專(zhuān)利名稱(chēng)：有比率正交脈沖檢測(cè)的法布里－佩羅壓力傳感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于光傳感器系統(tǒng)的領(lǐng)域，該系統(tǒng)應(yīng)用于檢測(cè)由待測(cè)物理參量作用于一個(gè)光學(xué)傳感器所產(chǎn)生的干涉誘導(dǎo)相位差。更具體地講，本發(fā)明涉及使用一個(gè)法布里-佩羅(Fabry-Perot)壓力傳感器以測(cè)量壓力(比如由聲波穿過(guò)一種介質(zhì)傳播時(shí)導(dǎo)致的壓力)的相干光纖系統(tǒng)，該系統(tǒng)在不利環(huán)境條件下仍能具有高準(zhǔn)確性和可靠性。
用于傳感和測(cè)量物理參量的相干光纖系統(tǒng)在本領(lǐng)域是已知的。例如，Kim等人的美國(guó)專(zhuān)利5,200,795所公開(kāi)的技術(shù)。但很多這些現(xiàn)有系統(tǒng)存在一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題，比如高成本，準(zhǔn)確性不夠，在不利條件下可靠性不佳。
一種表示要克服上述問(wèn)題的系統(tǒng)使用小型硅Fabry-Perot壓力傳感器，這種系統(tǒng)在1991年有關(guān)固態(tài)傳感器和致動(dòng)器的國(guó)際會(huì)議上由Hlg發(fā)表的“有干涉測(cè)量光學(xué)數(shù)據(jù)輸出值的硅壓力傳感器”一文中有所描述，見(jiàn)IEEE目錄號(hào)91CH2817-5第682-684頁(yè)(1991)。使用這種傳感器的一個(gè)系統(tǒng)在Bush等人的標(biāo)題為“低成本光學(xué)干涉測(cè)量擴(kuò)音器和水聽(tīng)器”一文中有所描述，見(jiàn)SPIE 2292卷，光與激光傳感器XII部分第83-93頁(yè)(1994)。Bush等人所設(shè)想的系統(tǒng)將使用兩個(gè)或更多的穩(wěn)態(tài)發(fā)光二極管(LED)，用以發(fā)射不同波長(zhǎng)光，作為光信號(hào)源。從實(shí)踐上講，就穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性而言，可以相信這種方法不會(huì)產(chǎn)生理想的結(jié)果。其原因例如發(fā)光二極管輸出的不穩(wěn)定性。此外，用個(gè)解調(diào)受壓力調(diào)制的光信號(hào)的機(jī)構(gòu)仍需進(jìn)一步簡(jiǎn)化和降低成本。
因此，仍有必要提供一種使用Fabry-Perot傳感器的光學(xué)壓力傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)具有低成本，并在不利工作環(huán)境中仍能具有高精確度、高穩(wěn)定性和可靠性的特點(diǎn)。
概括地說(shuō)，本發(fā)明是一種Fabry-Perot壓力傳感系統(tǒng)，使用許多脈沖相干光信號(hào)源(較好地是使用紅外激光器)，每一個(gè)信號(hào)源發(fā)射具有獨(dú)立波長(zhǎng)的源信號(hào)，從而產(chǎn)生一個(gè)多路入射光束。入射光束被分離，以便其中一部分詢(xún)?cè)L一個(gè)或多個(gè)Fabry-Perot壓力傳感器，而其余部分轉(zhuǎn)送到第一或參考光檢測(cè)器裝置，該裝置對(duì)每一個(gè)波長(zhǎng)產(chǎn)生一個(gè)參考信號(hào)。入射光的詢(xún)?cè)L部分在Fabry-Perot傳感器中由壓力誘導(dǎo)的間隙變量進(jìn)行相位調(diào)制，再返回到第二或測(cè)量光檢測(cè)器裝置，由此為每一個(gè)波長(zhǎng)產(chǎn)生一個(gè)被測(cè)得強(qiáng)度信號(hào)。對(duì)每一個(gè)波長(zhǎng)，獲取被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)與參考強(qiáng)度信號(hào)之比率，并產(chǎn)生兩獨(dú)立項(xiàng)，其中一個(gè)與Fabry-Perot間隙寬度的時(shí)間平均項(xiàng)無(wú)關(guān)，另一個(gè)是干涉項(xiàng)，它與Fabry-Perot相移角的余弦成正比，而相移角是間隙寬度的函數(shù)。通過(guò)選擇波長(zhǎng)，使各波長(zhǎng)對(duì)一個(gè)給定的固定Fabry-Perot間隙寬度來(lái)說(shuō)成正交關(guān)系，從而可獲取所述比率之間的代數(shù)差以消除時(shí)間平均項(xiàng)，并產(chǎn)生兩個(gè)表達(dá)式，分別正比個(gè)由Fabry-Perot傳感器所測(cè)得的相移角的余弦和正弦。然后，使用適當(dāng)?shù)姆凑谐绦蛞垣@取相移角的測(cè)量，該相移角正比于Fabry-Perot間隙寬度，而間隙寬度又基本上是施加于傳感器的壓力的線性函數(shù)。
