專利名稱：一種全光纖多功能傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種全光纖多功能傳感器。它是一種精密測(cè)量儀器，用在微細(xì)加工、精密測(cè)量和自動(dòng)控制等領(lǐng)域。
全光纖多功能傳感器由一個(gè)帶有光隔離器和光纖輸出端的半導(dǎo)體激光器、一個(gè)半導(dǎo)體激光器波長溫飄控制系統(tǒng)、一個(gè)分束器、多個(gè)單臂全光纖干涉系統(tǒng)和多個(gè)光纖傳感器探頭構(gòu)成。其中，控制半導(dǎo)體激光器波長溫飄的方法、單臂全光纖干涉儀和多種具有不同功能的光纖傳感器探頭是構(gòu)成該發(fā)明的幾個(gè)重要方面。
一、控制半導(dǎo)體激光器波長溫飄的方法所有的激光干涉儀或者根據(jù)激光干涉原理設(shè)計(jì)的光纖傳感器都存在激光器的波長隨溫度變化而改變(即溫飄)的問題，特別是半導(dǎo)體激光器的溫飄更大?，F(xiàn)有解決半導(dǎo)體激光器溫飄的方法是采用一個(gè)恒溫控制系統(tǒng)控制半導(dǎo)體激光器的溫度，即先由一個(gè)熱敏元件測(cè)出半導(dǎo)體激光器的溫度變化，再由反饋電路驅(qū)動(dòng)制冷器或加熱器，使半導(dǎo)體激光器的溫度恢復(fù)到原來的溫度值。使用這種方法，不僅儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，而且由于半導(dǎo)體激光器的外殼溫度和內(nèi)部溫度不完全相同，所以控制溫飄的精度很低，有時(shí)還會(huì)形成振蕩。
本發(fā)明所提出的控制半導(dǎo)體激光器波長溫飄的方法是為了解決根據(jù)半導(dǎo)體激光器鋸齒波調(diào)頻連續(xù)波外差干涉原理設(shè)計(jì)的干涉儀或光纖傳感器中的激光器波長溫飄問題。方法的具體內(nèi)容是;從半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光束中分出一束激光，這束激光經(jīng)過一個(gè)由兩個(gè)反射面構(gòu)成的、并且這兩個(gè)反射面之間的光程差(L)不隨溫度變化而改變的恒光程差干涉腔，干涉腔所形成的拍頻信號(hào)由光接收器接收。由于這種恒光程差干涉腔形成的干擾信號(hào)的初位相(φ0)可以表示為φ0＝2πL/λ0，式中的λ0為鋸齒波調(diào)頻激光的中心波長。上式表示，拍頻信號(hào)的初位相(φ0)只與激光器的中心波長(λ0)成反比。根據(jù)這一關(guān)系，用鑒相電路鑒別出拍頻信號(hào)的初位相變化量后，就可以直接或間接地控制半導(dǎo)體激光器的溫飄。直接控制方式是根據(jù)拍頻信號(hào)的初位相變化量，用一個(gè)反饋電路控制半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電流，使半導(dǎo)體激光器的中心波長恢復(fù)到原來的數(shù)值。間接控制方式是讓半導(dǎo)體激光器的中心波長隨意飄移，只是在干涉儀或光纖傳感器對(duì)其它物理量的測(cè)量結(jié)果中加上由初位相變化(即激光器溫飄)所決定的修正值。
上述控制溫飄的方法可以提高干涉儀或光纖傳感器的測(cè)量精度，簡(jiǎn)化儀器結(jié)構(gòu)，縮小儀器尺寸。實(shí)現(xiàn)上述方法可以采用以下三種方案。
方案一如

圖1所示。圖中的實(shí)線表示光路，虛線表示電路。整個(gè)系統(tǒng)由分束器(1)、用零膨脹玻璃(或其它零膨脹透明材料)制成的、上下兩個(gè)表面為平面且互相平行的玻璃塊(2)、光接收器(3)、鑒相電路(4)和反饋控制電路(或誤差校正電路)(5)組成。其中玻璃塊(2)作為恒光程差干涉腔。為了增加拍頻信號(hào)強(qiáng)度，玻璃塊(2)的上表面可以鍍半反半透膜，下表面可鍍反射膜。系統(tǒng)的工作原理是半導(dǎo)體激光器發(fā)出的鋸齒波調(diào)頻激光束被分束器(1)分為兩束光，一束光供后面的干涉儀或光纖傳感器使用，另一束光射向玻璃塊(2)，玻璃塊(2)上下兩個(gè)表面的反射光匯合后發(fā)生干涉，形成的拍頻信號(hào)穿過分束器(1)并由光接收器(3)接收，得到的電信號(hào)再經(jīng)過鑒相電路(4)，最后由反饋控制電路(或誤差校正電路)(5)直接(或間接)地控制半導(dǎo)體激光器溫飄。
