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专利名称：免受驱动装置热影响的光纤光栅传感信号干涉解调装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学干涉和光纤传感领域，具体是一种免受驱动装置热影响的光纤光 栅(FBG)传感信号干涉解调装置，可用于白光干涉、光学信息处理等领域。
背景技术：
自20世纪60年代光纤问世以来，光纤已成功地应用在传感等领域。与传统的电 子传感器相比，光纤传感器具有以下优点传感精度高，免受电磁场干扰，可进行分布式感 测，即便弱信号也可进行长距离传输并进行处理；能够用在某些特殊场合(如煤气旁、矿井 下，油田以及油罐周围)，可对某些物理量进行安全地监测；传感回路易于植入或粘附在结 构表面，能够实时提供应变、温度以及结构完整性方面的信息，且布置比较灵活。它置入除 微观物体以外的任何宏观物体时，对物体的结构和机械性能几乎不造成任何影响。普通光 纤传感器一般通过观测透射强度或利用干涉原理观测位相变化情形进行传感，前者的灵敏 度有限，后者抗干扰能力差，尽管研究了三十来年，但商用化程度仍然不高。
光纤光栅传感器除具备普通光纤传感器全部优点外，还有其它传感器无法比拟的 优点其信息对波长绝对编码决定了传感结果不受系统整体光强、光路连接损耗以及其它 器件插入损耗的影响；本征性决定其不妨碍光纤间的连接。另外，它还具有损耗低、光谱特 性好、可靠性高、易于复用等特点。正因为此，光纤光栅一经问世便受到世界各国科学家的 广泛关注。 温度、应力和压力是直接能独立影响光纤光栅反射波长变化的物理量，1. 55 ii m时 三者引起FBG波长飘移的典型值分别为13pm/。C、1. 15pm/ii e和3. 13pm/Mpa，可见，要体现 该类传感器高灵敏度的特点，必须要发展高分辨率解调技术。在已报道的干涉解调方案中 利用非平衡迈克尔逊(Michelson)或马赫_曾德(Mach-Zehnder(M-Z))扫描干涉装置，将 来自传感光栅的波长漂移信息，变为相移信息，其分辨率一般能够达到微应变甚至以下的 数量级。 常规干涉解调装置均利用压电陶瓷(PZT)做驱动器，通过它对缠绕光纤的拉伸， 实现两臂间的光程扫描。驱动装置与干涉仪两臂均置于同一密闭盒中，以致系统无法排除 压电陶瓷产生的热噪声的影响，因而限制该解调方法的实用性。

发明内容
本发明的目的是提供一种免受驱动装置热影响的光纤光栅传感信号干涉解调装
置，以排除压电陶瓷发热对解调结果的影响。 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为 免受驱动装置热影响的光纤光栅传感信号干涉解调装置，其特征在于包括有非 平衡干涉部分，压电陶瓷驱动部分，彼此独立且密闭的大、小盒体，所述大、小盒体连为一 体，大、小盒体间夹有绝热层，所述非平衡干涉部分放置于大盒体中，所述压电陶瓷驱动部 分包括带有开槽的固定基座、滑块、滑杆、传动杆、固定杆，接线柱，压电陶瓷、压电陶瓷驱动
