一种光干涉型集成微位移传感结构及其检测方法技术

本发明专利技术公开了一种光干涉型集成微位移传感结构及其检测方法，针对静态及动态微位移量及其派生物理量的检测。通过光栅耦合将高精度光干涉检测方法引入高度集成的传感结构中。利用集成的可驱动光栅根据需要灵活精确地对输出干涉光信号附加相位调制，同时又配置集成应变传感单元检测实际的附加相位调制用于校正。检测方法中通过控制光栅位移给输出干涉光信号精确附加所需相位调制，采用解决光干涉型传感技术静态工作点问题的传感信号解调方法，相比于现有光栅干涉型传感器通常采用的近似线性解调方法，提高了微位移检测的稳定性与准确性。本发明专利技术实现了集成化微位移检测及其光干涉信号的高性能解调，尤其适用于工作条件复杂的高精度便携式检测设备。高精度便携式检测设备。高精度便携式检测设备。

【技术实现步骤摘要】
一种光干涉型集成微位移传感结构及其检测方法


[0001]本专利技术涉及测量领域，特别是涉及一种光干涉型集成微位移传感结构及其检测方法。

技术介绍

[0002]光学检测方法利用光波特性可以实现高性能的传感功能，其中光干涉型检测方法将响应待测量产生的光相位变化转化为相位差调制的光强变化，既利用了光相位调制方法的高灵敏度优势，又采用较成熟的光强信号检测，尤其适合高精度传感技术的发展。面向当前智能传感器在便携设备中的广泛应用需求，除高性能之外，小型化、集成化也成为基于光学检测方法的传感器的重要发展方向。
[0003]目前光干涉型传感技术一个实用化关键问题是光干涉信号的高性能解调，若对干涉光传感信号采用简单的近似线性解调，其静态工作点处于最佳位置时可以获得最高的灵敏度、线性度和动态范围，但静态工作点一旦受到环境因素或传感器内部因素干扰发生偏移，则会严重降低检测性能。现有解决方法从调整静态工作点和设计较复杂解调方法以消除静态工作点影响两个方向出发，但都至少需要配置高要求的激光光源、复杂的检测光路、复杂的传感结构、或者较大的信号处理运算中的一项。针对长距离分布式光纤传感等较大设备应用，以上条件需求容易满足，但并不适合小型化、集成化、智能化的传感技术应用需求。因此，针对当前高性能光干涉型传感技术的小型化、集成化应用需求，急需一种能够实现光干涉信号高性能解调的集成化微位移传感结构。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种光干涉型集成微位移传感结构及其检测方法，能够实现集成化微位移检测及其光干涉信号的高性能解调。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]一种光干涉型集成微位移传感结构由上至下依次包括：被测层、集成光栅层和光电检测层；
[0007]所述集成光栅层，与所述被测层构成FP干涉腔；
[0008]所述被测层包括敏感结构和反光膜，所述反光膜贴附于所述敏感结构的下表面；所述反光膜为所述FP干涉腔的一个反射平面；所述敏感结构用于将外部待测量转化为垂直方向的待测微位移；
[0009]所述集成光栅层包括第二支撑构件、可驱动光栅和集成应变传感单元；所述可驱动光栅连接在所述第二支撑构件上；所述集成应变传感单元设置在所述可驱动光栅上；
[0010]所述可驱动光栅包括光栅、连接梁和驱动臂；所述光栅设置在所述反光膜的正下方且所述光栅与所述反光膜平行；所述光栅为所述FP干涉腔的另一个反射平面；所述光栅通过所述连接梁固定在所述驱动臂的一端上；所述驱动臂的另一端固定在所述第二支撑构件内表面上边缘；所述驱动臂受控产生弯曲形变使得所述光栅产生垂直位移，以使所述FP
干涉腔的腔长发生可控改变，用于光干涉信号解调；
[0011]所述集成应变传感单元，设置在所述驱动臂上，用于检测所述光栅产生的所述垂直位移；
[0012]所述光电检测层包括光源和光探测器；所述光源射出的光线经过所述光栅透出后入射到所述反光膜；所述光探测器用于接收输出干涉光信号并根据所述输出干涉光信号的光强输出电流信号；所述输出干涉光信号为所述反光膜反射的光信号从所述光栅透出后与光源发射的直接被所述光栅反射的光信号发生干涉得到的干涉光信号。
[0013]可选的，所述被测层还包括第一支撑构件，所述第一支撑构件用于支撑所述敏感结构。
[0014]可选的，所述敏感结构、所述第一支撑构件与所述可驱动光栅构成FP干涉腔体。
[0015]可选的，所述光电检测层还包括基板；所述光源和所述光探测器固定在所述基板上。
[0016]可选的，所述可驱动光栅、所述第二支撑构件与所述基板构成腔体。
[0017]一种光干涉型集成微位移传感结构的检测方法，包括：
[0018]步骤1：根据设定附加相位调制信号计算所述可驱动光栅的驱动信号；
[0019]步骤2：将所述驱动信号输入所述驱动臂使所述光栅产生垂直位移；
[0020]步骤3：所述集成应变传感单元检测所述垂直位移，得到垂直位移测量值；
[0021]步骤4：根据所述垂直位移测量值计算实际附加相位调制信号并对所述设定附加相位调制信号进行校正；
[0022]步骤5：对所述光探测器检测得到的输出干涉光光强信号进行解调得到待测微位移量。
[0023]可选的，根据设定附加相位调制信号计算所述可驱动光栅的驱动信号，具体包括：
