一种高分辨率光学传感装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于光学传感技术领域，具体涉及一种基于激光锁频技术的高分辨率光学传感装置，主体结构包括分别与环形器连接的激光器、光学谐振腔和光电探测器，以及通过锁频模块与光电探测器连接的激光驱动器，通过信号发生器调制激光器的工作电流，从而调制出射光频率，经锁相放大信号处理生成误差信号，并未采用相位调制器，简化了系统结构，节约了成本，误差信号输入到比例积分微分控制器中经计算得到相应的反馈信号，通过激光驱动器调节激光器的电流，实现激光器输出频率对光学谐振腔谐振峰的跟随，通过检测锁频反馈信号，实现对光学谐振腔谐振波长变化的监测，将锁频模块的反馈信号作为光学谐振腔的传感信号，解调出传感信息。解调出传感信息。

【技术实现步骤摘要】
一种高分辨率光学传感装置

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[0001]本专利技术属于光学传感
，具体涉及一种基于激光锁频技术的高分辨率光学传感装置，能够应用于海洋探测、地壳形变、环境监测和生命科学等领域。

技术介绍
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[0002]光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，作为一种光传导工具，其传输原理是“光的全反射”，光纤最早被用于光通信领域。随着光纤光栅技术的发展，光纤技术不仅可用于光波信号的传播，同时可将外界物理参量的变化转换为光纤中光波信号特征参数(如振幅、相位、频率等)的变化，作为传感器监测各种物理量的变化。与传统传感器相比，光纤传感器以其结构简单、体积小、重量轻、低能耗、耐腐蚀、抗电磁干扰、电绝缘性能好、便于复用等优点广泛应用于石油化工、航空航天、航海、智能结构监测、医疗等领域。虽然光纤光栅传感技术取得了一些研究成果，然而测量光栅多采用常规的布拉格光栅，光源采用宽谱光源，解调系统采用光谱仪，例如，中国专利201420496603公开的一种等离子体多波长杂质光谱监测装置，包括有集光镜头、多波长分光系统、光谱仪、采集系统，所述多波长分光系统由入射光耦合镜头、出射光耦合镜头、多组体布拉格光栅、多组采集用耦合镜头构成，多组体布拉格光栅设置在入射光耦合镜头与出射光耦合镜头之间，且入射光耦合镜头、出射光耦合镜头、多组体布拉格光栅沿一字排列，多组采集用耦合镜头一一对应设置在多组体布拉格光栅的衍射光偏转光路上，所述集光镜头通过导光光纤耦合至多波长分光系统中入射光耦合镜头，所述光谱仪通过导光光纤与多波长分光系统中出射光耦合镜头耦合，所述采集系统电连接有多组光电探测器，且多组光电探测器一一对应与多组采集用耦合镜头耦合。
[0003]中国专利201610968706公开的基于无芯光纤布拉格光栅高温传感方法，包括如下步骤：步骤(1)选择一个无芯光纤布拉格光栅作为高温传感器；所述无芯光纤布拉格光栅由飞秒激光器在无芯光纤上刻写得到；步骤(2)选择一个输出波长覆盖1500nm至1600nm高稳定宽带光源、一个工作波长覆盖1500nm至1600nm的光谱仪、一个环形器；步骤(3)将高稳定宽带光源的输出端口和环形器的第一端口光纤连接；将光谱仪的输入端口和环形器的第二端口光纤连接；将环形器第三端口和一个带有布拉格光栅的无芯光纤连接；步骤(4)将高温传感器置入需要测量温度的环境中，开启高稳定宽带光源，由无芯光纤布拉格光栅反射回的光，其反射峰峰值对应的波长为λ0＝2neffΛ，其中neff为无芯光纤布拉格光栅的有效折射率，Λ为布拉格光栅的周期；当环境温度变化时，该反射峰峰值对应的波长也会变化，从而通过测量反射峰峰值对应的波长的漂移来确定施加在无芯光纤上的温度。这种方案存在实时动态解调困难，而且受光源光谱功率密度、光栅谱宽以及光谱仪分辨率的限制等问题，灵敏度和分辨率均不能满足需求。
[0004]近年来，随着光电子器件、特种光纤光栅器件、数据处理芯片性能的提升，高精度光纤光栅传感技术得到了长足的发展。通过采用具有高光功率密度的窄线宽可调激光光源和低噪声光电探测器，采用谱宽极窄的Fabry
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Perot(F
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P)谐振腔或相移光纤光栅作为传感
探头以及基于Pound
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Drever
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Hall(PDH)激光稳频原理的解调技术，实现了超高分辨率的静态和动态应变测量。例如，中国专利202021638989公开的一种基于光腔衰荡大范围高精度光纤光栅传感的装置，包括：LED宽带光源、信号发生器、2
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1光纤耦合器、传输光纤、光纤延时线、环形器、光纤光栅(FBG)、边缘滤波器、光电探测器、PC机以及示波器；2
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1光纤耦合器包括第一耦合器和第二耦合器；宽带光源通过电缆与信号发生器的输出口连接，第一耦合器一侧的两个端口分别与宽带光源和光纤延时线的一端相连，光纤延时线的另一端与第二耦合器的一端口一端相连，环形器的1口与第二耦合器的一端相连，环形器的2口与光纤光栅(FBG)相连，环形器的3口与边缘滤波器的一端相连，边缘滤波器的另一端与第一耦合器的一端相连，光电探测器的输入口与第二耦合器的一端相连，PC机通过USB线与光电探测器相连，光电探测器的输出口与示波器通过光缆相连；第一耦合器、光纤延时线、第二耦合器、环形器、光纤光栅(FBG)和边缘滤波器构成衰荡腔结构，光纤光栅(FBG)作为传感区，光电探测器、PC机和示波器作为传感器的解调器；监测不同待测量时光强的衰减变化曲线，通过测量曲线的衰荡时间，实现待测量的测量。
[0005]中国专利202111145933公开的一种基于分布式光纤传感的公路隧道车辆行驶预警装置，包括车牌识别系统、光纤数据采集系统、光端机、光纤、数据交换机、存储服务器以及公路隧道车辆行驶预警设备，所述车牌识别系统设置在隧道入口处，所述光纤数据采集系统设置在隧道口，所述光纤根据预设规律的排列方式铺设在隧道内的路面；所述车牌识别系统用于对驶入隧道的车辆进行锁定标记，同步触发追踪操作，实现车辆隧道全过程动态监控；所述光纤用于当车辆经过时产生相应的关联数据信息，所述关联数据信息包括应力、振动、数据生成时间、数据生成位置；所述光纤数据采集系统用于采集实时光纤数据，所述实时光纤数据包括关联数据信息；所述光端机用于将所述实时光纤数据传输至所述数据交换机；所述数据交换机用于通过数据场景化拟合，将所述实时光纤数据中的关联数据信息与预警场景相互对应，对车辆行驶状态进行还原，最终还原车辆在隧道内的动态轨迹，所述预警场景包括车辆行驶速度、车辆行驶轨迹、车辆隧道内变道、压线、隧道堵塞、交通事故；所述存储服务器用于存储实时光纤数据，根据预设的采集精度和识别事件类型，对所述实时光纤数据进行针对性存储；所述公路隧道车辆行驶预警设备用于针对各种场景预案提前设置对应的阈值，当车辆在隧道行驶过程中出现非正常情况超过对应的阈值时，触发预警动作。其采用的基于Pound
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Drever
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Hall(PDH)激光稳频原理的解调技术，对于PDH系统而言，相位调制器是一个必须的器件，价格昂贵，不仅增加了系统的成本，而且不利于长期运行，因为系统的稳定性高度依赖于相位调制器的工作稳定性和可靠性。因此，研发设计一种高分辨率光学传感装置。