更具體地講，假設(shè)不同波長(zhǎng)的數(shù)量為n，每個(gè)波長(zhǎng)的總反射信號(hào)強(qiáng)度Sk包括一個(gè)時(shí)間平均信號(hào)強(qiáng)度Sk(DC)和一個(gè)干涉測(cè)量的干涉分量Sk(Mod)cosφk之和，其中k＝1到n，φ是間隙寬度L的函數(shù)，而間隙又是被傳感的壓力函數(shù)。參考信號(hào)強(qiáng)度可以表達(dá)為Rk，這樣比率信號(hào)強(qiáng)度Sk/Rk(指定為Ik)可表達(dá)為A+Bcosφk。
例如，選擇成正交的四個(gè)波長(zhǎng)，并任意定義相移角φk中的一個(gè)為“基”相移角φ(從“基”相移角，由預(yù)定的正交關(guān)系可推導(dǎo)出其余相移角)，則比率信號(hào)強(qiáng)度I1，I2，I3，I4可以分別表達(dá)為I1＝A+BcosφI2＝A+Bcos(φ+π/2)＝A-BsinφI3＝A+Bcos(φ+π)＝A-BcosφI4＝A+Bcos(φ+3π/2)＝A+Bsmφ因此，I1-I3＝2Bcosφ，I4-I2＝2Bsinφ，從而，φ＝arctan[I4-I2)/(I1-I3)]。
正如在后文詳細(xì)描述中表明的，對(duì)于任何給定的用作“基”波長(zhǎng)λ的標(biāo)稱(chēng)波長(zhǎng)和對(duì)n個(gè)被選波長(zhǎng)中的每個(gè)相鄰對(duì)之間的任意選定波長(zhǎng)間隔Δλ，可以選定一個(gè)標(biāo)稱(chēng)間隙寬度L0，以提供n個(gè)有正交關(guān)系的波長(zhǎng)。
在一個(gè)較佳實(shí)施例中，光信號(hào)源是多個(gè)紅外激光器，以一個(gè)預(yù)定的順序產(chǎn)生脈沖，提供一個(gè)時(shí)分多路復(fù)用入射束，入射束包括各波長(zhǎng)的一個(gè)脈沖，各脈沖處在預(yù)定的順序中。入射束的參考部分送到一個(gè)參考光檢測(cè)器，從而為各波長(zhǎng)產(chǎn)生一個(gè)參考強(qiáng)度信號(hào)，被調(diào)制的詢(xún)?cè)L部分送到一個(gè)測(cè)量光檢測(cè)器，在這里為每個(gè)波長(zhǎng)產(chǎn)生一個(gè)被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)。測(cè)量光檢測(cè)器以與入射束中各脈沖相同的順序接收各波長(zhǎng)的被調(diào)制脈沖。如上所述，對(duì)各波長(zhǎng)，將取得被測(cè)得強(qiáng)度信號(hào)與參考強(qiáng)度信號(hào)之比。如果使用多個(gè)傳感器，它們由沿一個(gè)光學(xué)延遲線的至少一個(gè)最小間隔所分開(kāi)，以便測(cè)量光檢測(cè)器依次從各傳感器接收被調(diào)制的詢(xún)?cè)L信號(hào)。
在一個(gè)替代實(shí)施例中，發(fā)射分離且不同波長(zhǎng)的多個(gè)激光器同時(shí)發(fā)出脈沖，并產(chǎn)生一個(gè)波長(zhǎng)分割多路復(fù)用(WDM)入射束。入射束被分成一個(gè)參考部分和一個(gè)詢(xún)?cè)L部分，參考部分通過(guò)一個(gè)第一WDM光耦合器后到達(dá)多個(gè)參考光檢測(cè)器(一個(gè)檢測(cè)器對(duì)一個(gè)波長(zhǎng))，而詢(xún)?cè)L部分則到達(dá)在一個(gè)光學(xué)延遲線上以設(shè)定間隔分開(kāi)設(shè)置的多個(gè)Fabry-Perot壓力傳感器。然后，被調(diào)制的詢(xún)?cè)L部分通過(guò)一個(gè)第二WDM光耦合器到達(dá)多個(gè)測(cè)量光檢測(cè)器(一個(gè)測(cè)量光檢測(cè)器對(duì)一個(gè)波長(zhǎng))。WDM光耦合器將參考束部分和被調(diào)制詢(xún)?cè)L束部分分離成它們各自波長(zhǎng)的成分，以便各個(gè)參考光檢測(cè)器和各個(gè)測(cè)量光檢測(cè)器僅接收各波長(zhǎng)中的一個(gè)。于是，對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)，有一個(gè)參考強(qiáng)度信號(hào)和一個(gè)被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)；并且如上所述，對(duì)每一個(gè)波長(zhǎng)，可產(chǎn)生一個(gè)比率強(qiáng)度信號(hào)。


圖1是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例的示意圖。
圖2是圖1所示較佳實(shí)施例的一個(gè)簡(jiǎn)化方案的示意圖。
圖3是可用于本發(fā)明的一種Fabry-Perot壓力傳感器的簡(jiǎn)化準(zhǔn)示意圖。