方案二如圖2所示。圖中的實(shí)線為光纖、虛線為電路。整個(gè)系統(tǒng)由Y型光纖耦合器(6)和(7)、用零膨脹玻璃制成的平凸透鏡(或一小段零膨脹光纖)(8)、光接收器(9)、鑒相電路(10)、反饋控制電路(或誤差校正電路)(11)組成。其中平凸透鏡或一小段零膨脹光纖(8)作為恒光程差干涉腔，它們的前表面要與干涉系統(tǒng)的光纖端面留有一個(gè)空氣縫隙、且二者之一鍍?cè)鐾改?，使用平凸透鏡時(shí)，其后表面的球面半徑要與透鏡的厚度相等，以便后表面的反射光能夠沿原光路耦合進(jìn)光纖中。另外，為了提高拍頻信號(hào)強(qiáng)度，它們的前表面可以鍍半反半透膜，并與光纖端面粘結(jié)在一起，后表面可以鍍反射膜。系統(tǒng)的工作原理是由平凸透鏡(或一小段光纖)(8)前后表面反射的兩束反射光匯合后，形成的拍頻信號(hào)沿光纖反向經(jīng)過Y型光纖耦合器(7)，最后到達(dá)光接收器(9)，剩下的電信號(hào)處理和控制方法與方案一中的相應(yīng)內(nèi)容相同。
方案三如圖3所示。圖中實(shí)線為光纖，虛線為電路。整個(gè)系統(tǒng)由Y型光纖耦合器(12)和(13)， 1/2 周節(jié)自聚焦折射率梯度透鏡(簡(jiǎn)單梯度透鏡)(14)，用零膨脹玻璃制成的、且前后兩個(gè)表面為平面且互相平行的玻璃塊(15)，光接收器(16)、鑒相電路(17)、反饋控制電路(或誤差校正電路)(18)組成。其工作原理與方案二基本相同，不同的是激光束從光纖端口射出后要先經(jīng)過一個(gè)梯度透鏡變?yōu)槠叫泄猓缓笤俳?jīng)過作為恒光程差干涉腔的玻璃塊(15)。梯度透鏡(14)的前表面要與光纖端面粘在一起，后表面要與玻璃塊(15)之間留有一個(gè)空氣縫隙，且二者之一鍍?cè)鐾改ぁ榱颂岣吲念l信號(hào)強(qiáng)度，梯度透鏡的后表面或玻璃塊的前表面可以鍍半反半透膜，并且這兩個(gè)表面可粘在一起，玻璃塊的后表面可以鍍反射膜。
方案二和方案三適合用在光纖傳感器中。
二、單臂全光纖干涉儀激光干涉儀是一類測(cè)長精度很高的測(cè)量儀器。其中，光學(xué)外差干涉儀的優(yōu)點(diǎn)最多，它不僅分辨率和測(cè)量精度高，而且信號(hào)的接收和處理都比較簡(jiǎn)單。全光纖多功能傳感器就是根據(jù)半導(dǎo)體激光器鋸齒波調(diào)頻連續(xù)波外差干涉原理設(shè)計(jì)的。由于該傳感器是由多個(gè)不同種類的全光纖傳感器構(gòu)成，而且這些傳感器又是在一種單臂全光纖干涉儀的基礎(chǔ)上演變而成，所以下面先從單臂全光纖干涉儀開始介紹。
單臂全光纖干涉儀的結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖中的實(shí)線表示光纖，虛線表示電路。它由一個(gè)帶有光隔離器和光纖輸出端的半導(dǎo)體激光器(19)、半導(dǎo)體激光器波長溫飄控制系統(tǒng)(20)、Y型光纖耦合器(21)、干涉腔(22)、光接收器(23)、鑒相電路(24)和數(shù)據(jù)處理與顯示電路(25)組成。其中，半導(dǎo)體激光器波長溫飄控制系統(tǒng)(20)可以采用圖2或圖3所示的控溫飄系統(tǒng)，干涉腔(22)可以采用以下所述的空腔和實(shí)腔多種形式。
空腔的結(jié)構(gòu)如圖5所示。光纖的端面粘有一個(gè)梯度透鏡(26)，梯度透鏡的后表面作為干涉腔的一個(gè)反射面。干涉腔的另一個(gè)反射面(27)可以是某一個(gè)固定物理的一個(gè)表平面、也可以是一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的一個(gè)表平面。由于構(gòu)成干涉腔的兩個(gè)反射面之間沒有物體，所以被稱為空腔。
實(shí)腔是把一塊透明材料的前后表平面作為干涉腔的兩個(gè)反射面。它可以是一個(gè)前后兩個(gè)平面互相平行的玻璃塊，也可以是一段光纖。用玻璃塊作實(shí)腔時(shí)，如圖6所示，光纖的端面粘有一個(gè)梯度透鏡(28)，玻璃塊(29)的前表面要與梯度透鏡(28)的后表面之間留有一個(gè)縫隙，且二者之一鍍?cè)鐾改ぁ榱颂岣吲念l信號(hào)強(qiáng)度，玻璃塊的前表面或者梯度透鏡的后表面可以鍍半反半透膜，并且二者可粘在一起，玻璃塊(29)的后表面可以鍍反射膜。用一段光纖作實(shí)腔時(shí)不需要梯度透鏡，光纖與光纖直接對(duì)接，如圖7所示。作實(shí)腔用的光纖(30)與干涉儀的光纖端面的對(duì)接方法與圖6中玻璃塊與梯度透鏡的對(duì)接方法相同。
