專利名稱：傳感方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及用于檢測溫度和壓力起伏的光纖干涉儀。尤其涉及用恰當(dāng)?shù)恼{(diào)制光信號驅(qū)動干涉儀并獲取感測信息的方法和裝置。
背景技術(shù)：
光纖干涉儀由兩根光纖組成，光纖的端部連接在一起，使得光可以從公共的輸入端口進入此兩光纖，并從公共輸出端口輸出。感測過程包括用在輸入端口引入的光來驅(qū)動干涉儀，并檢測從輸出端口出射的光功率。相互分開的兩根光纖受它們所處環(huán)境干擾的不同影響，并且通過兩根光纖傳播的光波會因它們所處的不同環(huán)境特征而出現(xiàn)幅度和相位變化。輸出端口處組合光波功率的量值會反映這些幅度和相位變化，并且可以用來感測環(huán)境干擾。
用未經(jīng)調(diào)制的光來驅(qū)動干涉儀會使得在干涉儀的輸出處對幅度和相位變化的檢測極其困難，這是因為需要極其穩(wěn)定的電子電路。為了避免這一問題，進入干涉儀的光通常經(jīng)相位調(diào)制，從而使要求的環(huán)境相位和幅度變化看上去是載波頻率的邊帶。這一方法在采用單個干涉儀時是可行的。然而，時分多路復(fù)用模式下驅(qū)動數(shù)個干涉儀的難處在于對于解調(diào)過程來說需要準確地重現(xiàn)模擬調(diào)制信號。
發(fā)明概述本發(fā)明揭示了一種在光波通過一個或多個二路徑對中每一對傳播以后確定光波的相位差的方法和裝置，一個二路徑對是將一個公共入口點與一個公共出口點相連的兩條光學(xué)傳輸路徑。在預(yù)定的持續(xù)時間內(nèi)將具有預(yù)定持續(xù)時間的相干光脈沖饋送到一組二路徑中每一個二路徑對的入口點，將脈沖持續(xù)時間劃分為多個預(yù)定的時間段。在每一時間段內(nèi)的光具有不同的頻率。二路徑對的出口點處的光脈沖被延遲了一個預(yù)定的時間增量，并且隨后被組合成一組合光信號。將組合光信號變換成電信號，電信號的幅度是時間的函數(shù)，正比于也是時間函數(shù)的組合光信號的功率。每一個二路徑對的相位差是根據(jù)電信號的幅度值來確定的。
附圖簡述

圖1是本發(fā)明第一個實施例的方框圖。
圖2是本發(fā)明第二個實施例的方框圖。
圖3描繪的是與本發(fā)明第一個實施例運行相關(guān)的波形。
圖4描繪的是與本發(fā)明第二個實施例運行相關(guān)的波形。
實施本發(fā)明的最佳模式圖1示出的是感測電路陣列11的較佳實施例。激光器13通過光纖向相位調(diào)制器15提供相干光。處理器17向相位調(diào)制器15提供調(diào)制信號，使得從相位調(diào)制器周期地發(fā)出具有持續(xù)時間T(X)的具有恒定幅度的光脈沖，其中，X表示一特定的結(jié)構(gòu)。在每一時間段內(nèi)，通過用特定斜坡電壓驅(qū)動相位調(diào)制器15，處理器17還使得光的頻率在相繼的相等脈沖段內(nèi)具有多個不同值。光通過相位調(diào)制器15時，光頻率的變化正比于驅(qū)動信號的時間變化率。通常，脈沖有三到四個時間段，T(X)通常為500納秒左右。
從相位調(diào)制器15出射的光脈沖驅(qū)動N個相同的傳感電路19。每一傳感電路19具有端部連接在一起的光纖21和23的二路徑對。兩光纖的長度不同，相當(dāng)于時間Δt。二路徑對在輸入端25處與輸入端口27相連，在輸出端29處與輸出端口31相連。輸入端口27還與輸入行輸出端口33相連。輸入端25和輸入行輸出端口33之間的功率分配成1比N或更大的比例。輸出行輸入端口35還與輸出端口31相連。通常，傳感電路(n-1)和(n)由光纖41和43光學(xué)地連接在一起，光纖41和43的總長度相當(dāng)于T(X，n)的傳播時間。對于所有的n值，脈沖長度T(X)小于或等于T(X，n)。