3源和弹簧，除压电陶瓷驱动源外，压电陶瓷驱动部分的其它元件均置于小盒体中，所述固定 基座固定在小盒体底面上，其两个内侧壁为两层台阶，其中下层台阶的两内侧壁之间平行 设置有两滑杆，所述滑块也有两个台阶，滑杆贯穿所述滑块的下层台阶，所述压电陶瓷的一 端与固定基座上层台阶的一内侧壁紧密接触并固定，另一端与所述滑块上层台阶一侧紧密 接触，所述滑块上方安装有传动杆，滑块上层台阶另一侧与所述固定基座上层台阶另一内 侧壁之间挤有硬质弹簧，所述固定杆固定于压电陶瓷一侧的固定基座上层台阶上，所述压 电陶瓷驱动源与压电陶瓷间电连接，所述传动杆和固定杆均穿过小盒体，并伸入到大盒体 中，所述非平衡干涉部分的调制臂光纤的一段固定于所述传动杆和固定杆之间，并呈紧绷 状态。 所述的免受驱动装置热影响的光纤光栅传感信号干涉解调装置，其特征在于所 述非平衡干涉部分为迈克尔逊干涉仪，或者是马赫_曾德干涉仪。 所述的免受驱动装置热影响的光纤光栅传感信号干涉解调装置，其特征在于所 述大、小盒体均采用非绝热材料制成，两盒体之间铺设有绝热层，所述传动杆和固定杆穿过 绝热层。 所述的免受驱动装置热影响的光纤光栅传感信号干涉解调装置，其特征在于所 述大、小盒体至少一个采用绝热材料制成，两盒体之间无需绝热层。 所述的免受驱动装置热影响的光纤光栅传感信号干涉解调装置，其特征在于所
述绝热层材料为石棉板，或者是泡沫石棉，或者是硅酸铝纤维，或者是矿渣棉。 所述的免受驱动装置热影响的光纤光栅传感信号干涉解调装置，其特征在于所
述压电陶瓷驱动源位于放置有压电陶瓷驱动部分的小盒体外部，有接线柱安装在所述小盒
体外侧壁，所述压电陶瓷驱动源通过导线、接线柱与所述小盒体内部的压电陶瓷电连接。
所述的免受驱动装置热影响的光纤光栅传感信号干涉解调装置，其特征在于所
述传动杆穿过大、小盒体时，与大、小盒体上对应的开孔之间有间隙，所述固定杆穿过盒体
时，与大、小盒体上对应的开孔无间隙，传动杆与固定杆均由绝热材料制成，截面均呈矩形，
且上表面共面。 所述的免受驱动装置热影响的光纤光栅传感信号干涉解调装置，其特征在于所 述非平衡干涉装置为迈克尔逊干涉仪时，其端镜的反射率接近且均高于90% ，在光学玻璃 上镀铝或镀在1550nm通信窗口能全反射的介质膜，然后将膜所在的面与跳线FC/PC型插头 的端面用紫外固化胶无缝粘贴在一起获得，插头也可以是SC/PC型插头或ST/PC型插头；也 可在清洁过的端面上直接镀上述膜实现。 所述的免受驱动装置热影响的光纤光栅传感信号干涉解调装置，其特征在于所 述压电陶瓷被粘贴在滑块与固定基座之间，滑块被安置在光滑的滑杆上，滑块受压电陶瓷 驱动沿滑杆移动。 本发明将非平衡干涉仪的两臂与压电陶瓷驱动装置分置于两个密闭盒中，中间采
用绝热性能良好的材料隔离，从而有效地避免了压电陶瓷产生的热量对解调结果的影响。 对于非平衡干涉装置，无论是迈克尔逊干涉结构还是马赫-曾德干涉结构，工作
时两臂光纤间的光程差要发生周期性变化，它可通过拉伸一臂而周期性地改变该臂的光程
实现，称该臂为调制臂，而另一臂为参考臂。 本发明特点如下
1、基于光纤易受环境因素(如温度，振动、扭转、拉伸等)的影响，因此用相同的
金属或合金材料(亦可用绝热材料)制作两个密闭的大、小盒体，将光纤及相应的器件置入
两盒中，确保光纤两臂处于相同的环境中，从而提高本装置测量的准确性。
2、制作两盒的材料，可以是绝热材料，也可以是非绝热材料。如果两盒体均由非绝
热性材料制成，则需在两盒体之间设置绝热层，否则无需绝热层。两盒体间用螺丝固定成为
一体，便于挪动，并防止两者间出现相对移动。 3、受电压驱动，压电陶瓷工作过程中释放的热量对干涉仪两臂的影响程度不一 致，造成两臂间出现附加光程差，从而影响干涉条纹的分布并影响解调结果，因此本装置中 将非平衡干涉部分与压电陶瓷驱动部分分室而置，中间用绝热性能良好的材料隔离，达到 消除上述影响的目的。 4、传动杆和固定杆穿过两盒体及绝热层，其中固定杆位于小盒体中的一端用螺丝 固定于固定基座上，传动杆的一端则用螺丝固定于滑块上。穿过密闭盒体时，传动杆与孔间 稍有间隙，固定杆则无间隙地穿过两盒体，力求将两盒体间的热传递降至最低程度。
