【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学传感器系统和使用光学传感器系统确定物理参数的方法。
技术介绍
1、光纤在通信技术中是众所周知的，用于长距离传输光形式的信息。然而，光纤也可以用于探测环境的物理参数，这是由于所述参数对光纤的光学性质的影响。因此，从光纤出射的光受到光纤穿过的环境的物理参数的影响。物理参数例如是温度、应变、磁场、电场等。
2、探测某些物理参数的一种方式是将对所述物理参数特别敏感的光学元件引入光纤中。一种众所周知的方法是基于光纤布拉格光栅的光纤感测，其通常是指直接使用布拉格光栅(短fbg)的物理变形的技术，所述布拉格光栅被制造到光纤的芯中。这些光栅由一系列均匀的部分反射/折射缺陷组成，这些缺陷在空间上以限定的周期(λ)分开。当反射光与光栅结构共振时，反射波增强(相长干涉)。反射波长λb(也称为布拉格波长)被定义为λb＝2neλ，其中ne是光纤芯的折射率。对于有限长度的非理想光栅，布拉格波长是特征带宽的中心波长。通常，光栅元件的数量越多，光栅的反射率越高，并且反射波长的带宽越窄。当fbg由于应变而变形时，光栅的布拉格波长偏移。如果光栅被拉伸，则偏移朝向红色发生，或者如果光栅被压缩，则偏移朝向蓝色发生。在典型的fbg传感器系统中，光纤传感器中的每个光栅具有不同的布拉格波长，允许它们容易地在光谱上区分，通常使用衍射光栅和线性阵列检测器或波长调制光源和单个检测器。利用足够窄的带宽，能够在单个光纤(波分复用，wdm)内跟踪许多传感器。然而，通常存在折衷，由此需要光栅的较高反射率来实现足够窄的带宽和穿过光纤的光的衰减，从而降低信噪比。
3、使用光纤和反射器确定环境的物理性质的另一种完全不同的方法是光纤段干涉测量(fiber segment interferometry)，简称fsi。fsi是最初由英国的克兰菲尔德(cranfield)大学开发并在gb2568305a1和gb2571575a1中公开的距离分辨干涉测量技术。fsi和其他光纤技术在“range-resolved optical interferometric signal processing(距离分辨光学干涉信号处理)”，kissinger，thomas(论文，克兰菲尔德大学)中进行了详细描述。
4、基于fsi技术的光纤传感器可以用于测量物体长度的非常小的(即，十亿分之几)变化。它可以通过利用距离分辨干涉测量峰值跟踪算法来实现这一点，如在上述现有技术中以及在thomas kissinger、ricardo correia、thomas o.h.charrett、stephen w.james和ralph p.tatam的“fiber segment interferometry for dynamic strainmeasurements(动态应变测量的光纤段干涉测量)”，j.lightwave technol.34,4620-4626(2016)中公开的。
5、fsi是采用相干光源(例如激光器)的测量技术。光被引导通过光纤。以期望的调制频率(例如高达200khz)调制光的波长。调制光优选地经由耦合装置(例如3端口光环行器)发射到光纤中。光从光纤反射并通过耦合装置返回到光电检测器，如现有技术图1所示。当然，本领域的技术人员可以实现将光发射到光纤中并将反射光从光纤引导到光电检测器的其他装置，诸如光纤耦合器和/或分束器的布置。
6、光学传感器系统包括光纤、在光纤的远端处的参考反射器以及沿着光纤的长度布置在光纤的远端和近端之间的多个感测反射器。感测反射器与参考反射器一起形成一系列法布里-珀罗(fabry-pérot)光学腔，也称为法布里-珀罗(f-p)或谐振器。从参考反射器到每个单独的感测反射器的距离是唯一的，导致每个谐振器表现出不同的谐振波长。
7、可以通过在光纤的纤芯内制造折射率的局部周期性变化来创建光纤内反射器。折射率的变化导致光根据所得到的菲涅耳系数被反射。如果结构的周期是穿过它的光的波长的一半，则反射波是同相的或共振的并且满足布拉格条件。当被光源照射时，这些光纤布拉格光栅产生具有根据波长和带宽的反射谱(reflection profile)的反射光波，其特性取决于光栅的设计参数，诸如周期数、折射率对比、切趾函数、啁啾等。
8、当然，其他反射元件也可以用作感测反射器。
9、因此，发射到光纤中的处于期望调制频率的调制光受到参考反射器和感测反射器的反射谱的影响，其中，两个反射器之间的长度受到物理参数的影响。在光纤布拉格光栅感测反射器的情况下，光纤布拉格光栅的周期根据热膨胀系数和温度，或者根据施加在光纤布拉格光栅中的物理应变。光从光纤反射并通过耦合装置返回到光电检测器，如现有技术图1所示。检测到的信号被数字化，例如在200mhz，每个测量/调制周期提供大约1000个样本。