單臂全光纖干涉儀的工作原理是這樣的，如圖4所示，從半導(dǎo)體激光器(19)發(fā)出的鋸齒波調(diào)頻單縱模激光經(jīng)過溫飄控制系統(tǒng)(20)和Y型光纖耦合器(21)到達(dá)干涉腔(22)，干涉腔(22)的兩個(gè)反射面產(chǎn)生的兩束反射光相遇后，形成的拍頻干涉信號(hào)沿原光纖再次反向經(jīng)過Y型光纖耦合器(21)，最后到達(dá)光接收器(23)，光接收器(23)輸出的拍頻電信號(hào)經(jīng)鑒相電路(24)后，由數(shù)據(jù)處理與顯示電路(25)顯示出干涉腔的光程差變化情況。由于這種干涉儀中的各個(gè)光學(xué)元件之間都是用光纖連接，沒有裸露在空氣中的光路，所以稱之為全光纖干涉儀。又因?yàn)楦缮鎯x的拍頻信號(hào)一直是在同一條光纖中傳播，所以稱之為單臂全光纖干涉儀。
為了便于說明全光纖多功能傳感器的結(jié)構(gòu)，我們這里把去掉半導(dǎo)體激光器、溫飄控制系統(tǒng)和干涉腔后的單臂全光纖干涉儀，即如圖8所示的、由Y型光纖耦合器(31)、光接收器(32)、鑒相電路(33)、數(shù)據(jù)處理與顯示電路(34)組成的系統(tǒng)稱為“無腔單臂全光纖干涉系統(tǒng)”。
三、光纖傳感器探頭根據(jù)上述具有多種形式干涉腔的單臂全光纖干涉儀，可以設(shè)計(jì)出多種用途和類型的全光纖傳感器，而且這些傳感器的結(jié)構(gòu)非常相似，只是這些傳感器的探頭結(jié)構(gòu)不同，所以以下只介紹不同用途和類型的光纖傳感器探頭的結(jié)構(gòu)。
1.折射率傳感器探頭該探頭結(jié)構(gòu)如圖9所示。梯度透鏡(35)與一個(gè)玻璃容器(36)的前表面粘在一起，容器(36)的兩個(gè)內(nèi)表平面作為干涉腔的兩個(gè)反射面。當(dāng)容器中充入某種氣體或液體時(shí)，由于折射率不同，干涉腔的光程差會(huì)發(fā)生變化，由此可以測(cè)出容器中的氣體或液體的折射率，進(jìn)一步還可推算出氣體或液體的成分和濃度等。
2.位移傳感器探頭如果把被測(cè)物體的表面作為干涉腔的一個(gè)反射面，如圖5所示，那么與光纖端面粘在一起的梯度透鏡就是一種非接觸式位移傳感器探頭。另外，位移傳感器探頭還可以設(shè)計(jì)成如圖10所示的接觸探針式探頭。其中，梯度透鏡(37)的后表面和活塞式探針(38)的前表面構(gòu)成干涉腔，(39)和(40)分別為探頭基座和探頭帽，(41)為彈簧，彈簧在這里只起使探針復(fù)位的作用。
3.壓力與拉力傳感器探頭圖10所示的位移傳感器探頭也可作為壓力傳感器探頭。若圖10中的壓簧在活塞頭的右側(cè)，則可以作為拉力傳感器使用。如果活塞頭的兩側(cè)都有彈簧，則它既可測(cè)壓力、又可測(cè)拉力。
4.溫度傳感器探頭圖6和圖7所示的兩種實(shí)腔單臂全光纖干涉儀，都可以作為溫度傳感器。根據(jù)實(shí)腔材料的熱脹冷縮性質(zhì)，就可以測(cè)出它所在空間某一點(diǎn)周圍的溫度。而且這種溫度傳感器探頭體積小、不導(dǎo)電。
5.氣壓與液壓傳感器探頭探頭結(jié)構(gòu)如圖11所示，它由梯度透鏡(42)、探頭殼體(43)和彈性膜片(44)構(gòu)成。其中，梯度透鏡的后表面和彈性膜片的前表面作為干涉腔的兩個(gè)反射面。彈性膜片兩側(cè)的氣壓或液壓之差使彈性膜片變形，從而改變干涉腔的光程差。圖12所示的是一種測(cè)量大氣壓的傳感器探頭。它是在真空管(45)的上端粘有一個(gè)梯度透鏡(46)，梯度透鏡的下表面和真空管中的汞柱(47)的液面構(gòu)成干涉腔。圖中的(48)為一個(gè)盛汞的容器。
6.流速與流量傳感器探頭圖13所示的是一種測(cè)量管道中液體流速和流量的傳感器探頭，其中(49)為管道，(50)為H形管，(51)為梯形棱鏡，(52)為梯度透鏡，(53)是一層半反半透膜，(54)是一層全反射膜，(55)是其上表面鍍有反射膜的浮標(biāo)。液體在管道中流動(dòng)時(shí)，H形管的兩個(gè)液柱高度差與液體流速有關(guān)。如果把這兩個(gè)液面作為干涉腔的兩個(gè)反射面，就可測(cè)出管道中液體的流速和流量。圖14所示的是測(cè)量管道中氣體流速和流量的傳感器探頭，圖中，(56)為管道、(57)為U形管、(58)為梯形棱鏡、(59)為梯度透鏡、(60)是一層半反半透膜、(61)是一層反射膜。其工作原理與上述相同。
7.磁場(chǎng)傳感器探頭圖15、圖16和圖17所示的是幾種不同結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)傳感器探頭，它們是根據(jù)磁致伸縮材料在磁場(chǎng)中能夠伸縮的特性來設(shè)計(jì)的。圖15中，(62)為梯度透鏡，(63)為用磁致伸縮材料制作的一個(gè)柱體，(64)為探頭腔體。其中梯度透鏡(62)的后表面和磁性材料柱體的前表面作為干涉腔的兩個(gè)反射面。圖16中，(65)是一段作為干涉腔的光纖，(66)是敷在光纖上的一層磁致伸縮材料。圖17中，(67)是梯度透鏡，(68)是用磁致伸縮材料制成的一個(gè)空心圓柱，(69)是一個(gè)反射鏡，(70)是探頭基座。其中，梯度透鏡(67)的后表面與反射鏡(69)的前表面構(gòu)成干涉腔。