[0024]采用光干涉信号解调的相位生成载波解调方法，设定附加相位载波调制信号Ccos(ω0t)，其中C为设定附加相位载波调制深度，ω0为载波角频率；
[0025]根据计算对应光栅垂直位移，其中λ为激光光源波长，S
g
(t)为垂直位移；
[0026]根据所述垂直位移，计算所述可驱动光栅中各驱动臂所需弯曲变形；
[0027]根据所述驱动臂的驱动原理及驱动特性，计算所述各驱动臂的电压或电流驱动信号。
[0028]可选的，所述相位生成载波解调方法，具体包括：
[0029]利用附加设定相位载波调制信号Ccos(ω0t)的干涉光光强信号对干涉光信号进行解调，其中，C为设定附加相位载波调制深度，ω0为载波角频率，I(t)为输出干涉光光强信号，A为直流量，B为干涉信号幅值，为初始腔长对应的初始干涉相位，为待测微位移对应的待测干涉相位。
[0030]可选的，根据所述垂直位移测量值计算实际附加相位调制信号并对所述设定附加相位调制信号进行校正，具体包括：
[0031]根据所述垂直位移测量值，计算所述光栅产生所述垂直位移的实际附加相位载波
调制信号得到C
p
和其中，C
p
为实际附加相位载波调制深度，为实际附加相位载波初相位，ω0为载波角频率；
[0032]C
p
和代入所述相位生成载波解调方法的解调算法，用于校正实际附加相位载波调制信号与设定附加相位载波调制信号中参数的偏差，以使用准确的载波参数进行解调运算；
[0033]可选的，对所述光探测器检测得到的输出干涉光光强信号进行解调得到待测微位移量，具体包括：
[0034]所述光探测器将输出干涉光光强转化为电流信号；
[0035]根据所述相位生成载波解调方法，通过所述输出干涉光光强信号计算得到待测微位移对应的待测干涉相位
[0036]根据所述待测微位移对应的待测干涉相位通过计算得到待测微位移量；
[0037]其中，I(t)为输出干涉光光强信号，A为直流量，B为干涉信号幅值，为初始腔长对应的初始干涉相位，C
p
为实际附加相位载波调制深度，为实际附加相位载波初相位，ω0为载波角频率，为待测微位移对应的待测干涉相位，S
m
(t)为待测微位移量，λ为激光光源波长。
[0038]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0039]本专利技术提供的光干涉型集成微位移传感结构，通过光栅耦合将高精度光干涉检测方法引入高度集成的传感结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光干涉型集成微位移传感结构，其特征在于，所述光干涉型集成微位移传感结构由上至下依次包括：被测层、集成光栅层和光电检测层；所述集成光栅层，与所述被测层构成FP干涉腔；所述被测层包括敏感结构和反光膜，所述反光膜贴附于所述敏感结构的下表面；所述反光膜为所述FP干涉腔的一个反射平面；所述敏感结构用于将外部待测量转化为垂直方向的待测微位移；所述集成光栅层包括第二支撑构件、可驱动光栅和集成应变传感单元；所述可驱动光栅连接在所述第二支撑构件上；所述集成应变传感单元设置在所述可驱动光栅上；所述可驱动光栅包括光栅、连接梁和驱动臂；所述光栅设置在所述反光膜的正下方且所述光栅与所述反光膜平行；所述光栅为所述FP干涉腔的另一个反射平面；所述光栅通过所述连接梁固定在所述驱动臂的一端上；所述驱动臂的另一端固定在所述第二支撑构件内表面上边缘；所述驱动臂受控产生弯曲形变使得所述光栅产生垂直位移，以使所述FP干涉腔的腔长发生可控改变，用于光干涉信号解调；所述集成应变传感单元，设置在所述驱动臂上，用于检测所述光栅产生的所述垂直位移；所述光电检测层包括光源和光探测器；所述光源射出的光线经过所述光栅透出后入射到所述反光膜；所述光探测器用于接收输出干涉光信号并根据所述输出干涉光信号的光强输出电流信号；所述输出干涉光信号为所述反光膜反射的光信号从所述光栅透出后与光源发射的直接被所述光栅反射的光信号发生干涉得到的干涉光信号。2.根据权利要求1所述的光干涉型集成微位移传感结构，其特征在于，所述被测层还包括第一支撑构件，所述第一支撑构件用于支撑所述敏感结构。3.根据权利要求2所述的光干涉型集成微位移传感结构，其特征在于，所述敏感结构、所述第一支撑构件与所述可驱动光栅构成FP干涉腔体。4.根据权利要求1所述的光干涉型集成微位移传感结构，其特征在于，所述光电检测层还包括基板；所述光源和所述光探测器固定在所述基板上。5.根据权利要求4所述的光干涉型集成微位移传感结构，其特征在于，所述可驱动光栅、所述第二支撑构件与所述基板构成腔体。6.一种光干涉型集成微位移传感结构的检测方法，基于权利要求1
‑
5任意一项所述的光干涉型集成微位移传感结构，其特征在于，所述光干涉型集成微位移传感结构的检测方法包括：步骤1：根据设定附加相位调制信号计算所述可驱动光栅的驱动信号；步骤2：将所述驱动信号输入所述驱动臂使所述光栅产生垂直位移；步骤3：所述集成应变传感单元检测所述垂直位移，得到垂直位移测量值；步骤4：根据所述垂直位移测量值计算实际附加相位调制信号并对所述设定附加相位调制信号进行校正；步骤5：对所述光探测器检测得到的输出干涉...

【专利技术属性】
技术研发人员：张萌颖，王思蕴，赵全亮，何广平，赵磊，苏婷婷，
申请(专利权)人：北方工业大学，
类型：发明
国别省市：