10、从调制周期到调制周期随时间跟踪谐振的相对相位提供了每个感测反射器与参考反射器之间的相对距离乘以光纤的折射率，也称为光路长度。在下文中，距离总是光学距离。称为测量段的每对相邻的感测反射器之间的间隔是已知的。由于参考反射器的相对较高的反射率，感测反射器之间的交叉干涉比与参考反射器的干涉相对较弱。
11、每个测量段的光路长度由于应变而改变。这由测量段的第一感测反射器到参考反射器与测量段的第二感测反射器到参考反射器之间的路径长度差来确定。因此，当光纤牢固地附接到另一个元件并且该元件经受应变时，光纤可以用于应变测量应用中。由于光纤的热光系数(折射率的温度相关变化)和热膨胀，每个段的光路长度也可以根据温度而变化。为此，光纤通常放置在合适的光滑钻孔护套材料(如聚合物管或玻璃毛细管)内，其允许光纤随温度自由膨胀。当然，由于沿着光纤的长度指定测量段，因此仅用于温度测量的测量段必须放置在这种护套材料中。如果光纤牢固地附接到另一种材料，并且因此经受由另一种材料的热膨胀和热光系数的变化引起的应变，则也可以使用温度测量。当然，如果光纤粘结到柔性膜，则也可以使用光纤测量压力，从而在膜的压力诱导弯曲时在光纤上引起应变。
12、当入射光的波长被调制时，反射光信号形成时间分辨干涉图，该时间分辨干涉图包含振幅中的特征谐振峰，对应于每个法布里-珀罗谐振器的长度。法布里-珀罗谐振器由参考反射器和相应的感测反射器组成。
13、根据已知的现有技术的参考反射器是通过在光纤的远端处进行切割来实现的，如thomas kissinger、ricardo correia、thomas o.h.charrett、stephen w.james和ralphp.tatam的“fiber segment interferometry for dynamic strain measurements(动态应变测量的光纤段干涉测量)”，j.lightwave technol.34,4620-4626(2016)中公开的。光纤的端部的机械切割产生玻璃到空气的界面。这样的界面具有大约3.5％的菲涅耳反射。
14、然而，上面公开的反射器非常容易受到污染。此外，参考本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种传感器系统(1)，包括：至少一个光纤(7)、可调制光源(4)和光电检测器(5)；至少一个光纤(7)包括至少两个感测反射器(1.1、1.2至1.i)；并且至少一个光纤(7)包括至少一个参考反射器(2)；所述至少一个光纤(7)中的每一个还包括远端(72)和近端(71)；其中，测量段(3.1至3.i)形成在两个感测反射器(1.1至1.i)之间；其中，所述测量段(3.1至3.i)被布置在所述远端(72)与所述近端(71)之间；其中，所述光源(4)被布置在所述光纤(7)的所述近端(71)处；其特征在于，所述参考反射器(2)设置在所述近端(71)与所述远端(72)之间；并且所述参考反射器与所述远端(72)间隔开至少1mm。
2.根据权利要求1所述的传感器系统(1)，其特征还在于，所述参考反射器(2)设置在所述近端(71)与最靠近所述远端(72)的所述感测反射器(1.1)之间；或者优选地，所述参考反射器(2)设置在所述近端(7.1)与最靠近所述近端(71)的所述感测反射器(1.1)之间。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的传感器系统(1)，其特征还在于，所述参
4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器系统，其特征还在于，衰减器(21)被布置在所述光纤(7)的所述远端(72)处；或者所述光电检测器(5)被布置在所述光纤(7)的所述远端(72)处。
5.根据权利要求4所述的传感器系统，其特征还在于，所述测量段(3.1至3.i)被布置在感测区域(8)中；并且所述测量段(3.1至3.i)被配置为根据所述感测区域(8)内的物理性质来改变其性质，所述物理性质例如是温度、压力或应变；并且所述衰减器(21)被布置在所述感测区域(8)中。
6.根据权利要求4或5中任一项所述的传感器系统，其特征还在于，所述衰减器被配置为将入射光衰减至少-0.1dB/mm(分贝每毫米)，优选地大于-2dB/mm；或者所述衰减器具有不大于100mm、优选地不大于20mm的长度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器系统，其特征还在于，所述光源(4)具有可调制的波长；所述光源(4)被配置为发射以调制速率调制的光；并且所述光源(4)被配置为发射具有比所述感测反射器(1.1、1.2至1.i)中的任一个与所述至少一个参考反射器(2)中的最近的一个之间的最大距离更长的相干长度的光。
8.根据权利要求3所述的传感器系统(1)，其特征还在于，所述感测反射器(1.1、1.2至1.i)的带宽在约1550nm波长处为至少1nm；并且所述光源(4)被配置为发射具有小于10GHz、优选地小于2MHz的线宽的光。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的传感器系统(1)，其特征还在于，所述参考反射器(2)的反射率是任何感测反射器(1.1、1.2至1.i)的反射率的至少两倍，优选五倍；或者所述参考反射器(2)的反射率是任何感测反射器(1.1、1.2至1.i)的反射率的至少一半，优选五分之一。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的传感器系统(1)，其特征还在于，所述光源(4)的调制速率为至少10Hz，优选地为至少200kHz；所述光源(4)是分布式反馈二极管；并且所述光电检测器(5)包括恰好一个单一光敏元件。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的传感器系统(1)，其特征还在于，所述传感器系统(1)包括评估单元(6)；并且所述评估单元(6)被配置为在调制所述光源(4)的光时，随时间跟踪谐振的相对相位。
12.一种光学感测方法，包括以下步骤：
13.根据权利要求11所述的光学感测方法，还包括以下步骤：
14.根据权利要求11或12中任一项所述的光学感测方法；其中，所述光电检测器(5)包括恰好一个单一光敏元件。
15.根据权利要求11至13中任一项所述的光学感测方法；其中，所述参考反射器(2)设置在所述近端(71)与所述远端(72)之间；并且所述参考反射器与所述远端(72)间隔开至少1mm；或者所述参考反射器(2)设置在所述近端(71)与最靠近所述远端(72)的所述感测反射器(1.1)之间，并且所述参考反射器与所述远端(72)间隔开至少1mm；或者所述参考反射器(2)设置在所述近端(7.1)与最靠近所述近端(71)的所述感测反射器(1.1)之间，并且所述参考反射器与所述远端(72)间隔开至少1mm。
...【技术特征摘要】
1.一种传感器系统(1)，包括：至少一个光纤(7)、可调制光源(4)和光电检测器(5)；至少一个光纤(7)包括至少两个感测反射器(1.1、1.2至1.i)；并且至少一个光纤(7)包括至少一个参考反射器(2)；所述至少一个光纤(7)中的每一个还包括远端(72)和近端(71)；其中，测量段(3.1至3.i)形成在两个感测反射器(1.1至1.i)之间；其中，所述测量段(3.1至3.i)被布置在所述远端(72)与所述近端(71)之间；其中，所述光源(4)被布置在所述光纤(7)的所述近端(71)处；其特征在于，所述参考反射器(2)设置在所述近端(71)与所述远端(72)之间；并且所述参考反射器与所述远端(72)间隔开至少1mm。
2.根据权利要求1所述的传感器系统(1)，其特征还在于，所述参考反射器(2)设置在所述近端(71)与最靠近所述远端(72)的所述感测反射器(1.1)之间；或者优选地，所述参考反射器(2)设置在所述近端(7.1)与最靠近所述近端(71)的所述感测反射器(1.1)之间。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的传感器系统(1)，其特征还在于，所述参考反射器(2)是光纤布拉格光栅；或者所述感测反射器(1.1、1.2至1.i)是光纤布拉格光栅，并且所述参考反射器(2)是光纤布拉格光栅。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器系统，其特征还在于，衰减器(21)被布置在所述光纤(7)的所述远端(72)处；或者所述光电检测器(5)被布置在所述光纤(7)的所述远端(72)处。
5.根据权利要求4所述的传感器系统，其特征还在于，所述测量段(3.1至3.i)被布置在感测区域(8)中；并且所述测量段(3.1至3.i)被配置为根据所述感测区域(8)内的物理性质来改变其性质，所述物理性质例如是温度、压力或应变；并且所述衰减器(21)被布置在所述感测区域(8)中。
6.根据权利要求4或5中任一项所述的传感器系统，其特征还在于，所述衰减器被配置为将入射光衰减至少-0.1db/mm(分贝每毫米)，优选地大于-2db/mm；或者所述衰减器具有不大于100mm、优选地不大于20mm的长度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器系统，其特征还在于，所述光源(4)...
【专利技术属性】
技术研发人员：J·沃勒，F·罗西，M·萨默斯，K·斯泰瑟姆，
申请(专利权)人：基斯特勒控股公司，
类型：发明
国别省市：
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