8.電流傳感器探頭如果在磁場(chǎng)傳感器探頭中的磁致伸縮材料表面上繞上一個(gè)線圈，那么它們就成為光纖電流傳感器探頭。
9.電壓與電場(chǎng)傳感器探頭如果分別把圖15、圖16和圖17中的磁致伸縮材料換成壓電材料，那么，它們就成為電場(chǎng)傳感器探頭。如果壓電材料的兩端分別安裝一個(gè)平板電極，那么它們就成為電壓傳感器探頭。
順便提一下，若把圖15、圖16和圖17中的磁性伸縮材料換成熱膨脹系數(shù)較大的材料。那么它們就成為幾種很實(shí)用的光纖溫度傳感器探頭。用任意一個(gè)以上所述的傳感器探頭代替單臂全光纖干涉儀中的干涉腔，就可構(gòu)成一種全光纖傳感器。
四、全光纖多功能傳感器本發(fā)明最后要給出的一種全光纖多功能傳感器如圖18所示。它由一個(gè)帶有光隔離器和光纖輸出端的半導(dǎo)體激光器(71)、溫飄控制系統(tǒng)(72)、分束器(73)、多個(gè)無腔單臂全光纖干涉系統(tǒng)(74)、(75)、(76)、多個(gè)可拆裝式光纖接頭(77)、(78)、(79)、以及多個(gè)光纖傳感器探頭(80)、(81)、(82)構(gòu)成。(為了簡(jiǎn)單起見，圖中只連接了三套無腔單臂全光纖干涉系統(tǒng)、可拆裝式光纖接頭和光纖傳感器探頭，但實(shí)際上還可連接更多，其總數(shù)主要取決于半導(dǎo)體激光器的輸出功率)。
全光纖多功能傳感器具有多個(gè)探頭，所以它能夠同時(shí)測(cè)量多個(gè)目標(biāo)和多種物理量。另外，由于每個(gè)傳感器探頭都是通過可拆裝式光纖接頭與主系統(tǒng)相連接，所以使用時(shí)還可以根據(jù)需要，隨時(shí)更換不同種類的光纖傳感器探頭，應(yīng)用起來非常方便。由于上述所有的傳感器都采用了調(diào)頻連續(xù)波外差干涉原理和單臂全光纖干涉儀結(jié)構(gòu)，所以它們都具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、抗環(huán)境干擾和電磁干擾、不導(dǎo)電、制造簡(jiǎn)單、體積小、可以在數(shù)公里以外進(jìn)行遙測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在微細(xì)加工、精密測(cè)量和自動(dòng)控制等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種控制半導(dǎo)體激光器波長溫飄系統(tǒng)，其特征在于由Y型光纖耦合器(6)和(7)、用零膨脹玻璃(或其它零膨脹透明材料)制成的平凸透鏡(或一小段零膨脹光纖)(8)、光接收器(9)、鑒相電路(10)、反饋控制電路(或誤差校正電路)(11)構(gòu)成；其中，光纖耦合器(6)的一個(gè)輸出端與光纖耦合器(7)的一個(gè)輸入端相連，光纖耦合器(7)的另一個(gè)輸入端與光接收器(9)相連，平凸透鏡(或一小段零膨脹光纖)的前表面與光纖耦合器(7)的輸出光纖端面之間有兩種連接方式，一種是二者之間留有一個(gè)空氣縫隙，且二者之一可以鍍?cè)鐾改?，另一種是二者之一鍍半反半透膜，且二者可以粘在一起，平凸透鏡的后表面球面半徑與平凸透鏡的厚度相等，且可以鍍反射膜。
2.一種控制半導(dǎo)體激光器波長溫飄系統(tǒng)，其特征在于由Y型光纖耦合器(12)和(13)、梯度透鏡(14)，用零膨脹玻璃(或其它零膨脹透明材料)制成的前后兩個(gè)表平面互相平行的玻璃塊(15)、光接收器(16)、鑒相電路(17)、反饋控制電路(或誤差校正電路)(18)構(gòu)成;其中，光纖耦合器(12)的一個(gè)輸出端與光纖耦合器(13)的一個(gè)輸入端相連，光纖耦合器(13)的另一個(gè)輸入端與光接收器(16)相連，光纖耦合器(13)的輸出光纖端面與梯度透鏡(14)的前表面粘在一起;梯度透鏡(14)的后表面與玻璃塊(15)的前表面有兩種結(jié)合方式，一種是二者之間留有一個(gè)空氣縫隙，且二者之一鍍?cè)鐾改?另一種是二者之一鍍半反半透膜，且二者粘在一起;玻璃塊的后表面可以鍍反射膜。