技术实现思路
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[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种基于激光锁频技术的适用于解调高精细度光学谐振腔探头的高分辨率光学传感装置。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术涉及的一种高分辨率光学传感装置的主体结构包括分别与环形器连接的激光器、光学谐振腔和光电探测器，以及通过锁频模块与光电探测器连接的激光驱动器，其中，锁频模块包括由乘法器和低通滤波器组成的锁相放大器、比例积分微分控制器和信号发生器，激光驱动器与激光器连接，形成回路。
[0008]本专利技术涉及的光电探测器依次通过乘法器、低通滤波器和比例积分微分控制器与激光驱动器连接，激光驱动器与乘法器之间设置有信号发生器。
[0009]本专利技术涉及的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高分辨率光学传感装置，主体结构包括分别与环形器连接的激光器、光学谐振腔和光电探测器，以及通过锁频模块与光电探测器连接的激光驱动器，其特征在于，锁频模块包括由乘法器和低通滤波器组成的锁相放大器、比例积分微分控制器和信号发生器，激光驱动器与激光器连接，形成回路。2.根据权利要求1所述的一种高分辨率光学传感装置，其特征在于，光电探测器依次通过乘法器、低通滤波器和比例积分微分控制器与激光驱动器连接，激光驱动器与乘法器之间设置有信号发生器。3.根据权利要求1或2所述的一种高分辨率光学传感装置，其特征在于，原理是通过信号发生器调制激光器的电流调制激光频率，通过比例积分微分控制器根据得到的误差信号计算相应的反馈信号，调节激光器的电流，使激光器输出频率跟随光学谐振腔谐振频率变化，通过检测锁频模块的反馈信号，实现对光学谐振腔传感信号的监测。4.根据权利要求3所述的一种高分辨率光学传感装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴锜，姬兰婷，李刚，杨博，
申请(专利权)人：德州尧鼎光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：