專利名稱：自動(dòng)調(diào)諧f-p光纖傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光纖傳感，是一種利用光纖作為傳輸光介質(zhì)的基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝的法布里-帕羅諧振腔(以下簡(jiǎn)稱為F-P腔)的高靈敏度工作點(diǎn)(簡(jiǎn)稱為Q 點(diǎn))穩(wěn)定的光纖位移/振動(dòng)傳感器。特別涉及到使用鍍膜的F-P腔和利用一定的腔長(zhǎng)， 得到具有低精細(xì)度千涉的條紋最大對(duì)比度，通過(guò)信號(hào)輸出反饋來(lái)控制可調(diào)諧激光器 波長(zhǎng)進(jìn)而鎖定系統(tǒng)Q值點(diǎn)的傳感器系統(tǒng)。本實(shí)用新型適用于對(duì)環(huán)境溫度或者外界介 質(zhì)不穩(wěn)定的地方的位移、壓力、超聲波等進(jìn)行測(cè)量。
技術(shù)背景直到最近，壓力傳感器，例如振動(dòng)傳感器仍然是基于電容式或者壓阻式的結(jié)構(gòu)。 這種結(jié)構(gòu)有很多缺點(diǎn)，例如靈敏度低，高偏置電壓，要求各層之間絕緣，要求膜電 極之間的一致性等，以上問(wèn)題都要有很復(fù)雜的解決方案。光纖F-P傳感器能夠解決電容式傳感器受困擾的很多問(wèn)題，比如無(wú)需偏置并且 電磁絕緣。此外，光纖F-P傳感器還有很多優(yōu)點(diǎn)是電容式傳感器無(wú)法比擬的。例如 靈敏度高，抗電磁千擾，安全可靠，體積小，耐腐蝕，可構(gòu)成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)等，因 而在工業(yè)探傷，材料特性分析，聲音傳感，變壓器局部放電的檢測(cè)，液位及水壓的測(cè)定等方面具有很好的應(yīng)用前景。但是目前，還有一些問(wèn)題限制了它的廣泛應(yīng)用 在光源的選用上，要求光源線寬不能太窄也不能太寬，并且要求非常穩(wěn)定；在傳感 頭的制作上，要適應(yīng)環(huán)境的變化，由于是基于干涉型的，傳感頭工作在F-P干涉譜 (正弦型)的線性區(qū)域具有線性轉(zhuǎn)換函數(shù)，信號(hào)處理比較方便。所以我們一般選用F-P 腔干涉譜線中斜率最大的點(diǎn)作為傳感頭的工作點(diǎn)(以下又稱為Q值點(diǎn))(見Bing Yu, Anbo Wang, "Grating-assisted demodulation of interferometric optical sensors" Appl. Opt 42 6824-6829(2003)),在Q點(diǎn)附近，光信號(hào)對(duì)外界信號(hào)的響應(yīng)是線性的，且具有最 大的響應(yīng)靈敏度。環(huán)境的變化很容易使傳感頭偏離靈敏度最大值點(diǎn)而到達(dá)非線性區(qū) 域。光纖F-P傳感器在很多的論文中都有論述，針對(duì)問(wèn)題也都提出了一些解決方案， 比如文獻(xiàn)l[John F. Dorighi， "Stabilization of an embedded fiber optic Fabry—Perot sensor for ultrasound detection" IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 42, 820—824一種震動(dòng)感應(yīng)裝置 技術(shù)領(lǐng)域本實(shí)用新型涉及一種震動(dòng)感應(yīng)裝置。
背景技術(shù)：