3.一種單臂全光纖干涉儀，其特征在于由一個(gè)帶有光隔離器和光纖輸出端的半導(dǎo)體激光器(19)、一個(gè)控制半導(dǎo)體激光器波長溫飄系統(tǒng)(20)、一個(gè)Y型光纖耦合器(21)、一個(gè)由兩個(gè)反射面構(gòu)成的干涉腔(22)、一個(gè)光接收器(23)、一個(gè)鑒相電路(24)和一個(gè)數(shù)據(jù)處理與顯示電路(25)組成;其中，半導(dǎo)體激光器(19)與控溫飄系統(tǒng)(20)相連，控溫飄系統(tǒng)(20)與Y型光纖耦合器(21)的一個(gè)輸入端相連，Y型光纖耦合器(21)的另一個(gè)輸入端與光接收器(23)相連，Y型光纖耦合器(21)的輸出端與干涉腔(22)相連，光接收器(23)輸出的電信號(hào)相繼由鑒相電路(24)和數(shù)據(jù)處理與顯示電路(25)進(jìn)行處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單臂全光纖干涉儀，其特征在于A.控制半導(dǎo)體激光器波長溫飄系統(tǒng)可采用權(quán)利要求1所述的由兩個(gè)Y型光纖耦合器(6)和(7)、用零膨脹玻璃制成的平凸透鏡(或小段零膨脹光纖)(8)、光接收器(9)、鑒相電路(10)、反饋控制電路(或誤差校正電路)(11)構(gòu)成的系統(tǒng);或者采用權(quán)利要求2所述的、由兩個(gè)Y型光纖耦合器(12)和(13)、梯度透鏡(14)、用零膨脹玻璃制成的且前后兩表平面互相平行的玻璃塊(15)、光接收器(16)、鑒相電路(17)、反饋控制電路(或誤差校正電路)(18)構(gòu)成的系統(tǒng)。B.干涉腔采用下述三種形式之一，第一種由一個(gè)梯度透鏡(26)和被測(cè)物體的一個(gè)反射面(27)構(gòu)成;第二種由一個(gè)梯度透鏡(28)和一個(gè)前后表平面互相平行的玻璃塊(29)構(gòu)成，玻璃塊(29)的前表面與梯度透鏡的后表面之間有兩種結(jié)合方式，方式一是二者之間有一個(gè)空氣縫隙，且二者之一鍍?cè)鐾改ぃ绞蕉嵌咧诲儼敕窗胪改?，且二者粘在一起，玻璃塊(29)的后表面可鍍反射膜;第三種由一段光纖(30)構(gòu)成，光纖的前表面與光纖耦合器(21)的輸出光纖端面之間有兩種連接方式，方式一是二者之間留有一個(gè)空氣縫隙，且二者之一可以鍍?cè)鐾改?，方式二是二者之一鍍半反半透膜，且二者可以粘在一起，光纖的后表面可鍍反射膜。
5.一種光纖傳感器探頭，其特征在于由兩個(gè)反射面和一個(gè)把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成這兩個(gè)反射面之間光程差變化量的裝置組成。
6.一組具有不同功能的光纖傳感器探頭，其特征在于光纖折射率傳感器探頭由一個(gè)梯度透鏡(35)和一個(gè)玻璃容器(36)構(gòu)成，梯度透鏡(35)與玻璃容器前表面粘在一起，玻璃容器的兩個(gè)內(nèi)表平面互相平行，且前一個(gè)內(nèi)表面鍍半反半透膜，后一個(gè)內(nèi)表面鍍反射膜;光纖位移傳感器探頭由梯度透鏡(37)、活塞式探針(38)、探頭基座(39)、探頭帽(40)和復(fù)位彈簧(41)構(gòu)成，梯度透鏡(37)的后表面與活塞式探針左側(cè)表面互相平行;光纖壓力傳感器探頭由梯度透鏡(37)、活塞式探針(38)、探頭基座(39)、探頭帽(40)和壓彈(41)構(gòu)成;光纖拉力傳感器探頭由梯度透鏡(37)、活塞式探針(38)、探頭基座(39)、探頭帽(40)和拉簧(41)(或位于活塞頭右側(cè)的壓簧)構(gòu)成;光纖壓力與拉力傳感器探頭由梯度透鏡(37)、活塞式探針(38)、探頭基座(39)、探頭帽(40)和位于活塞頭兩側(cè)的兩個(gè)彈簧構(gòu)成;第一種溫度傳感器探頭由一個(gè)梯度透鏡(28)和一個(gè)兩端表平面互相平行的玻璃塊(29)構(gòu)成;第二種溫度傳感器探頭由一小段熱膨脹光纖(30)構(gòu)成;第三種光纖溫度傳感器探頭由梯度透鏡(62)、熱膨脹材料圓柱體(63)和探頭腔體(64)構(gòu)成，其中圓柱體(63)左側(cè)端面鍍有反射膜并與梯度透鏡后表面平行;第四種光纖溫度傳感器探頭由一段光纖(65)和敷在光纖上的一層熱膨脹材料(66)構(gòu)成;第五種光纖溫度傳感器探頭由一個(gè)梯度透鏡(67)、熱膨脹材料空心圓柱體(68)、反射鏡(69)和探頭基座(70)構(gòu)成;光纖氣壓與液壓傳感器探頭由梯度透鏡(42)、探頭殼體(43)和彈性膜片(44)構(gòu)成;光纖大氣壓傳感器探頭由真空管(45)、梯度透鏡(46)、汞柱(47)和容器(48)構(gòu)成;光纖液體流速與流量傳感器由管道(49)、H形管(50)、梯形棱鏡(51)、梯度透鏡(52)和兩塊浮標(biāo)構(gòu)成，其中，梯形棱鏡的左側(cè)中部有一層半反半透膜、右側(cè)側(cè)面鍍反射膜，浮標(biāo)的上表面有反射膜;光纖氣體流速與流量傳感器探頭由管道(56)、U形管(57)、梯形棱鏡(58)、梯度透鏡(59)和兩塊浮標(biāo)構(gòu)成，其中，梯形棱鏡的左側(cè)中部有一層半反半透膜、右側(cè)側(cè)面鍍有反射膜，浮標(biāo)的上表面鍍有反射膜;第一種光纖磁場(chǎng)傳感器探頭由梯度透鏡(62)、磁致伸縮材料圓柱體(63)和探頭腔體(64)構(gòu)成，其中，圓柱體(63)的前表面有反射膜、且與梯度透鏡的后表面平行;第二種光纖磁場(chǎng)傳感器探頭由一段光纖(65)和敷在光纖外層的一層磁致伸縮材料(66)構(gòu)成;該段光纖的前表面可鍍半反半透膜并與傳感器輸出光纖的端面粘在一起，光纖的后表面可鍍反射膜。