干涉测定传感器制造技术

提供一种干涉测定传感器和相关方法，具有：感测元件，由此，被测对象在两个波之间引起相对相移；至少一个检测器，其测量两个波之间的干扰信号，并且还包含：相移检测单元，具有干扰信号作为输入并且确定代表相对相移的主值的第一测量；以及对比度检测单元，具有干扰信号作为输入用于确定代表两个波之间的互相关的第二测量(A,12),以及还包括用于将第一和第二测量转换为被测对象值（x）的处理单元。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及诸如电光电压传感器(特别是对于DC电压)或者光纤电流传感器(FOCS)的干涉测定传感器，其中，待测量的参数中的变化与两个波之间的相对相移有关。
技术介绍
已知依赖两个波、通常为波的两个正交偏振模式之间的干扰的传感器，并且其被用于范围广泛的
中。这些传感器的检测器信号有关两个波之间的相对相移φ的余弦。因此，φ和±φ+2nπ(n是整数，本文还称作周期计数器)的相移产生相同的干扰输出，并且因此，不能够相互区分。因此，相对相移的明确的测量范围被限制到[0,π]的范围。例如，由锗酸铋(Bi4Ge3O12、或者BGO)晶体（其中其[001]晶轴沿着波的光路取向）组成的电光DC电压传感器(也参见参考文献[1]用于另外细节)对于在1310 nm的光波具有约75 kV的对应π电压或者明确的测量范围。虽然符号歧义性(在与之间)能够如例如在参考文献[2]中所描述地那样通过将两个偏振测定信号与(静态)相对相偏(优选地为π/2，称作正交信号)相组合来去除，但是(与之间的)周期方面（periodwise）的歧义性是所有干涉测定测量的固有问题。对于相移的相对测量而言，测量范围能够通过条纹计数、零计数或者类似的历史跟踪技术来扩展。在AC电压测量中，因此能够通过将正交偏振测定信号组合并且使用由AC电压围绕零连续震荡的事实所促进的零计数(参见参考文献[2-4])，将测量范围扩展至π电压的许多倍。然而，对于其中历史信息是不可用的或者不可靠的绝对测量，周期方面的歧义性是真正的问题并且对可实现的测量范围放置基本的限制。由于振荡波形的不存在并且因而零参考的缺乏，尤其对于DC电压或DC电流测量，情况是这样。此外，后者使得难以将电压或电流漂移与诸如变化光学损耗、应力引起双折射等的效应加以区分。参见参考文献[5]，已经尝试通过对所应用的电压进行斩波来解决漂移问题，但是这类解决方案不易适合HV应用。电光电压传感器也能够使用如例如[6]中所述的调制相位检测(MPD)技术来构建。它一般在非交互相位调制方案中实现，并且通常用于光纤陀螺仪和光纤电流传感器中，参见参考文献[7、8]。交互MPD传感器具有优良相位精度和DC稳定性。共同拥有的专利US 7911196 (本文中引用为参考文献[9])描述一种结合电压感测元件(或者若干这类元件)、45°法拉第旋转器以及MPD调制和检测电子器件的电压传感器。周期方面的歧义性仍然是这种技术中的局限性，并且因此如所述传感器也只能够测量-π与+π之间的DC电光相移。具有横向配置电压单元的类似系统能够见于参考文献[10]中。已努力将干涉测量的明确测量范围扩展到2π之外。专利申请WO9805975A1[11]和EP1179735A1[12]两者提出了例如使用尤其是电压或者电流测量中的两个不同的光学波长。因为如由被测对象引起的光学相移取决于波长，在两个波长测量的干涉测定信号通常具有作为被测对象的函数的不同的周期性。因此，由在两个波长的检测器读数组成的测量的值对不具有对于被测对象的简单周期相关性，并且因此能够被用来在大范围中明确分配被测对象值。还能够使用3个或多个的波长(参见参考文献[12])，提供消除所有的剩余歧义点的另外优点。然而，二波长(或者多波长)方法要求在不同波长的至少2组光源和检测器，这显著增加复杂性并且可能降低传感器系统的可靠性。在干涉测量的另一个方法中，使用低相干光。与由用于常规干涉仪的相干激光源发射的单色辐射相对，这种辐射囊括相对宽的带宽(有时称为白光)。因此，与带宽成反比的低相干光的相干时间是相对短的，仅等于少数光学周期。低相干光源被广泛用于许多光纤传感器，尤其是由许多不同部分、组件和接口组成的传感器，主要用来在时间上将干扰波局部化并且从不期望的后向散射和交叉耦合消除寄生干扰。相同的想法也如在[13]描述的相干复用的传感器系统中进行了探索，其中，基于其非重叠的相干时间来组合并且分离多个信号。窄相干峰值提供了对于干涉测定测量的自然绝对参考。一个最早对传感器应用采用该原理的尝试出现在参考文献[14]中，并且第一个充分开发的位置传感器在参考文献[15]和US4596466[16]中证明。已开发了使用相同原理的多个低相干干扰传感器来测量物理量，例如压力( [17])、温度( [18，19])等。通常在这些系统中，远程感测干涉仪光学串联连接至本地参考干涉仪。随着本地干涉仪(如例如参考文献[20]中描述的机械地或者电子地)被扫描，低相干光产生一包白光干涉条纹，并且该包的中心条纹提供对于两个干涉仪之间相移的精确复制和锁定的绝对参考，使得在中断之后不应该发生\零遗忘\。同时询问本地干涉仪，例如采用另一个单色光通过条纹计数来测量传输的相移。应该注意的是，对于使用如上所述的低相干光源的所有技术，低相干光用来明确地将干扰信号从一个干涉仪传输到另一个，并且通过常规的条纹计数部件在参考干涉仪中执行相位测量。还已知称作光学相干域反射法的相关的光学测距技术，参见参考文献[21,22]。该技术扫描延迟线并且检测白光干涉条纹，以便从各种接口测量反射波的到达次数。它在1990年代早期被商业化，并且在该领域获得广泛使用。相同的概念能够扩展至表面压型（profiling）([23])，还扩展至生物样品中的横截面成像，在所述情况下已出现了称作光学相干断层扫描(OCT)([24])的整个领域，其在生物诊断中变得非常强大的工具。