進入傳感電路(1)的輸入端口27的光脈沖在N個傳感電路間分開，而來自N個傳感電路的N個脈沖組合并進入光檢測器45的輸入端口。由于T(X)≤T(X，n)，進入光檢測器45的N個脈沖是不重疊的。光檢測器45將輸入光信號轉(zhuǎn)換成輸出電信號，電信號的幅度是時間的函數(shù)，正比于也是時間函數(shù)的輸入光功率。光檢測器45的輸出進入處理器17，處理器17確定通過二光纖傳播的光波的相位差，光纖包含每一傳感電路19中的每一個二路徑對20。
當(dāng)光頻率為F(p)(p是表示特定頻率的整數(shù))時，與來自傳感電路n對應(yīng)的光的厚度是當(dāng)受到95克/英寸2(15.5g/cm2)的壓負荷時紙的厚度。
B.分子量測定聚合物的主要區(qū)別特征是其分子大小。使聚合物能用于各種各樣的用途中的諸性質(zhì)幾乎完全來自其大分子性。為了充分表征這些材料，必不可少的是具有某些定義與測定其分子量和分子量分布的方法。更適當(dāng)?shù)氖鞘褂眯g(shù)語相對分子量而不是絕對分子量，但是在聚合物技術(shù)中更通常的是使用后者。測定分子量分布并非總是實際的。然而，使用色譜法正成為更普通的做法。相反，用術(shù)語平均分子量來表示分子大小是自利的。
平均分子量如果我們假設(shè)簡單的分子量分布用它來代表具有相對分子量(Mi)的各分子的重量分數(shù)(Wi)的話，就有可能定義幾種有用的平均值?；谔囟ù笮?Mi)的分子數(shù)目(Ni)進行平均而得到數(shù)均分子量

此定義的重要意義在于用克表示的數(shù)均分子量含有阿伏伽德羅數(shù)目的分子。這種定義的分子量是與單一分散分子的分子量相一致的，所謂的單一分散分子是具有相同分子量的分子。公認的更重要的意義是，如果在給定質(zhì)量的多分散聚合物的分子數(shù)能以某些方式測定的話，那么n能被方便地計算出。這是依數(shù)性測定的基礎(chǔ)。
對給定質(zhì)量(Mi)的分子的重量分數(shù)(Wi)進行平均導(dǎo)致重均分子量的定義

w與n相比是更有用的表達聚合物分子量的方式，因為它更準確地反映聚合物的諸如熔體粘度和機械性質(zhì)等性質(zhì)，因此它用在本發(fā)明中。
C.填料粒徑的測定如圖2所示，可以將幾個由激光器驅(qū)動的傳感電路陣列復(fù)接起來，并采用相同的光檢測器和處理器。傳感電路51和53分別具有各自的激光器55和57，和各自的相位調(diào)制器59和61，但共用一個光檢測器63和處理器65?？梢酝ㄟ^幾種途徑來完成兩個傳感電路陣列運行的多路復(fù)用。一種方式如圖3所示，圖中示出了與傳感電路陣列51相關(guān)的光脈沖67和與傳感電路陣列53相關(guān)的光脈沖69的時分多路復(fù)用，從而不會相互干擾。離開相位調(diào)制器59的脈沖71后面是離開脈沖調(diào)制器61的脈沖75。選擇二傳感電路陣列的時序T(X，n)使得在光檢測器63處出現(xiàn)的與傳感電路陣列51相關(guān)的脈沖73和與傳感電路陣列53相關(guān)的脈沖77不會重疊。組成脈沖串73和77的各個脈沖幅度隨時間段的變化是由于光頻率的逐段變化。
復(fù)接的另一種方法是如圖4所示的碼分形式。與傳感電路陣列51相關(guān)的脈沖79是一個四時間段脈沖，并且是與傳感電路陣列53相關(guān)的脈沖81的持續(xù)時間的四分之一。脈沖81也是一個四時間段脈沖。脈沖持續(xù)時間的比例是有意使之等于脈沖的時間段數(shù)的。選擇傳播時間T(51，n)和T(53，n)，使得出現(xiàn)在光檢測器63處來自傳感電路53的每一段脈沖83與來自傳感電路陣列51的脈沖85重合。由于脈沖段83在脈沖83的每一段中簡單地加入了一個恒定的功率，所以恒定頻率光脈沖段83的存在不會影響與脈沖85有關(guān)的相位2πF(0)Δt+Δφ的確定。相反，如果ΔFΔt等于1/4，那么對于每一段83，脈沖85的平均功率將是恒定的，并且可以用上述算法來確定與每一脈沖83相關(guān)的相位2πF(0)Δt+Δφ。
若對每一個脈沖串在其合適的取樣時間段內(nèi)功率的積分平均值為常數(shù)，則這些脈沖串就稱為是相互“正交”的，于是就可以采用任何一種脈沖段持續(xù)時間的組合。
上文中對本發(fā)明實施例的描述是針對由兩個光纖的二路徑對進行的。然而實際上，本發(fā)明的原理可以適用于任何一種光傳輸機構(gòu)，只要是該機構(gòu)可以將光波在一個入口點處分成兩部分，隨后沿具有不同長度的不同路徑行進到一個出口點再組合起來。
權(quán)利要求
1.一種具有標記為A的結(jié)構(gòu)的傳感裝置(A)，其特征在于，它包含具有控制輸入端口、光輸入端口和光輸出端口的光調(diào)制器(A)，光調(diào)制器(A)的光輸入端口適宜于接收相干光束；一個或多個傳感電路(A，n)，n的值表示特定傳感電路，n取1到N的整數(shù)，N等于或大于1，每一傳感電路(A，n)具有輸入端口、輸出端口、零個或多個輸入行輸出端口、零個或多個輸出行輸入端口以及由從所述輸入端口到輸出端口的兩個光學(xué)傳輸路徑組成的二路徑對，光調(diào)制器(A)的光輸出端口與傳感電路(A，1)的輸入端口光學(xué)相連，如果N和n大于1則傳感電路(A，n-1)的輸入行輸出端口由光學(xué)傳輸介質(zhì)(A，n，1)與傳感電路(A，n)的輸入端口光學(xué)相連，如果N和n大于1則傳感電路(A，n)的輸出端口由光學(xué)傳輸介質(zhì)(A，n，2)與傳感電路(A，n-1)的輸出行輸入端口光學(xué)相連，光學(xué)傳輸介質(zhì)(A，n，1)和光學(xué)傳輸介質(zhì)(A，n，2)的組合代表T(A，n)的傳播時間；光檢測器具有一個或多個輸入端口和輸出端口，進入一個或多個輸入端口的光被組合起來，傳感電路(A，1)的輸出端口與光檢測器的輸入電路光學(xué)相連，所述光檢測器在其輸出端口處產(chǎn)生一個電信號，所述電信號的幅度是時間的函數(shù)，正比于也是時間函數(shù)的組合輸入光；處理器具有一輸入端口、一個或多個控制輸出端口以及一數(shù)據(jù)輸出端口，光檢測器的輸出端口與所述處理器的輸入端口相連，所述處理器的一個或多個控制輸出端口與光調(diào)制器(A)的控制輸入端口相連，處理器使得具有持續(xù)時間T(A)的光脈沖周期地從光調(diào)制器(A)的光輸出端口出射，T(A)等于或小于所有n大于1的值時的T(A，n)，在光脈沖期間光頻率具有多個不同F(xiàn)(A，p)值，p取標識多個不同值的整數(shù)值，當(dāng)光頻率是F(A，p)時傳感裝置(A)產(chǎn)生的光檢測器的輸出P(A，n，p)表示，n表示特定的傳感電路，處理器用P(A，n，p)的值確定含有兩個路徑對的兩個光路徑的相位差，在所述處理器的輸出端口處提供所述相位差。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感裝置，其特征在于，通過每一個二路徑對的兩個路徑的光波的傳播時間差是預(yù)定值Δt(A，n)，F(xiàn)(A，p)＝F(A，0)+pΔF，其中，F(xiàn)(A，0)是參考頻率，而ΔF是預(yù)定的頻率增量。
3.如權(quán)利要求2所述的傳感電路，其特征在于，p取在脈沖期間任何順序的三個連續(xù)的整數(shù)值。
4.如權(quán)利要求3所述的傳感裝置，其特征在于，ΔFΔt(A，n)通常等于1/4。
5.如權(quán)利要求2所述的傳感裝置，其特征在于，p取在脈沖期間任何順序的四個連續(xù)的整數(shù)值。
6.如權(quán)利要求5所述的傳感裝置，其特征在于，ΔFΔt(A，n)通常等于1/4。
7.如權(quán)利要求6所述的傳感裝置，其特征在于，所述處理器用從P(A，n，p)的值獲得的誤差信號保持在這樣一個值下，使得ΔFΔt(A，n)近似等于1/4。
8.如權(quán)利要求1所述的傳感裝置與傳感裝置(B)的組合，其特征在于，它包含具有控制輸入端口、光輸入端口和光輸出端口的光調(diào)制器(B)，所述光調(diào)制器(B)的光輸入端口適宜于接收相干光束；一個或多個傳感電路(B，m)，m的值表示特定傳感電路，m取1到M的整數(shù)，M等于或大于1，每一傳感電路(B，m)具有輸入端口、輸出端口、零個或多個輸入行輸出端口、零個或多個輸出行輸入端口以及由從所述輸入端口到輸出端口的兩個光學(xué)傳輸路徑組成的二路徑對，光調(diào)制器(B)的光輸出端口與傳感電路(B，1)的輸入端口光學(xué)相連，如果M和m大于1則傳感電路(B，m-1)的輸入行輸出端口由光學(xué)傳輸介質(zhì)(B，m，1)與傳感電路(B，m)的輸入端口光學(xué)相連，如果M和m大于1則傳感電路(B，m)的輸出端口由光學(xué)傳輸介質(zhì)(B，m，2)與傳感電路(B，m-1)的輸出行輸入端口光學(xué)相連，傳感電路(B，1)的輸出端口與光檢測器的輸入端口光學(xué)相連，光學(xué)傳輸介質(zhì)(B，m，1)和光學(xué)傳輸介質(zhì)(B，m，2)的組合代表T(B，m)的傳播時間；處理器的一個或多個控制輸出端口中的一個與光調(diào)制器(B)的控制輸入端口相連，所述處理器使得具有持續(xù)時間T(B)的光脈沖周期地從所述光調(diào)制器(B)的光輸出端口出射，T(B)對于所有m大于1的值均等于或小于T(B，m)，在光脈沖期間，所述光頻率具有多個不同的值F(B，q)，q取標識所述多個不同值的整數(shù)值，q值只有在p已經(jīng)循環(huán)了所有的值以后才改變，光頻率為F(B，q)時由傳感裝置(B)產(chǎn)生的光檢測器的輸出用P(B，m，q)表示，處理器用P(A，n，p)和P(B，m，q)的值確定含有傳感電路(A，n)和(B，m)中每一個二路徑對的兩個光路徑的相位差，在所述處理器的輸出端口處能得到所述的相位差。
9.如權(quán)利要求8所述的傳感電路，其特征在于，通過傳感裝置(A)和傳感裝置(B)中每一個二路徑對的兩個路徑的光波的傳播時間差是預(yù)定值Δt(A，n)和Δt(B，m)，F(xiàn)(A，p)＝F(A，0)+pΔF而F(B，q)＝F(B，0)+pΔF，其中，F(xiàn)(A，0)和F(B，0)是參考頻率，而ΔF是預(yù)定的頻率增量。
10.如權(quán)利要求9所述的傳感裝置，其特征在于，p和q取在脈沖期間任何順序的三個連續(xù)的整數(shù)值。
11.如權(quán)利要求10所述的傳感裝置，其特征在于，ΔFΔt(A，n)和ΔFΔt(B，m)通常等于1/4。
12.如權(quán)利要求9所述的傳感裝置，其特征在于，p和q取在脈沖期間任何順序的四個連續(xù)的整數(shù)值。
13.如權(quán)利要求12所述的傳感裝置，其特征在于，F(xiàn)Δt(A，n)和ΔFΔt(B，m)通常等于1/4。
14.如權(quán)利要求13所述的傳感裝置，其特征在于，所述處理器用從P(A，n，p)和P(B，m，q)的值獲得的誤差信號保持在這樣一個值下，使得ΔFΔt(A，n)和ΔFΔt(B，m)近似等于1/4。
15.如權(quán)利要求8所述的傳感裝置，其特征在于，來自傳感裝置(A)和傳感裝置(B)的光脈沖在光檢測器的輸入端口處是不重疊的。
16.如權(quán)利要求8所述的傳感裝置，其特征在于，所述光檢測器的輸出被分成Q(A，n)+P(A，n，p)和Q(B，m)+P(B，m，q)，其中，Q(A，n)和Q(B，m)是獨立于p和q的偏離項(bias term)。
17.一種在通過一個或多個二路徑對中傳播以后確定光波的相位差的方法，二路徑對是將一個公共入口點連接到一個公共出口點的兩條光學(xué)傳輸路徑，所述光波在所述入口點處同相，其特征在于，所述方法包含(a1)在預(yù)定的時間間隔內(nèi)將具有預(yù)定持續(xù)時間的相干光脈沖饋送到一組二路徑對A中每一個二路徑對，所述脈沖持續(xù)時間被分成多個預(yù)定的時間段，在每一時間段內(nèi)所述光具有不同的頻率，二路徑對的出射點處的光脈沖被延遲了預(yù)定的時間增量并且隨后被組合成一組組合光信號A；(b)將組合光信號轉(zhuǎn)換成電信號，所述電信號是時間的函數(shù)，正比于也是時間的函數(shù)的組合光信號；(c)從所述電信號的幅度確定每一個二路徑對的相位差。