第三種光纖磁場(chǎng)傳感器探頭由梯度透鏡(67)、磁致伸縮材料空心圓柱體(68)、反射鏡(69)和探頭基座(70)構(gòu)成;第一種光纖電流傳感器探頭，由梯度透鏡(62)、磁致伸縮材料圓柱體(63)、探頭腔體(64)和繞在圓柱體(63)的金屬導(dǎo)線線圈構(gòu)成;第二種光纖電流傳感器探頭由一小段光纖(65)、敷在光纖(65)表層上的一層磁致伸縮材料(66)和繞在磁致伸縮材料層外面的金屬導(dǎo)線線圈構(gòu)成，光纖的前表面可鍍半反半透膜，后表面可鍍反射膜;第三種光纖電流傳感器探頭，由梯度透鏡(67)、磁致伸縮材料空心圓柱體(68)、反射鏡(69)、探頭基座(70)和繞在空心圓柱體(68)外層的金屬導(dǎo)線線圈構(gòu)成，第一種光纖電場(chǎng)傳感器探頭，梯度透鏡(62)，用壓電材料制成的圓柱體(63)、探頭腔體(64)構(gòu)成;第二種光纖電場(chǎng)傳感器探頭，由一段光纖(65)和敷在光纖表面上的壓電材料(66)構(gòu)成，光纖的前表面鍍半反半透膜，后表面可鍍反射膜;第三種光纖電場(chǎng)探頭，由梯度透鏡(67)、壓電材料空心圓柱體(68)、反射鏡(69)和探頭基座(70)構(gòu)成。第一種光纖電壓傳熱器探頭由梯度透鏡(62)、用壓電材料制成的圓柱體(63)、探頭腔體(64)和位于圓柱體(63)兩端的兩個(gè)平板電極構(gòu)成;第二種光纖電壓傳感器探頭由一段光纖(65)、敷在光纖表面上的壓電材料(66)和位于壓電材料兩端的平板電極構(gòu)成，光纖的前表面可鍍半反半透膜、后表面可鍍反射膜;第三種電壓傳感器探頭，由梯度透鏡(67)、壓電材料空心圓柱體(68)、反射鏡(69)和探頭基座(70)和位于空心圓柱體(68)兩端的平板電極構(gòu)成。
7.一種全光纖傳感器，其特征在于由一個(gè)帶有光隔離器和光纖輸出端的半導(dǎo)體激光器(71)、一個(gè)半導(dǎo)體激光器波長溫飄控制系統(tǒng)(72)、一個(gè)分束器(73)、多個(gè)無腔單臂全光纖干涉系統(tǒng)、多個(gè)可拆裝式光纖接頭和多個(gè)具有不同功能的光纖傳感器探頭構(gòu)成;其中，帶有光隔離器和光纖輸出端的半導(dǎo)體激光器(71)通過光纖與半導(dǎo)體激光器溫飄控制系統(tǒng)(72)相連，溫飄控制系統(tǒng)(72)與分束器(73)相連，分束器(73)分出的多束光(分束數(shù)目根據(jù)所使用的半導(dǎo)體激光器輸出功率大小和需要的探頭的多少而定，一般分為2至20束光)沿光纖分別傳給多個(gè)無腔單臂全光纖干涉系統(tǒng)，每一個(gè)無腔單臂全光纖干涉系統(tǒng)又通過一個(gè)可拆裝式光纖接頭與一個(gè)光纖傳感器探頭相連;無腔單臂全光纖干涉系統(tǒng)由Y型光纖耦合器(31)、光接收器(32)、鑒相電路(33)和數(shù)據(jù)處理與顯示電路(34)構(gòu)成，Y型光纖耦合器(31)的一個(gè)輸入端通過光纖與光接收器(32)相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的全光纖傳感器，其特征在于A.控制半導(dǎo)體激光器波長溫飄系統(tǒng)采用權(quán)利要求1所述的、由兩個(gè)Y型光纖耦合器(6)和(7)、用零膨脹玻璃制成的平凸透鏡(或小段零膨脹光纖)(8)、光接收器(9)、鑒相電路(10)、反饋控制電路(或誤差校正電路)(11)構(gòu)成的系統(tǒng);或者采用權(quán)利要求2所述的、由兩個(gè)Y型光纖耦合器(12)和(13)、梯度透鏡(14)、用零膨脹玻璃制成的且前后兩表平面互相平行的玻璃塊(15)、光接收器(16)、鑒相電路(17)、反饋控制電路(或誤差校正電路)(18)構(gòu)成的系統(tǒng)。B.