圖4是所述較佳實(shí)施例的另一個(gè)方案的示意圖，適合于和多個(gè)壓力傳感器一起使用。
圖5是本發(fā)明的一個(gè)替換實(shí)施例。
首先請(qǐng)參照?qǐng)D1。該圖示意性地展示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例的壓力傳感系統(tǒng)10。系統(tǒng)10包括四個(gè)激光器12a，12b，12c，12d的一個(gè)陣列，各激光器分別發(fā)射具有基本相等幅值的光信號(hào)，各光信號(hào)具有分離且獨(dú)立的發(fā)射波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3，λ4，各波長(zhǎng)由一個(gè)間隔Δλ相等地分開(kāi)。波長(zhǎng)較佳地是在紅外區(qū)，更好地是在約1.30微米至1.55微米的范圍內(nèi)。雖然波長(zhǎng)短至0.8微米也可以使用。確實(shí)，任何可在光纖線中傳播的波長(zhǎng)都可以使用。在較佳實(shí)施例中，使用了分布的反饋二極管激光器，這種激光器可以從多個(gè)商業(yè)渠道獲得。來(lái)自激光器12a，12b，12c，12d的光信號(hào)以預(yù)定的順序依次以脈沖形式發(fā)出，脈沖長(zhǎng)度約10毫微秒至約100毫微秒。激光器可以直接產(chǎn)生脈沖，或被連續(xù)激勵(lì)，再由一個(gè)鈮酸鋰幅值調(diào)制器(未圖示)將各結(jié)果束分別以脈沖發(fā)出。這類(lèi)調(diào)制器可以從諸如在康涅狄格州的Uniphase Telecommunications Products公司那樣的貨源處得到。本領(lǐng)域所熟知的其它等同脈沖產(chǎn)生裝置也可以使用。脈沖順序可以由一個(gè)定時(shí)或時(shí)鐘電路控制(未示出)。
來(lái)自第一激光器12a和第二激光器12b的信號(hào)通過(guò)合適的光纖傳送到一個(gè)第一3dB定向光耦合器14a，而來(lái)自第三激光器12c和第四激光器12d的信號(hào)類(lèi)似地送到一個(gè)第二3dB定向光耦合器14b。來(lái)自第一和第二光耦合器14a和14b的輸出信號(hào)被傳送到一個(gè)第三3dB定向光耦合器14c。來(lái)自第三光耦合器14c的輸出信號(hào)是一個(gè)時(shí)分多路復(fù)用(TDM)入射束，其中四個(gè)波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3，λ4的脈沖，如圖1中波形A所示，具有基本相等的幅值或強(qiáng)度。如果希望的話，作為一個(gè)替代，一個(gè)一乘四光耦合器(沒(méi)有顯示)也可以提供與光耦合器14a，14b，14c相同的功能。
從第三光耦合器14c，入射束由光纖導(dǎo)送到一個(gè)第四3dB定向光耦合器14d，它將光束分成具有基本相等幅值或強(qiáng)度的兩個(gè)入射束部分。一個(gè)入射束部分構(gòu)成一個(gè)詢(xún)?cè)L束，它由光纖傳導(dǎo)到一個(gè)簡(jiǎn)單的(low-Finesse)Fabry-Perot壓力傳感器16，而另一個(gè)入射束部分構(gòu)成一個(gè)參考束，由光纖傳導(dǎo)到一個(gè)第一即參考光檢測(cè)器18。光檢測(cè)器18將參考束轉(zhuǎn)換成一個(gè)第一電子信號(hào)即參考信號(hào)R，其目的將在下文描述。如下面的詳細(xì)描述，詢(xún)?cè)L束經(jīng)Fabry-Perot壓力傳感器16進(jìn)行相位調(diào)制，然后從壓力傳感器16經(jīng)過(guò)一個(gè)光纖反射回到一個(gè)第二即測(cè)量光檢測(cè)器20。光檢測(cè)器20按照與入射束中的脈沖的相同順序，接收波長(zhǎng)為λ1，λ2，λ3，λ4的被調(diào)制脈沖。測(cè)量光檢測(cè)器20將被反射且經(jīng)調(diào)制的詢(xún)?cè)L束轉(zhuǎn)換成一個(gè)第二電子信號(hào)即被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)S，信號(hào)S對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)都有一個(gè)正比于反射詢(xún)?cè)L束的被測(cè)強(qiáng)度的幅值。
參考信號(hào)R和被測(cè)各強(qiáng)度信號(hào)S再被輸入到一個(gè)微電腦22，它可以是任何適合的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。正如本領(lǐng)域中所熟知，信號(hào)R和S是先由傳統(tǒng)裝置數(shù)字化的模擬信號(hào)。微電腦22設(shè)有程序，能夠?yàn)楦鞑ㄩL(zhǎng)λ1，λ2，λ3，λ4獲得被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)S的幅值與參考信號(hào)R的幅值之比，從而產(chǎn)生兩個(gè)分離項(xiàng)，其中之一是獨(dú)立于Fabry-Perot壓力傳感器16的間隙寬度的時(shí)間平均項(xiàng)，另一個(gè)是正比于Fabry-Perot相移角的余弦的干涉項(xiàng)，相移角又是間隙寬度的已知函數(shù)。能夠執(zhí)行這些功能的電腦程序在相應(yīng)領(lǐng)域是已知的。