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，預(yù)先確定沒有環(huán)境干擾時光波通過每一個二路徑對的兩條路徑的傳播時間差，并且一個時間段內(nèi)的光頻率等于一參考頻率與正整數(shù)或負整數(shù)或零和頻率增量的乘積的和。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，光脈沖由三個時間段組成，三時間段內(nèi)的光頻率是由以任意順序的三個連續(xù)整數(shù)規(guī)定的。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，二路徑對的傳播時間差與頻率增量的乘積通常等于1/4。
21.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，光脈沖由四個時間段組成，四時間段內(nèi)的光頻率是由以任意順序的四個連續(xù)整數(shù)規(guī)定的。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，二路徑對的傳播時間差與頻率增量的乘積通常等于1/4。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，它還包含(d)用從電信號的幅度值得到的誤差信號調(diào)整所述頻率增量，從而二路徑對的傳播時間差與頻率增量的乘積近似等于1/4。
24.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，它還包含(a2)在預(yù)定的時間間隔上將具有預(yù)定持續(xù)時間的相干光脈沖饋送到一組二路徑對B中每一個二路徑對，所述脈沖持續(xù)時間被分成多個預(yù)定的時間段，在每一時間段內(nèi)所述光具有不同的頻率，二路徑對的出射點處的光脈沖被延遲了預(yù)定的時間增量并且隨后被組合成一組組合光信號B；(a3)將所述A組組合光信號和B組組合光信號組合成單一的A組和B組組合光信號，在步驟(b)和(c)中進行運算，為A組和B組二路徑對選擇預(yù)定的脈沖持續(xù)時間、預(yù)定的時間段、預(yù)定的時間間隔和預(yù)定的時間增量，從而可以從所述電信號確定所述A組和B組二路徑對的相位差。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述A組和B組組合光信號中的光脈沖是不重疊的。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述A組光脈沖與所述A組和B組組合光信號中的B組光信號重疊，結(jié)果是，在A組光脈沖或B組光脈沖的脈沖段內(nèi)，所述電信號的平均幅度中的偏移是固定的。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種確定光波(31)在通過一個或多個路徑對中的一個傳播以后的相位差的方法和裝置,二路徑對是將一個公共的入口點(25)連接到一個公共的出射點(29)的兩個光學(xué)傳輸路徑。將具有預(yù)定持續(xù)時間的相干光脈沖(27)在預(yù)定的時間間隔內(nèi)饋送到一組二路徑對中每一二路徑對的入口點(25),脈沖持續(xù)時間被劃分成多個預(yù)定的時間段。從電信號的幅度值確定每一二路徑對的相位差。
文檔編號G01B9/02GK1207169SQ9719156
公開日1999年2月3日 申請日期1997年11月14日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月14日
發(fā)明者塞繆爾·N·費希特, 唐納德·A·弗雷德里克 申請人:利頓系統(tǒng)有限公司