光纖傳感器探頭采用權(quán)利要求5所述的、由兩個(gè)反射面和一個(gè)把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成這兩個(gè)反射面之間的光程變化量的裝置組成的光纖傳感器探頭;或者采用權(quán)利要求11所述的一組具有不同功能的光纖傳感器探頭，其中，光纖折射率傳感器探頭，由一個(gè)梯度透鏡(35)和一個(gè)玻璃容器(36)構(gòu)成，梯度透鏡(35)與玻璃容器前表面粘在一起，玻璃容器的兩個(gè)內(nèi)表面互相平行，且前一個(gè)內(nèi)表面鍍半反半透膜、后一個(gè)內(nèi)表面鍍反射膜;光纖位移傳感器探頭由梯度透鏡(37)、活塞式探針(38)、探頭基座(39)、探頭帽(40)和復(fù)位彈簧(41)構(gòu)成，梯度透鏡(37)的后表面與活塞式探針左側(cè)表面互相平行;光纖壓力傳感器探頭由梯度透鏡(37)、活塞式探針(38)、探頭基座(39)、探頭帽(40)和壓彈(41)構(gòu)成;光纖拉力傳感器探頭由梯度透鏡(37)、活塞式探針(38)、探頭基座(39)、探頭帽(40)和拉簧(41)(或位于活塞頭右側(cè)的壓簧)構(gòu)成;光纖壓力與拉力傳感器探頭由梯度透鏡(37)、活塞式探針(38)、探頭基座(39)、探頭帽(40)和位于活塞頭兩側(cè)的兩個(gè)彈簧構(gòu)成;第一種溫度傳感器探頭由一個(gè)梯度透鏡(28)和一個(gè)兩端表平面互相平行的玻璃塊(29)構(gòu)成;第二種溫度傳感器探頭由一小段熱膨脹光纖(30)構(gòu)成;第三種光纖溫度傳感器探頭由梯度透鏡(62)、熱膨脹材料圓柱體(63)和探頭腔體(64)構(gòu)成，其中圓柱體(63)左側(cè)端面鍍有反射膜并與梯度透鏡后表面平行;第四種光纖溫度傳感器探頭由一段光纖(65)和敷在光纖上的一層熱膨脹材料(66)構(gòu)成;第五種光纖溫度傳感器探頭由一個(gè)梯度透鏡(67)、熱膨脹材料空心圓柱體(68)、反射鏡(69)和探頭基座(70)構(gòu)成;光纖氣壓與液壓傳感器探頭由梯度透鏡(42)、探頭殼體(43)和彈性膜片(44)構(gòu)成;光纖大氣壓傳感器探頭由真空管(45)、梯度透鏡(46)、汞柱(47)和容器(48)構(gòu)成;光纖液體流速與流量傳感器由管道(49)、H形管(50)、梯形棱鏡(51)、梯度透鏡(52)和兩塊浮標(biāo)構(gòu)成，其中，梯形棱鏡的左側(cè)中部有一層半反半透膜、右側(cè)側(cè)面鍍反射膜，浮標(biāo)的上表面有反射膜;光纖氣體流速與流量傳感器探頭由管道(56)、U形管(57)、梯形棱鏡(58)、梯度透鏡(59)和兩塊浮標(biāo)構(gòu)成，其中，梯形棱鏡的左側(cè)中部有一層半反半透膜、右側(cè)側(cè)面鍍有反射膜，浮標(biāo)的上表面鍍有反射膜;第一種光纖磁場(chǎng)傳感器探頭由梯度透鏡(62)、磁致伸縮材料圓柱體(63)和探頭腔體(64)構(gòu)成，其中，圓柱體(63)的前表面有反射膜、且與梯度透鏡的后表面平行;第二種光纖磁場(chǎng)傳感器探頭由一段光纖(65)和敷在光纖外層的一層磁致伸縮材料(66)構(gòu)成，該段光纖的前表面可鍍半反半透膜并與傳感器輸出光纖的端面粘在一起，光纖的后表面可鍍反射膜。第三種光纖磁場(chǎng)傳感器探頭由梯度透鏡(67)、磁致伸縮材料空心圓柱體(68)、反射鏡(69)和探頭基座(70)構(gòu)成;第一種光纖電流傳感器探頭，由梯度透鏡(62)、磁致伸縮材料圓柱體(63)、探頭腔體(64)和繞在圓柱體(63)上的金屬導(dǎo)線線圈構(gòu)成;第二種光纖電流傳感器探頭由一小段光纖(65)、敷在光纖(65)表層上的一層磁致伸縮材料(66)和繞在磁致伸縮材料層外面的金屬導(dǎo)線線圈構(gòu)成，光纖的前表面可鍍半反半透膜，后表面可鍍反射膜;第三種光纖電流傳感器探頭，由梯度透鏡(67)、磁致伸縮材料空心圓柱體(68)、反射鏡(69)、探頭基座(70)和繞在空心圓柱體(68)外層的金屬導(dǎo)線線圈構(gòu)成。第一種光纖電場(chǎng)傳感器探頭，梯度透鏡(62)，用壓電材料制成的圓柱體(63)、探頭腔體(64)構(gòu)成;第二種光纖電場(chǎng)傳感器探頭，由一段光纖(65)和敷在光纖表面上的壓電材料(66)構(gòu)成，光纖的前表面鍍半反半透膜，后表面可鍍反射膜;第三種光纖電場(chǎng)探頭，由梯度透鏡(67)、壓電材料空心圓柱體(68)、反射鏡(69)和探頭基座(70)構(gòu)成。第一種光纖電壓傳熱器探頭由梯度透鏡(62)、用壓電材料制成的圓柱體(63)、探頭腔體(64)和位于圓柱體(63)兩端的兩個(gè)平板電極構(gòu)成;第二種光纖電壓傳感器探頭由一段光纖(65)、敷在光纖表面上的壓電材料(66)和位于壓電材料兩端的平板電極構(gòu)成，光纖的前表面可鍍半反半透膜、后表面可鍍反射膜;第三種電壓傳感器探頭，由梯度透鏡(67)、壓電材料空心圓柱體(68)、反射鏡(69)和探頭基座(70)和位于空心圓柱體(68)兩端的平板電極構(gòu)成。