5、固定基座与滑动块之间用弹簧挤紧，而滑块的另一侧又紧贴压电陶瓷。受压电 陶瓷驱动源产生的周期性变化的锯齿波电压信号的控制，压电陶瓷出现伸縮现象，它将引 起滑块沿滑杆移动，而滑块又带动传动杆移动。 6、密闭的大盒体中，调制臂光纤的一段被刚性地粘贴于传动杆和固定杆的上表 面，两杆之间的光纤呈紧绷状态，避免驱动时出现"空载"现象。 7、选用双滑杆方案，目的是确保驱动传递的平稳性。对滑块上的孔以及滑杆表面 均经抛光处理，减少两者间的摩擦，确保驱动的低损传递。 本发明借助传动杆对调制臂光纤的驱动，有效地实现两臂间的光程扫描。本发明 原理简单，采用的为普通材料，所用器件为光纤通信的标准元件。设备结构简单，封装盒易 于加工，成本低，便于携带，实用性强。


图1为本发明装置采用迈克尔逊干涉仪时结构图。
图2为本发明装置采用马赫_曾德干涉仪时结构图。
图3为本发明压电陶瓷驱动部分剖视图。
图4为本发明采用迈克尔逊干涉仪时干涉解调原理图。
图5为本发明采用马赫_曾德干涉仪时干涉解调原理图。
具体实施例方式
用金属(如铝、铜等)、合金(如铝合金等)或绝热固体材料(如石棉 板等)制作两个带盖的密闭盒13和16，各自的尺寸分别为100mmX128mmX30mm和 40mmX128mmX30mm，盒厚均约为6mm。大盒上置有直径为9mm的两圆孔，用来安置大D型 FC/APC适配器；小盒上开有一孔，便于安装控制信号的接线柱19。两盒连接处开有两矩形 孔。两盒间用厚度为3mm的石棉隔热板14隔开，并用M3螺丝4固定成一体。
对于迈克尔逊干涉结构，如图1所示，它包含3dB耦合器IO，用于信号输入和输 出的大D型FC/APC适配器8和8'，非平衡干涉臂11和12，其中12为调制臂，反射率接近且均高于90%的两端镜6和6'，密闭的大、小盒体13和16，若干固定螺丝4、4' 、4〃和 4' 〃 ，绝热层14，压电陶瓷驱动源1，弹簧2，压电陶瓷3，传动杆5和固定杆5'，接线柱19， 固定基座15、滑块18以及滑杆17。其中3dB耦合器、两干涉臂、端镜以及连接耦合器和适 配器的单模输入光纤7和单模输出光纤9共同构成了非平衡Michelson干涉仪。它被安置 在大盒13中。固定基座、滑块、弹簧、接线柱、压电陶瓷、滑杆置于小盒16中，与压电陶瓷驱 动源一起构成扫描驱动装置。其中固定基座15利用三颗M3螺丝固定于小盒体16中。
滑杆的长度为48mm，直径为2mm，两滑杆的中心间距为10mm。对传动杆5和固定杆 5'的材质的要求一是绝热，二是二杆保持刚性，这样选用绝热石棉板等即可。关于二杆的 尺寸以保证其穿过两盒体并能拉伸光纤为宜。固定杆5'用螺丝固定于固定基座15上，而 传动杆5则用螺丝固定于滑块18上。两杆截面均为矩形，穿过盒体时，传动杆5与孔间稍 有间隙，固定杆5'无间隙穿过盒体。当然，舍去固定杆，在大盒中的同一位置安一悬臂或上 表面与传动杆上表面平行的固定块亦可。 调制臂12位于传动杆5与固定杆5'之间的一段光纤需要呈紧绷状态。受弹簧2 的挤压，滑块18紧贴压电陶瓷3。压电陶瓷驱动源l置于盒外，其发出的控制信号经接线柱 19再由导线施加在压电陶瓷3上。 所用压电陶瓷3为层叠于一起呈柱状的压电陶瓷堆，在控制信号作用下，它会出 现电致伸縮现象，受其驱动，滑块18沿滑杆17移动时将带动传动杆5，使得传动杆5与固定 杆5'之间的调制臂的光纤被拉伸。 光纤与传动杆5、固定杆5'之间可用环氧树脂等胶粘贴，也可用此胶将压电陶瓷 3的一端与基座15的侧壁固定在一起。 绝热层14的材质可以是绝热石棉、泡沫石棉、硅酸铝纤维、矿渣棉等绝热材料。