對(duì)于一個(gè)給定的固定標(biāo)稱(chēng)Fabry-Perot間隙寬度L0，通過(guò)本發(fā)射四個(gè)有正交關(guān)系的波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3，λ4，可以獲得所述比率之間的代數(shù)差，以消除時(shí)間平均項(xiàng)并產(chǎn)生兩個(gè)表達(dá)式；它們分別正比于由Fabry-Perot傳感器16測(cè)量的相移角的余弦和正弦。然后，使用適當(dāng)?shù)姆凑谐绦蛞垣@得相移角的測(cè)量，相移角正比于Fabry-Perot間隙寬度L，而間隙寬度L又基本是施加于傳感器16的壓力的線性函數(shù)。
更具體地講，對(duì)于四個(gè)波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3，λ4，對(duì)K個(gè)波長(zhǎng)的每一個(gè)，總的反射詢(xún)?cè)L束強(qiáng)度Sk包含一個(gè)時(shí)間平均信號(hào)強(qiáng)度成分Sk(DC)和一個(gè)干涉測(cè)量的干涉成分之和。對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的Fabry-Perot傳感器，干涉測(cè)量成分非常近似于一個(gè)余弦函數(shù)，它可以表達(dá)為Sk(Mod)cosφk，其中k＝1到4，而φ是相移角，相移角是Fabry-Perot間隙寬度L的一個(gè)函數(shù)。參考信號(hào)強(qiáng)度可以表達(dá)為Rk，以便比率信號(hào)強(qiáng)度Sk/Rk(設(shè)為Ik，以避免混淆)可以表達(dá)為Sk(DC)/Rk+Sk(Mod)cosφ/Rk，作為替代，也可表示為A+Bcosφ。由于FAbry-Perot壓力傳感器16產(chǎn)生的光信號(hào)沒(méi)有極化衰減(即反射的調(diào)制詢(xún)?cè)L束)，該信號(hào)的時(shí)間平均成分Sk(DC)和干涉測(cè)量的干涉成分Sk(Mod)cosφk在除以參考信號(hào)Rk時(shí)，產(chǎn)生如前面定義的系數(shù)A和B，這兩個(gè)系數(shù)與產(chǎn)生每個(gè)初始光信號(hào)的激光器無(wú)關(guān)。這樣，獲取兩個(gè)信號(hào)之差就去掉了時(shí)間平均系數(shù)A，從而產(chǎn)生兩個(gè)表達(dá)式，它們分別正比于被Fabry-Perot壓力傳感器16測(cè)量的相移角的余弦和正弦。
比如，對(duì)于四個(gè)正交波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3，λ4，任意定義各相移角φk中的一個(gè)作為“基”相移角φ(則其余相移角可從預(yù)定的正交關(guān)系導(dǎo)出)，則各相移角分別是φ1＝φφ2＝φ+π/2φ3＝φ+πφ4＝φ+3π/2這樣，有四個(gè)比率信號(hào)強(qiáng)度I1，I2，I3，I4，它們分別可表達(dá)為
I1＝A+BcosφI2＝A+Bcos(φ+π/2)＝A-BsinφI3＝A+Bcos(φ+π)＝A-BcosφI4＝A+Bcos(φ+3π/2)＝A+Bsinφ因此，I1-I3＝2Bcosφ，I4-I2＝2Bsinφ，從而，φ＝arctan[I4-I2)/(I1-I3)]。
對(duì)于任何給定的作為”基”波長(zhǎng)λ的波長(zhǎng)和對(duì)四個(gè)選擇波長(zhǎng)的相鄰對(duì)之間任何選定的固定常數(shù)間隔Δλ，可以選擇一個(gè)標(biāo)定間隙寬度L0，以提供有正交關(guān)系的波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3，λ4。這一點(diǎn)可說(shuō)明如下設(shè)第一波長(zhǎng)λ1＝λ，第二波長(zhǎng)λ2＝λ-Δλ。對(duì)于Fabry-Perot壓力傳感器16的間隙寬度L，通過(guò)該間隙的往返“來(lái)回路程”等于一個(gè)距離2L?？蛇x擇標(biāo)稱(chēng)間隙寬L0，使波長(zhǎng)λ在每個(gè)距離2L0的來(lái)回路程中的數(shù)量等于一個(gè)正整數(shù)N，則Nλ＝2L0，或者N＝2L0/λ。