在汽車防盜及其他防盜領(lǐng)域，以及各種要對(duì)物體震動(dòng)進(jìn)行檢測(cè) 的使用領(lǐng)域，必須將震動(dòng)的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有盘?hào)，便于各種自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信 號(hào)采集。目前市場(chǎng)上的一些震動(dòng)傳感器，有的價(jià)格很高，不便于大面積推廣使 用，有的靈敏度不高，不能滿足防盜需求。實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種震動(dòng)感應(yīng)裝 置，具備靈敏度高和制造成本低的特點(diǎn)，用以克服上述已有產(chǎn)品的不足。 本實(shí)用新型采取的技術(shù)措施是一種震動(dòng)感應(yīng)裝置，包括至少一個(gè)支架， 一個(gè)銅錘、至少一個(gè)彈簧， 一個(gè) 蜂鳴器片， 一個(gè)信號(hào)處理電路和一個(gè)調(diào)節(jié)靈敏度的電位器，蜂鳴器片一端與支 架相連，另一端與彈簧相連，彈簧的另一端與銅錘相連，蜂鳴器片的中心電極 通過(guò)飛線與信號(hào)處理電路相連。所述的蜂鳴器片的直徑為20mm。 銅錘的直徑為5誦，高度為6mm。彈簧外徑為3. 5mm，線徑為0. 4mm，彈簧總長(zhǎng)為8mm， 一共8圈。 本實(shí)用新型的積極效果是通過(guò)彈簧和銅錘的配合，當(dāng)物體發(fā)生震動(dòng)時(shí)， 產(chǎn)生震動(dòng)，傳遞到相連的蜂鳴器片上，使蜂鳴器片震動(dòng)產(chǎn)生電阻變化，信號(hào)處 理電路通過(guò)檢測(cè)通過(guò)蜂鳴器片的電流的變化，檢測(cè)震動(dòng)的強(qiáng)度。并且報(bào)警輸出 的震動(dòng)強(qiáng)度值可以通過(guò)電位器進(jìn)行調(diào)整，便于用戶自行設(shè)定震動(dòng)器檢測(cè)的震動(dòng)倍，達(dá)到10GHz左右。我們還對(duì)外部反饋對(duì)激光器的輸出功率的影響進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在反饋信號(hào)在 5KHz的調(diào)制下，反饋對(duì)激光器輸出功率的影響是可以忽略的。關(guān)于傳感頭，本實(shí)用新型傳感頭的構(gòu)成包括F — P腔，該F — P腔的兩腔面分別 接硅膜和導(dǎo)光光纖，所述的硅膜、F—P腔和導(dǎo)光光纖由一石英套固定，下面是F — P腔腔長(zhǎng)的選擇依據(jù)為了得到干涉的對(duì)比度最大，F(xiàn)-P腔的腔長(zhǎng)和硅膜反射率有以下關(guān)系其中《和7J為導(dǎo)光光纖端面的反射率和透過(guò)率，^為硅膜內(nèi)側(cè)的反射率，Z。 為腔的特征參數(shù)，W。為光纖纖芯的內(nèi)半徑，^為光傳播到硅膜處的光斑半徑，義為 激光波長(zhǎng)，腔長(zhǎng)Z,表示為由于受到普通半導(dǎo)體DFB激光器的波長(zhǎng)調(diào)諧限制，我們的F — P腔長(zhǎng)一般為選擇大 于200um，考慮到避免硅兩個(gè)面的反射，我們對(duì)硅膜鍍膜選擇的反射率應(yīng)該大于70 %，所以腔長(zhǎng)的選擇是各個(gè)因素共同作用的結(jié)果。 本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下一種自動(dòng)調(diào)諧F-P光纖傳感器，包括光源和傳感頭，其特點(diǎn)是該光源包括一個(gè) 激光器和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路和溫控電路，該激光器經(jīng)光纖與耦合器的第一端口相連， 該耦合器的第三端口經(jīng)單模光纖接所述的傳感頭，所述的耦合器的第四端口經(jīng)第二 光電探測(cè)器接主動(dòng)控制單元，該耦合器的第二端口接第一光電探測(cè)器的輸入端口， 該第一光電探測(cè)器輸出端口分別連接所述的主動(dòng)控制單元和信號(hào)輸出單元，所述的 主動(dòng)控制單元的輸出端接所述的溫控電路，所述的傳感頭的構(gòu)成包括F—P腔，該F 一P腔的兩腔面分別接硅膜和導(dǎo)光光纖，所述的硅膜、F — P腔和導(dǎo)光光纖由一石英 套固定，所述的導(dǎo)光光纖的另一端接所述的單模光纖。