关于端镜的获得，可在光学玻璃上镀铝膜，或镀在1550nm通信窗口能全反射的介 质膜，然后将膜所在的面与跳线FC/PC型插头(也可以是SC/PC型插头或ST/PC型插头)插 针体的端面间用紫外固化胶无缝粘贴在一起，粘贴后的反射面与插针体轴向应严格垂直。 也可在清洁过的插针体端面上直接镀上述膜获得。镀铝膜时，还应进行坚膜处理。
若密闭盒13和16的材质有一个选用绝热固体材料，则可弃用绝热层14，而两盒选 用非绝热材料制作时，必须要用绝热层14。 如图2所示，对于马赫-曾德干涉结构其机械结构以及驱动部分与迈克尔逊干涉 结构相同，而其干涉仪由一对3dB耦合器10与10'组成。干涉仪被安置在大密闭盒体13 中，除压电陶瓷驱动源1夕卜，驱动机构的其它部分也被安置在小密闭盒体16中，两盒间亦用 绝热层14隔离，同样，用螺丝4穿过绝热层将两盒固定成一体。相同驱动下，其两臂间获得 的光程差仅为迈克尔逊干涉结构的一半。 用于FBG传感信号解调时，来自传感光栅的包含待测信息的波长漂移信号，由3dB 耦合器10的输入端7进入非平衡干涉仪，其能量均分于参考臂11和调制臂12中。对于迈 克尔逊干涉仪，经端镜6'和6反射后再经耦合器10由9输出；而对于马赫-曾德干涉仪， 则由耦合器10'合波后，从9端输出。来自两臂的信号在输出端交叠，并发生干涉。受周期 性锯齿波信号的驱动，压电陶瓷3的伸縮将引起调制臂对参考臂的光程扫描。
工作原理 宽带光源(LED或ASE)23发出的光波经3dB耦合器20注入至传感光栅21，布拉格波长的光波经FBG反射后进入解调装置。其输出信号经探测器24接收后转化为电信号， 经带通滤波25处理后与压电陶瓷的驱动信号分别作为待测信号和参考信号一起输入相位 计。 对于非平衡迈克尔逊干涉仪，作用于传感光栅上的待测量(如应变)变化时，将 引起光栅的布拉格波长(AB)漂移，它将引起相位计显示的值发生变化(相移)，光栅位置 温度不变时，轴向应变(e x)引起的波长相对漂移 A义。

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它对干涉输出信号相移的贡献为
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根据该式，观测相位计显示值的变化，便可判断传感光栅上待测应变的大小。 而对于非平衡马赫_曾德干涉仪，应变引起的传感光栅波长漂移对相移的贡献为
也可用来判断FBG上待测应变的变化程度。
其它物理量(如环境温度、径向压力等)，只要能引起布拉格波长发生漂移，均可
借助发明的干涉解调装置，对待测量进行监领
权利要求