如果第一和第二波長(zhǎng)是正交，則在每個(gè)來(lái)回路程中有N+1/4個(gè)第二波長(zhǎng)(λ-Δλ)，可表示為(N+1/4)(λ-Δλ)＝2L0從數(shù)學(xué)上，該等式可展開(kāi)為Nλ+1/4λ-NΔλ-1/4Δλ-2L0＝0替換N并合并同類(lèi)項(xiàng)，則產(chǎn)生1/4λ-2L0Δλ/λ-1/4Δλ＝0由于1/4Δλ＜＜λ，對(duì)于一級(jí)近似，最后一項(xiàng)可取掉，從而等式可表達(dá)為1/4λ＝2L0Δλ/λ，或L0＝λ2/8Δλ因此，一旦選定基波長(zhǎng)λ(比如，它可以是第一波長(zhǎng)λ1)和間隔Δλ，則可選定一個(gè)標(biāo)稱(chēng)間隙寬度L0，能產(chǎn)生四個(gè)有正交關(guān)系的波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3，λ4。
作為一舉體例子，如果選擇基波長(zhǎng)λ1為1.55微米，間隔Δλ為0.005微米，則一個(gè)60微米的標(biāo)稱(chēng)間隙寬度L0將產(chǎn)生四個(gè)有正交關(guān)系的波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3，λ4(分別為1.550、1.545、1.540、1.535微米)。
正如前面所討論，一旦基相移角φ確定，響應(yīng)施加于傳感器16的壓力的間隙寬度可由如下關(guān)系確定L＝λφ/4π其中L是間隙寬度，是施加于傳感器16的壓力的一個(gè)函數(shù)，φ是以弧度表示的基相移角，λ是基波長(zhǎng)，正如前面所定義的。對(duì)于壓力傳感器16，間隙寬度對(duì)壓力的一個(gè)曲線可由實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生，并且這個(gè)曲線可作為一個(gè)查詢(xún)表存儲(chǔ)在微電腦22中的一個(gè)只讀存儲(chǔ)器(ROM；未示出)中，從而可為每個(gè)計(jì)算出L值產(chǎn)生一壓力值。這個(gè)值可輸出到一個(gè)顯示裝置24，并/或儲(chǔ)存在微電腦22的存儲(chǔ)器內(nèi)。
所有上面的運(yùn)算和邏輯操作可以由帶有軟件的微電腦22執(zhí)行，軟件可以是通用的，或是編程領(lǐng)域一般技術(shù)水平內(nèi)可以完成的。
因此，上述系統(tǒng)能夠提供實(shí)時(shí)的或接近實(shí)時(shí)的基本為瞬時(shí)的壓力讀數(shù)，并且有高度的精確性、可靠性和穩(wěn)定性。
圖2顯示了上述較佳實(shí)施例的一個(gè)簡(jiǎn)化方案的壓力傳感系統(tǒng)30。在這個(gè)方案中，只使用了三個(gè)激光器32a，32b，32c，分別發(fā)射三個(gè)分離且獨(dú)立的波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3的序列脈沖紅外束，如上所述，有一個(gè)固定的常數(shù)波長(zhǎng)間隔Δλ分開(kāi)各相鄰波長(zhǎng)對(duì)。來(lái)自第二激光器32b和第三激光器32c的信號(hào)通過(guò)光纖傳送到一個(gè)第一3dB定向光耦合器34a。來(lái)自第一激光器32a的信號(hào)和來(lái)自第一3dB光耦合器34a的輸出信號(hào)通過(guò)光纖送到一個(gè)5dB定向光耦合器35。5dB光耦合器35的輸出信號(hào)是一個(gè)時(shí)分多路復(fù)用(TDM)入射束，在該入射束中三個(gè)波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3的脈沖具有基本相等的幅值或強(qiáng)度，正如圖2中波形A′所示。作為一個(gè)變換，也可以使用一個(gè)一乘三光耦合器(未圖示)來(lái)替代光耦合34a和35。
入射束從5dB光耦合器35由光纖傳導(dǎo)到一個(gè)第二3dB定向光耦合器34b，該耦合器將入射束分離成兩個(gè)具有基本相同幅值或強(qiáng)度的入射束部分。一個(gè)入射束部分構(gòu)成一個(gè)詢(xún)?cè)L束，它由光纖傳導(dǎo)到一個(gè)簡(jiǎn)單的(low-Finesse)Fabry-Perot壓力傳感器36，由另一個(gè)入射束部分構(gòu)成一個(gè)參考束，它由光纖傳導(dǎo)到一個(gè)第一即參考光檢測(cè)器38。參考光檢測(cè)器38又將參考束轉(zhuǎn)變成一個(gè)第一電子信號(hào)即參考信號(hào)R′。詢(xún)?cè)L束由Fabry-Perot壓力傳感器36進(jìn)行相位調(diào)制，然后從該傳感器36經(jīng)光纖反射回去到一個(gè)第二即測(cè)量光檢測(cè)器40，該測(cè)量光檢測(cè)器又以波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3在入射束中的相同順序接收這三個(gè)波長(zhǎng)的被調(diào)制脈沖。測(cè)量光檢測(cè)器40將被反射的詢(xún)?cè)L束轉(zhuǎn)變成一個(gè)第二電子信號(hào)即被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)S′，該強(qiáng)度信號(hào)對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)有一個(gè)幅值，正比于被反射的詢(xún)?cè)L信號(hào)的被測(cè)幅值或強(qiáng)度。