所述的F — P的腔長(zhǎng)》200um。 所述的耦合器為3dB耦合器。所述的光源的激光器是一分布反饋單模半導(dǎo)體激光器，而且該分布反饋單模半 導(dǎo)體激光器的輸出端具有光反饋。所述的硅膜的內(nèi)側(cè)面鍍有反射膜，反射率的選擇范圍為70% 100%。由于在 導(dǎo)光光纖端面鍍膜會(huì)存在一定的難度和隨^L性，我們對(duì)導(dǎo)光光纖的端面不進(jìn)行鍍膜 處理，這樣導(dǎo)光光纖端面的功率反射率大約就是3.5%，所有的連線都采用單模光纖進(jìn)行連接，接頭一般都盡量采用有角度的活動(dòng)連接 器(APC接頭)，以減小額外的F—P干擾。本實(shí)用新型的技術(shù)效果(1) 本實(shí)用新型采用對(duì)傳感頭的F-P腔的腔長(zhǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用長(zhǎng)的F-P腔長(zhǎng)的 傳感頭，以降低對(duì)激光器波長(zhǎng)調(diào)諧范圍的要求；(2) 本實(shí)用新型傳感頭的硅膜的內(nèi)側(cè)面鍍有反射膜，避免了硅膜兩個(gè)反射面反 射光對(duì)接收信號(hào)產(chǎn)生干擾，使F-P干涉條紋的對(duì)比度盡可能的大， 一般大于30dB， 極大地提高了系統(tǒng)的靈敏度；G)本實(shí)用新型的主動(dòng)控制單元接收第一光電探測(cè)器的電信號(hào)主動(dòng)調(diào)節(jié)光源的 DFB激光器的溫控，及時(shí)反饋控制傳感頭的工作點(diǎn)處于F-P腔的Q點(diǎn)位置，提高了 系統(tǒng)的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍，避免了在系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)要用到大的光譜儀和示波器的問(wèn)題， 極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。(4)采用了分布反饋單模半導(dǎo)體激光器作光源，解決了窄帶寬激光器所帶來(lái)的 對(duì)外界敏感的問(wèn)題，并且使光源的能量利用率高，輸出能量高，提高了系統(tǒng)的靈敏 度，并且光源變得小巧，縮小了系統(tǒng)的體積；
圖1是本實(shí)用新型自動(dòng)調(diào)諧F — P光纖傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
先請(qǐng)參閱圖l，圖1是本實(shí)用新型自動(dòng)調(diào)諧F—P光纖傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，也 是本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本實(shí)施例自動(dòng)調(diào)諧F-P光纖傳感器， 包括光源1和傳感頭4，該光源1是一個(gè)帶溫控電路的分布反饋單模半導(dǎo)體激光器， 該激光器經(jīng)光纖與耦合器2的第一端口 201相連，該耦合器2的第三端口 203經(jīng)單 模光纖3接所述的傳感頭4，所述的耦合器2的第四端口 204經(jīng)第二光電探測(cè)器6接主動(dòng)控制單元7，該耦合器2的第二端口 202接第一光電探測(cè)器5的輸入端口， 該第一光電探測(cè)器5的輸出端分別連接所述的主動(dòng)控制單元7和信號(hào)輸出單元8， 所述的主動(dòng)控制單元7的輸出端接所述的光源1的溫控電路，所述的傳感頭4的構(gòu) 成包括F—P腔402,該F—P腔402的兩腔面分別接硅膜401和導(dǎo)光光纖404，所 述的硅膜401、 F—P腔402和導(dǎo)光光纖404由一石英套403固定，所述的導(dǎo)光光纖 404的另一端接所述的單模光纖3。在本實(shí)施例中所述的耦合器2為3dB耦合器。所述的硅膜401的內(nèi)側(cè)面鍍有高 反射膜。所有的連線都采用單模光纖進(jìn)行連接，接頭一般都盡量采用有角度的活動(dòng) 連接器連接，以減小額外的F^"P干擾。所述的第一光電探測(cè)器5和第二光電探測(cè)器6選為1550nm附近的光電探測(cè)器。本實(shí)施例的工作情況如下光從光源1出發(fā)，經(jīng)耦合器2的第一端口進(jìn)，從第三端口 203、第四端口 204 分兩路輸出， 一路從第四端口 204輸出由第二光電探測(cè)器6探測(cè)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)， 稱為光束電信號(hào)G，進(jìn)入主動(dòng)控制單元7，另一路由第三端口 203輸出經(jīng)單模光纖3 進(jìn)入傳感頭4，傳感頭4由硅膜401、 F—P腔402、石英套403和導(dǎo)光光纖404構(gòu) 成，在光纖端面未鍍膜，反射率為3.5%，硅膜內(nèi)側(cè)鍍金，反射率100%,腔長(zhǎng)362um， 經(jīng)測(cè)量表明該F—P腔402的干涉對(duì)比度達(dá)到22.88dB。當(dāng)光束進(jìn)入傳感頭4時(shí)，在 導(dǎo)光光纖404端面有一部分反射， 一部分進(jìn)入F — P腔402后被硅膜401反射后在導(dǎo) 光光纖404的端面處產(chǎn)生干涉，屬于低精細(xì)度的F-P干涉，又由于光源l的線寬比 較寬，所以一般只需考慮一次反射的干涉結(jié)果。硅膜401的內(nèi)面鍍有高反射膜，與 導(dǎo)光光纖404的端面形成一個(gè)F-P腔402。外界震動(dòng)使硅膜401產(chǎn)生受迫震動(dòng)，進(jìn)而 改變F—P腔402的腔長(zhǎng)，這樣在導(dǎo)光光纖404端面的干涉條紋將會(huì)對(duì)光的強(qiáng)度進(jìn)行 調(diào)制。被調(diào)制的光稱為信號(hào)光，又經(jīng)過(guò)單模光纖3從耦合器2第三端口 203輸入， 由耦合器2的第一端口 201和第二端口 202輸出，從第二端口 202輸出的信號(hào)光被 第一光電探測(cè)器5探測(cè)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，稱為信號(hào)光電信號(hào)，該信號(hào)光電信號(hào)主要 部分X1經(jīng)輸出單元8輸出供使用，該信號(hào)光電信號(hào)另一部分X2進(jìn)入主動(dòng)控制單元 7，在主動(dòng)控制單元7中(1)將信號(hào)光電信號(hào)X2和光束電信號(hào)G取平均(濾波)后由除法器相除，取 得一個(gè)相對(duì)光源的X2/G控制信號(hào)，這樣做的目的是去除光源功率漂動(dòng)影響，獲得 一個(gè)與光源功率漂動(dòng)無(wú)關(guān)的控制信號(hào)，也即反映傳感頭4激光反射輸出水平的相對(duì)值；(2) 將該結(jié)果和一個(gè)只和傳感頭本身的性質(zhì)相關(guān)的參數(shù)的大小相比較。(3) 比較的結(jié)果通過(guò)一個(gè)比例積分電路來(lái)調(diào)節(jié)控制光源l中的溫控電路，從而 保證光源1中的激光器的波長(zhǎng)始終使傳感頭4工作在Q值點(diǎn)附近。另外，作為本實(shí)用新型很重要的一點(diǎn)，本實(shí)用新型的激光器輸出端是不加隔離 器的，根據(jù)理論，對(duì)分布反饋半導(dǎo)體激光器加入少量反饋后，大約15 18dB，激光 器的輸出線寬會(huì)急劇加寬，測(cè)量結(jié)果表明，引入反饋后激光器的輸出線寬由幾MHz 變到了大約10GHz，恰好處在我們測(cè)量的范圍內(nèi)。信號(hào)輸出單元8可根據(jù)需要由信號(hào)前置放大，濾波，后級(jí)放大后接到示波器上 或者顯示系統(tǒng)上；或者前放后由數(shù)據(jù)采集卡連接到電腦上，以對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，以 得到探測(cè)信號(hào)的諸如頻率，強(qiáng)度，聲速，方位等物理量。試驗(yàn)表明，本實(shí)用新型傳感器具有調(diào)諧方便、造價(jià)低廉、靈敏度高和對(duì)環(huán)境的 變化具有極強(qiáng)的適應(yīng)性的特點(diǎn)。