9.一種全光纖傳感器，其特征在于它由一個(gè)帶有光隔離器和光纖輸出端的半導(dǎo)體激光器(19)、一個(gè)控制半導(dǎo)體激光器波長溫飄系統(tǒng)(20)，一個(gè)Y型光纖耦合器(21)、一個(gè)光纖傳感器探頭(22)、一個(gè)光接收器(23)、一個(gè)鑒相電路(24)和一個(gè)數(shù)據(jù)處理與顯示電路(25)構(gòu)成;其中，半導(dǎo)體激光器(19)與控制波長溫飄系統(tǒng)(20)相連?？夭ㄩL溫飄系統(tǒng)(20)與Y型光纖耦合器(21)的一個(gè)輸入端相連，Y型光纖耦合器(21)的另一個(gè)輸入端與光接收器(23)相連，Y型光纖耦合器(21)的輸出端與光纖傳感器探頭(22)相連或者Y型光纖耦合器(21)通過一個(gè)可拆裝式光纖接頭與一個(gè)光纖傳感器探頭相連。
10.一種控制半導(dǎo)體激光器波長溫飄的方法，其特征在于用一個(gè)分束器從連續(xù)波調(diào)頻激光束中分出一束光，使這束光通過一個(gè)由兩個(gè)反射面構(gòu)成的、并且這兩個(gè)反射面之間的光程差不隨溫度變化而改變的恒光程差干涉腔，干涉腔形成的拍頻信號(hào)由光接收器接收，然后用鑒相電路測(cè)出拍頻信號(hào)的初位相變化量，最后由反饋控制電路根據(jù)初位相變化量控制半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電流，使半導(dǎo)體激光器的激光波長恢復(fù)到原來的數(shù)值，從而直接消除半導(dǎo)體激光器的波長溫飄，或者最后不控制半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電流，而是通過誤差校正電路根據(jù)初位相變化量對(duì)干涉儀或光纖傳感器對(duì)其它物理量的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，從而間接消除半導(dǎo)體激光器的波長溫飄。
11.一種控制半導(dǎo)體激光器波長溫飄系統(tǒng)，其特征在于由分束器(1)、用零膨脹玻璃(或其它零膨脹透明材料)制成的上下兩個(gè)表平面互相平行的玻璃塊(2)、光接收器(3)、鑒相電路(4)、反饋控制電路(或誤差校正電路)(5)構(gòu)成;其中，玻璃塊(2)的上表面可以鍍半反半透膜，下表面可鍍反射膜;鋸齒波調(diào)頻激光平行光束被分束器(1)分為兩束光，一束光供后面的干涉儀或光纖傳感器使用，另一束光射向玻璃塊(2)，玻璃塊(2)上下兩個(gè)表面的反射光匯合后發(fā)生干涉，形成的拍頻信號(hào)穿過分束器(1)并由光接收器(3)接收，得到的電信號(hào)再經(jīng)過鑒相電路(4)、最后由反饋控制電路(5)根據(jù)拍頻信號(hào)初位相變化量，控制半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電流，使半導(dǎo)體激光器的波長恢復(fù)到原來的數(shù)值，或者最后不用反饋控制電路控制驅(qū)動(dòng)電流，而是由誤差校正電路對(duì)干涉儀或光纖傳感器對(duì)其它物理量的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。
全文摘要
此發(fā)明是一種全光纖多功能傳感器。它用在微細(xì)加工、精密測(cè)量和自動(dòng)控制等領(lǐng)域。全光纖多功能傳感器采用半導(dǎo)體激光器鋸齒波調(diào)頻連續(xù)波外差干涉原理，由一個(gè)帶有光隔離器和光纖引出端的半導(dǎo)體激光器、一個(gè)控溫飄系統(tǒng)、一個(gè)分束器、多個(gè)無腔單臂全光纖干涉系統(tǒng)、以及多個(gè)具有不同功能的光纖傳感器探頭構(gòu)成。它可以分別或同時(shí)測(cè)量溫度、位移、壓力、拉力、氣體或液體的折射率、氣體或液體的流速和流量、電流、電壓、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等物理量，并且具有儀器和探頭體積小、測(cè)量精度高、抗環(huán)境干擾和電磁干擾、不導(dǎo)電、可遠(yuǎn)距離遙測(cè)等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01D5/26GK1076023SQ9211124
公開日1993年9月8日 申請(qǐng)日期1992年10月12日 優(yōu)先權(quán)日1992年10月12日
發(fā)明者鄭剛 申請(qǐng)人:鄭剛