免受驱动装置热影响的光纤光栅传感信号干涉解调装置，其特征在于包括有非平衡干涉部分，压电陶瓷驱动部分，彼此独立且密闭的大、小盒体，所述大、小盒体连为一体，大、小盒体间夹有绝热层，所述非平衡干涉部分放置于大盒体中，所述压电陶瓷驱动部分包括带有开槽的固定基座、滑块、滑杆、传动杆、固定杆，接线柱，压电陶瓷、压电陶瓷驱动源和弹簧，除压电陶瓷驱动源外，压电陶瓷驱动部分的其它元件均置于小盒体中，所述固定基座固定在小盒体底面上，其两个内侧壁为两层台阶，其中下层台阶的两内侧壁之间平行设置有两滑杆，所述滑块也有两个台阶，滑杆贯穿所述滑块的下层台阶，所述压电陶瓷的一端与固定基座上层台阶的一内侧壁紧密接触并固定，另一端与所述滑块上层台阶一侧紧密接触，所述滑块上方安装有传动杆，滑块上层台阶另一侧与所述固定基座上层台阶另一内侧壁之间挤有硬质弹簧，所述固定杆固定于压电陶瓷一侧的固定基座上层台阶上，所述压电陶瓷驱动源与压电陶瓷间电连接，所述传动杆和固定杆均穿过小盒体，并伸入到大盒体中，所述非平衡干涉部分的调制臂光纤的一段固定于所述传动杆和固定杆之间，并呈紧绷状态。
2. 根据权利要求1所述的免受驱动装置热影响的光纤光栅传感信号干涉解调装置，其 特征在于所述非平衡干涉部分为迈克尔逊干涉仪，或者是马赫_曾德干涉仪。
3. 根据权利要求1所述的免受驱动装置热影响的光纤光栅传感信号干涉解调装置，其 特征在于所述大、小盒体均采用非绝热材料制成，两盒体之间铺设有绝热层，所述传动杆 和固定杆穿过绝热层。
4. 根据权利要求1所述的免受驱动装置热影响的光纤光栅传感信号干涉解调装置，其 特征在于所述大、小盒体至少一个采用绝热材料制成，两盒体之间无需绝热层。
5. 根据权利要求1或4所述的免受驱动装置热影响的光纤光栅传感信号干涉解调装 置，其特征在于所述绝热层材料为石棉板，或者是泡沫石棉，或者是硅酸铝纤维，或者是矿 渣棉。
6. 根据权利要求1所述的免受驱动装置热影响的光纤光栅传感信号干涉解调装置，其 特征在于所述压电陶瓷驱动源位于放置有压电陶瓷驱动部分的小盒体外部，有接线柱安 装在所述小盒体外侧壁，所述压电陶瓷驱动源通过导线、接线柱与所述小盒体内部的压电 陶瓷电连接。
7. 根据权利要求1所述的免受驱动装置热影响的光纤光栅传感信号干涉解调装置，其 特征在于所述传动杆穿过大、小盒体时，与大、小盒体上对应的开孔之间有间隙，所述固定 杆穿过盒体时，与大、小盒体上对应的开孔无间隙，传动杆与固定杆均由绝热材料制成，截 面均呈矩形，且上表面共面。
8. 根据权利要求1所述的免受驱动装置热影响的光纤光栅传感信号干涉解调装置， 其特征在于所述非平衡干涉装置为迈克尔逊干涉仪时，其端镜的反射率接近且均高于90% ，在光学玻璃上镀铝或镀在1550nm通信窗口能全反射的介质膜，然后将膜所在的面与 跳线FC/PC型插头的端面用紫外固化胶无缝粘贴在一起获得，插头也可以是SC/PC型插头 或ST/PC型插头；也可在清洁过的端面上直接镀上述膜实现。
9. 根据权利l所述的免受驱动装置热影响的光纤光栅传感信号干涉解调装置，其特征在于所述压电陶瓷被粘贴在滑块与固定基座之间，滑块被安置在光滑的滑杆上，滑块受压电陶瓷驱动沿滑杆移动。
全文摘要
本发明公开了一种免受驱动装置热影响的光纤光栅传感信号干涉解调装置。可用于白光干涉、光学信号处理等领域，尤其适合用于光纤光栅传感信号解调。本发明将非平衡扫描干涉装置的干涉部分与驱动部分进行分离，各置入一个采用绝热材料制成的密闭盒中，如果密闭盒不是绝热材料制成的，在两个密闭盒中间用绝热性能良好的材料隔开，避免了驱动器件产生的热量对干涉条纹的影响。本发明用于光纤光栅信号解调时，它能有效地消除解调结果中出现的热噪声；其分辨率高、结构简单、成本低、适用范围广，具有推广使用的价值。
文档编号G01D5/26GK101788309SQ201010046559
公开日2010年7月28日 申请日期2010年1月19日 优先权日2010年1月19日
发明者余有龙, 谭玲 申请人:合肥工业大学