这些技术对于样品特性使用反射的或者散射的白光干扰条纹。对于这些技术，使用的波的相移通常不是感兴趣的参数。代替在被称为时域的方法中扫描延迟来获得白光干扰条纹，在所谓的频域方法中，能够备选地使检测波长变化，并且以固定的非零延迟来测量频谱。在这种情况下，测量含有许多频谱条纹的调制的频谱。频域白光干涉仪含有与时域对应物基本相同的信息，并且能够通过光谱仪单步完成数据获取。它被广泛用于光学相干断层扫描研究[25]，但是也看到了一些传感器应用。在美国专利5301010[26]中，白光干扰条纹对比度对物理量的相关性被明确用来测量那个量。在本专利中，使用双干涉仪设置并且参考干涉仪的一个臂中的反射器往返震荡，以记录给定的位置附近的多个白光干扰条纹。使用这些条纹的最大值和最小值的相对强度来计算给定路径长度处的干扰对比度的值，并且然后从该对比度值来推断被测对象。本专利还包含具有阶梯式反射镜的优选实施例，产生具有位于其间的测量点的两个移位的白光干扰条纹包。在本专利中，计算干扰对比度并且有意用于物理量的测量。然而，在该技术中不执行相位测量，并且要求通过多个干扰条纹的扫描来测量对比度。WO 94/18523、WO 03/093759和US 2006/0158659描述还依赖于扫描宽带光的整个干扰条纹的干涉测定设置。鉴于上文，将提供一种具有干涉测定传感器视为本专利技术的目的，传感器由两个波之间的相对相移代表的待测量的参数，其没有展现出周期方面的歧义。将对于测量DC参数的传感器去除周期方面的歧义视为本专利技术的特定目的，其在测量的时长期间不快速震荡。
技术实现思路
因此，根据本专利技术的第一方面，提供一种干涉测定传感器，其具有：感测元件，由此，被测对象引起两个波之间的相对相移；至少一个检测器，其测量两个波之间的干扰信号，并且还包含：相移检测单元，具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种干涉测定传感器，包括：感测元件(22)，由此，被测对象在经过所述感测元件的两个波之间引起相对相移；至少一个检测器(41、26)，测量所述两个波之间的干扰信号，并且还包括：相移检测单元(31‑1)，其具有所述干扰信号作为输入并且确定代表所述相对相移的主值的第一测量；以及对比度检测单元(31‑2)，其具有所述干扰信号作为输入用于确定代表所述两个波之间的互相关的第二测量(A,12),并且还包括用于将所述第一和第二测量转换为被测对象值的处理单元(31)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.21 EP 14156090.41. 一种干涉测定传感器，包括：感测元件(22)，由此，被测对象在经过所述感测元件的两个波之间引起相对相移；至少一个检测器(41、26)，测量所述两个波之间的干扰信号，并且还包括：相移检测单元(31-1)，其具有所述干扰信号作为输入并且确定代表所述相对相移的主值的第一测量；以及对比度检测单元(31-2)，其具有所述干扰信号作为输入用于确定代表所述两个波之间的互相关的第二测量(A,12),并且还包括用于将所述第一和第二测量转换为被测对象值的处理单元(31)。2.如权利要求1所述的传感器，其中，所述第二测量是有关所述干扰对比度或者条纹可见性的参数。3.如权利要求1或2所述的传感器，其中，所述信号处理单元(31)将所述第二测量与代表跨所述传感器的测量范围的两个波之间的互相关函数(A)的参数值的预先确定的函数或者映射进行匹配。4.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述信号处理单元(31)使用所述第二测量来确定周期计数器n。5.如前述权利要求中任一项所述的传感器，还包含生成两个波的一个或多个源(20)，所述两个波的互相关(A)随所述传感器的所述测量范围内的所述两个波之间的相对组延迟强烈并且单调变化。6.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，，其中A是所述第二测量，并且是所述相移。7.如权利要求5或6中任一项所述的传感器，其中，所述两个波由相同的源(20)生成，由此，所述互相关函数(A)是由所述源(20)生成的所述波的自相关函数。8.如权利要求5至7中任一项所述的传感器，其中所述一个或多个源(20)具有覆盖连续带的频谱或者由多个不连接的带或者不连接的频谱线组成的频谱。9.如前述权利要求中任一项所述的传感器，还包含组延迟偏置元件(40)，用来采用所述两个波之间的所述相对组延迟将所述传感器的所述测量范围移位到所述互相关函数(A)的单调变化的区(14)中。10.如权利要求9所述的传感器，其中，所述组延迟偏置元件(40)是双折射材料、双折射波导、偏振保持光纤或者其组合。11.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述传感器的所述测量范围包含其中所述互相关函数(A)关于所述组延迟的梯度具有最大值的区。12. 如前述权利要求中任一项所述的传感器，还包括具有至少两个检测器(26-2、26-3)的至少两个干扰信道和所述干扰信道的至少一个中的至少一个静态光学相位偏置元件(24)，并且其中，所述信号处理单元(31)将所述至少两个干扰信道的所述干扰信号组合，以形成所述第一测量(arg Y)和所述第二测量(abs Y)。13.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾逊，SV马切泽，K博纳特，A弗兰克，
申请(专利权)人：ABB瑞士有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH