它與所述的調(diào)制裝置相連接，用以檢測(cè)光束相位調(diào)制;
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，它還包括在所述激光器相連接的分束器;在所述分束器與所述檢測(cè)器之間連接的一個(gè)第一光纖;在所述分束器與所述調(diào)制裝置之間連接的一個(gè)第二光纖，所述的第一和第二光纖在所述的分束器和所述調(diào)制裝置之間具有并行的路徑，和連接在所述的調(diào)制裝置和所述的檢測(cè)器之間連接的一個(gè)第三光纖，所述的第一和第三光纖在所述的調(diào)制裝置和所述的檢測(cè)器之間具有并行的路徑。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，還包括一個(gè)與所述的激光器連接的第一分束器，用以產(chǎn)生參考光束和傳感光束;一個(gè)與所述第一分束器和所述檢測(cè)器連接的並傳輸參考光束的第二分束器;一個(gè)與所述第一分束器、所述檢測(cè)器和所述調(diào)制裝置連接的第三分束器，使傳感光束經(jīng)過(guò)所述調(diào)制裝置進(jìn)行傳輸;一個(gè)與該第二分束器連接的第一反射器，把該參考光束反回到所述的第二分束器，所述的第二分束器把被反射的參考光束傳輸?shù)剿龅臋z測(cè)器;和一個(gè)與該調(diào)制裝置連接的第二反射器，傳感光束經(jīng)所述調(diào)制裝置反回到所述的第三分束器，所述的第三分束器把被反射的傳感光束傳輸?shù)剿龅臋z測(cè)器。
全文摘要
一種振動(dòng)傳感監(jiān)測(cè)器24用壓電晶體26通過(guò)相位調(diào)制器28電調(diào)制激光束相位，從而形成一種線性相位調(diào)制的光束。電池可以提供一個(gè)直流偏壓，而另一光電池可以提供直流偏壓及標(biāo)定信號(hào)，用一個(gè)反射器讓光兩次通過(guò)傳感器24，可以使傳感器24的靈敏度提高一倍。讓載有參考光束及信號(hào)傳感光束的光纖20、22及31通過(guò)相同的物理路程，可以消除機(jī)械應(yīng)力作用引起的噪聲。
文檔編號(hào)G01H9/00GK1038701SQ89104098
公開日1990年1月10日 申請(qǐng)日期1989年6月9日 優(yōu)先權(quán)日1988年6月20日
發(fā)明者邁克爾·特威道克利彼 申請(qǐng)人:西屋電氣公司