權(quán)利要求1、一種自動(dòng)調(diào)諧F-P光纖傳感器，包括光源(1)和傳感頭(4)，其特征在于該光源(1)包括一個(gè)帶有溫控電路的激光器，該激光器直接經(jīng)光纖與耦合器(2)的第一端口(201)相連，該耦合器(2)的第三端口(203)經(jīng)單模光纖(3)接所述的傳感頭(4)，所述的耦合器(2)的第四端口(204)經(jīng)第二光電探測(cè)器(6)接主動(dòng)控制單元(7)，該耦合器(2)的第二端口(202)接第一光電探測(cè)器(5)的輸入端口，該第一光電探測(cè)器(5)的輸出端口分別連接所述的主動(dòng)控制單元(7)和信號(hào)輸出單元(8)，所述的主動(dòng)控制單元(7)的輸出端接所述的溫控電路，所述的傳感頭(4)的構(gòu)成包括F-P腔(402)，該F-P腔(402)的兩腔面分別接硅膜(401)和導(dǎo)光光纖(404)，所述的硅膜(401)、F-P腔(402)和導(dǎo)光光纖(404)由一石英套(403)固定，所述的導(dǎo)光光纖(404)的另一端接所述的單模光纖(3)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)調(diào)諧F-P光纖傳感器，其特征在于所述的 F—P腔(402)的腔長(zhǎng)》200iim。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)調(diào)諧F-P光纖傳感器，其特征在于所述的 耦合器(2)為3dB耦合器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)調(diào)諧F-P光纖傳感器，其特征在于所述的光源(l) 的激光器為分布反饋單模半導(dǎo)體激光器，該激光器的輸出端具有光反饋。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)調(diào)諧F-P光纖傳感器，其特征在于所述的硅膜 (401)的內(nèi)側(cè)面鍍有反射膜，反射率的選擇范圍為70% 100%。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)調(diào)諧F-P光纖傳感器，其特征在于所有的連線都 采用單模光纖進(jìn)行連接，所有接頭采用有角度的活動(dòng)連接器。
專利摘要一種自動(dòng)調(diào)諧F-P光纖傳感器，包括光源和傳感頭，該光源包括一個(gè)帶有溫控電路的激光器，該激光器經(jīng)光纖與耦合器的第一端口相連，該耦合器的第三端口經(jīng)單模光纖接所述的傳感頭，所述的耦合器的第四端口經(jīng)第二光電探測(cè)器接主動(dòng)控制單元，該耦合器的第二端口接第一光電探測(cè)器的輸入端口，該第一光電探測(cè)器5輸出端口分別連接所述的主動(dòng)控制單元和信號(hào)輸出單元，所述的主動(dòng)控制單元的輸出端接所述的溫控電路，所述的傳感頭的構(gòu)成包括F-P腔，該F-P腔的兩腔面分別接硅膜和導(dǎo)光光纖，所述的硅膜、F-P腔和導(dǎo)光光纖由一石英套固定，所述的導(dǎo)光光纖的另一端接所述的單模光纖。本實(shí)用新型具有調(diào)諧方便、造價(jià)低廉、靈敏度高和適應(yīng)環(huán)境變化的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01D5/353GK201083500SQ20072007517
公開日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2007年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月29日
發(fā)明者方祖捷, 耿健新, 蔡海文, 陳建永, 陳迪俊 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所