參考信號(hào)R′和被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)S′被輸入到一個(gè)微電腦42，信號(hào)R′和S′是先經(jīng)傳統(tǒng)裝置數(shù)字化的模擬信號(hào)。微電腦42配有程序，能夠?yàn)槊總€(gè)波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3以正交關(guān)系傳送，從而可以采用所述比率間的代數(shù)差來(lái)消除時(shí)間平均項(xiàng)，并產(chǎn)生兩個(gè)表達(dá)式，分別正比于由Fabry-Perot傳感器36測(cè)量到的相移角的正弦和余弦。然后，可以使用適當(dāng)?shù)姆凑谐绦颍垣@得相移角的測(cè)量，相移角正比于Fabry-Perot間隙寬度L，間隙寬度又是施加于傳感器36的壓力的基本線性函數(shù)。
更具體地講，對(duì)于這三個(gè)波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3，每個(gè)波長(zhǎng)的總被反射詢(xún)?cè)L束強(qiáng)度Sk′包含一個(gè)時(shí)間平均信號(hào)強(qiáng)度成分Sk′(DC)與一個(gè)干涉測(cè)量的干涉成分之和，干涉成分(對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的Fabry-Perot傳感器)可以表示為Sk′(Mod)cos(φk+π/4)，其中k＝1至3，φ是相移角，它是間隙寬度L的一個(gè)函數(shù)。參考信號(hào)可以表示為Rk′，以便比率信號(hào)強(qiáng)度Sk′/Rk′(指定為Ik′)可以表示為Sk′(DC)Rk′+Sk′(Mod)cos(φk+π/4)Rk′或者變作A+Bcos(φk+π/4)用參考信號(hào)強(qiáng)度Rk′除時(shí)間平均成分Sk′(DC)和干涉測(cè)量的干涉成分Sk′(Mod)cos(φk+π/4)，可以產(chǎn)生系數(shù)A和B。如上所述，A和B與產(chǎn)生每個(gè)初始光信號(hào)的激光器無(wú)關(guān)。采用兩個(gè)信號(hào)間之差可消去時(shí)間平均系數(shù)A，從而產(chǎn)生兩個(gè)表達(dá)式，分別正比于由Fabry-Perot壓力傳感器36測(cè)量的相移角的正弦和余弦。
例如，對(duì)于以正交關(guān)系發(fā)送的三個(gè)波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3，隨意定義三個(gè)相移角中的一個(gè)φk為“基”相移角φ(從它，根據(jù)預(yù)定的正交關(guān)系可導(dǎo)出其余相移角)，則各相移角如下
φ1＝φφ2＝φ+π/2φ3＝φ+π于是，有三個(gè)比率信號(hào)強(qiáng)度I1′，I2′，I3′，可分別表示為I1′＝A+Bcos(φ+π/4)I2′＝A+Bcos(φ+3π/4)＝A+Bcos(φ-π/4)I3′＝A+Bcos(φ+5π/4)＝A-Bcos(φ+π/4)因此，
從而，φ＝arctan[(I2′-I1′)/(I2′-I3′)]。
如前面所述，對(duì)于任何用作基波長(zhǎng)λ的給定波長(zhǎng)和對(duì)于這三個(gè)被選波長(zhǎng)中各相鄰對(duì)之間的任何選定的固定常數(shù)間隔Δλ，可為Fabry-Perot壓力傳感器選擇一個(gè)標(biāo)稱(chēng)間隙寬度L0，以提供有正交關(guān)系的三個(gè)波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3。如上所述，壓力響應(yīng)間隙寬度L可由被測(cè)基相移角φ和基波長(zhǎng)λ計(jì)算出。最后，相應(yīng)的被測(cè)壓力值可由計(jì)算出的L值導(dǎo)出，并且導(dǎo)出的結(jié)果可以顯示在一個(gè)顯示裝置44上，或者儲(chǔ)存在微電腦42的存儲(chǔ)器中。
Fabry-Perot壓力傳感器16和36可以是適合于系統(tǒng)10和30可能使用的環(huán)境的任何設(shè)計(jì)。那些傳感器是本領(lǐng)域已知的，比如上文提到的Hlg的參考文件所公開(kāi)的例子，還有Bush等人的參考文件中所舉的例子，所公開(kāi)的內(nèi)容也引入本文，作為參考。對(duì)于本發(fā)明，F(xiàn)abry-Perot壓力傳感器16和36使用具有圖3所示的設(shè)計(jì)為佳。
如圖3所示，壓力傳感器16，36是一個(gè)簡(jiǎn)單的(low-Finesse)Fabry-Perot腔，包括一個(gè)光學(xué)質(zhì)量玻璃的平板46，它對(duì)使用的波長(zhǎng)透明，還有一個(gè)內(nèi)表面48，對(duì)使用波長(zhǎng)部分反射，這些都是本領(lǐng)域的已知技術(shù)。壓力傳感器16，36還包括一個(gè)壓力響應(yīng)硅膜50，它由一個(gè)圓形間隔環(huán)52繞內(nèi)表面48的周邊連接到平板46。膜50有一個(gè)內(nèi)表面54，也是部分反射使用波長(zhǎng)。一個(gè)腔55將膜50的內(nèi)表面54與板46的內(nèi)表面48分開(kāi)，該腔確定這個(gè)Fabry-Perot間隙寬度L，它可以表達(dá)為L(zhǎng)＝L0+Δλ(P)其中L0是標(biāo)稱(chēng)間隙寬度，Δλ(P)是壓力誘導(dǎo)的間隙寬度的變化量。
壓力傳感器16，36通過(guò)一個(gè)分級(jí)指數(shù)(graded index或GRIN)透鏡58與一個(gè)光纖光學(xué)耦合，該光學(xué)透鏡較好地是由位于新澤西州Somerset市的NSGAmerica，Inc.公司推銷(xiāo)的，帶有“SELFOC”商標(biāo)的類(lèi)型。GRIN透鏡58提供要進(jìn)入腔55的一個(gè)準(zhǔn)直光束。光纖56較好地是支定在一個(gè)同軸套管59內(nèi)。圖3所示的組件較好地是還包括對(duì)準(zhǔn)裝置(未示出)，正如本領(lǐng)域所熟知，它是用于確保來(lái)自腔55的光信號(hào)能回射光纖56。
圖4是根據(jù)本發(fā)明這個(gè)較佳實(shí)施例的另一個(gè)變形例的壓力傳感系統(tǒng)60，其中使用了多個(gè)Fabry-Perot壓力傳感器61a，61b，61c。在這個(gè)變形例中，三個(gè)激光器分別發(fā)射以順序脈沖紅外束形式的三個(gè)分離且獨(dú)立的波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3，如上所述，有一固定的常數(shù)波長(zhǎng)間隔Δλ將各相鄰對(duì)波長(zhǎng)分開(kāi)。脈沖束光學(xué)地傳導(dǎo)到一個(gè)三路光耦合器63，它的輸出是一個(gè)時(shí)分多路復(fù)用(TDM)入射束，入射束中的這三個(gè)波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3的脈沖具有基本相等的幅值或強(qiáng)度，如圖4中波形A″所示。
TDM入射束由光纖光學(xué)地傳導(dǎo)到一個(gè)3dB定向光耦合器64，它將該入射束分成兩個(gè)基本相等強(qiáng)度的入射束部分。其中一個(gè)入射束部分構(gòu)成一個(gè)詢(xún)?cè)L束，它通過(guò)一個(gè)延遲線65光纖光學(xué)地傳導(dǎo)到各Fabry-Perot壓力傳感器61a，61b，61c，而另一個(gè)入射束部分構(gòu)成一個(gè)參考束，它又以光纖光學(xué)方式傳導(dǎo)到一個(gè)參考光檢測(cè)器66。參考光電檢測(cè)器66又將參考束轉(zhuǎn)換成一個(gè)參考信號(hào)R″。
詢(xún)?cè)L束由Fabry-Perot壓力傳感器61a，61b，61c進(jìn)行相位調(diào)制，然后又以光纖光學(xué)方式經(jīng)延遲線65傳送回到一個(gè)測(cè)量光檢測(cè)器67。測(cè)量光檢測(cè)器67接收波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3的被調(diào)制脈沖，其順序與入射束中這些脈沖的順序相同，再將被調(diào)制的詢(xún)?cè)L信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)S″，其幅值對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)都正比于被反射詢(xún)?cè)L束的被測(cè)幅值或強(qiáng)度。
測(cè)量光檢測(cè)器67接收來(lái)自三個(gè)壓力傳感器61a，61b，61c并沿延遲線65傳送的被調(diào)制詢(xún)?cè)L束，其順序是與從傳感器61a，61b，61c到測(cè)量光檢測(cè)器67的各自距離有關(guān)。正如圖4中波形B所示，來(lái)自第一傳感器61a的有三個(gè)波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3的第一脈沖序列被接收，表示為“a”，接收到的第二序列“b”是來(lái)自第二傳感器61b，接收到的第三序列“c”是來(lái)自第三傳感器61c。傳感器61a，61b，61c之間的物理距離必須足以防止序列a，b，c之間相互重疊。因此，若光纖中的光速為約0.2米/毫微秒，對(duì)于10毫微秒的脈沖周期，需要有一個(gè)至少兩米的傳感器相互分割。對(duì)于100毫微秒的脈沖周期，該間隔必須至少約20米。
當(dāng)每個(gè)傳感器61a，61b，61c的一個(gè)被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)S″由測(cè)量光檢測(cè)器67接收后，該信號(hào)將輸入到一個(gè)微電腦68。三個(gè)波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3是正交，并有一個(gè)如上所述的固定常數(shù)Δλ，微電腦68執(zhí)行前述的計(jì)算和操作，獲得“基”相移角(該項(xiàng)已在前面定義)φa，φb，φc，它們分別對(duì)應(yīng)傳感器61a，61b，61c，從而獲得每個(gè)傳感器61a，61b，61c的壓力讀數(shù)，該讀數(shù)可以輸出到一個(gè)顯示裝置和/或保留在微電腦68的存儲(chǔ)器中。
例如，對(duì)于由傳感器61a接收到的被調(diào)制詢(xún)?cè)L束，比率強(qiáng)度信號(hào)I1a，I2a，I3a被推導(dǎo)出，并表示為I1a＝A+Bcos(φa+π/4)I2a＝A+Bcos(φa+3π/4)＝A+Bcos(φa-π/4)I3a＝A+Bcos(φa+5π/4)＝A-Bcos(φa+π/4)因此
從而，φa＝arctan[(I2a-I1a)/(I2a-I3a)]。
可以使用類(lèi)似的一套操作，獲得φb和φc的值。
需要指出的是，在本較佳實(shí)施例的這個(gè)變形例子中，也可以使用任何數(shù)量的激光器和Fabry-Perot傳感器。
圖5顯示了本發(fā)明的一個(gè)第二實(shí)施例的壓力傳感系統(tǒng)70。在該實(shí)施例中，使用了多個(gè)Fabry-Perot壓力傳感器，并且多個(gè)激光器同時(shí)發(fā)生脈沖；提供一個(gè)波分多路復(fù)用入射束。
如圖5所示，使用三個(gè)激光器72a，72b，72c，同時(shí)分別發(fā)射脈沖紅外束，具有三個(gè)分離且獨(dú)立的波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3，并有一個(gè)固定的常數(shù)波長(zhǎng)間隔Δλ，將各相鄰對(duì)波長(zhǎng)分開(kāi)。脈沖束光纖光學(xué)地傳導(dǎo)到一個(gè)三路光耦合器73，其輸出是一個(gè)波分多路復(fù)用(WDM)入射束，它包括一個(gè)脈沖序列，如圖5中波形A所示，其中各脈沖包括各個(gè)波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3的相等強(qiáng)度成分。
這個(gè)WDM入射束光纖光學(xué)地傳導(dǎo)到一個(gè)3dB定向光耦合器74，它將該入射束分離成兩個(gè)具有基本相等幅值或強(qiáng)度的入射束部分。一個(gè)入射束部分構(gòu)成一個(gè)詢(xún)?cè)L束，通過(guò)一個(gè)延遲線75光纖光學(xué)地傳導(dǎo)到許多Fabry-Perot壓力傳感器76a，76b，76c的每一個(gè)，而另一個(gè)入射束部分構(gòu)成一個(gè)參考束，它經(jīng)過(guò)一個(gè)第一WDM光耦合器77光纖光學(xué)地傳遞到許多參考光檢測(cè)器78a，78b，78c。第一WDM光耦合器77將參考光分離成它的分離波長(zhǎng)成分，從而每個(gè)參考光檢測(cè)器78a，78b，78c接收三個(gè)波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3中的一個(gè)的脈沖。參考光檢測(cè)器78a，78b，78c分別產(chǎn)生電子參考信號(hào)R1，R2，R3，代表了參考束中三個(gè)波長(zhǎng)的各自幅值。因?yàn)閰⒖际腥齻€(gè)波長(zhǎng)成分的幅值具有(或應(yīng)當(dāng)具有)基本相等的強(qiáng)度，三個(gè)電子參考信號(hào)也具有基本相等的幅值，于是可以被共同指定為“R”。
詢(xún)?cè)L信號(hào)由FAbry-Perot壓力傳感器76a，76b，76c進(jìn)行相應(yīng)調(diào)制，然后該信號(hào)通過(guò)延遲線75和一個(gè)第二WDM光耦合器79光纖光學(xué)地傳送回到許多測(cè)量光檢測(cè)器80a，80b，80c。測(cè)量光檢測(cè)器80a，80b，80c接收來(lái)自三個(gè)壓力傳感器76a，76b，76c的被調(diào)制詢(xún)?cè)L信號(hào)的脈沖，接收這些脈沖的順序與這些傳感器到這些測(cè)量光檢測(cè)器的各自距離有關(guān)。具體講，圖5中所形A所示的各脈沖首先詢(xún)?cè)L傳感器76a，然后是傳感器76b，最后是傳感器76c，如此產(chǎn)生三個(gè)返回脈沖，分別在圖5的波形B′中標(biāo)示為“a”，“b”，“c”。這樣波形B′顯示了波形A的三個(gè)順序詢(xún)?cè)L脈沖的返回脈沖列。波形A的詢(xún)?cè)L脈沖之間的間隔必須足以允許在下一個(gè)詢(xún)?cè)L脈沖產(chǎn)生前，就接收由一個(gè)詢(xún)?cè)L脈沖產(chǎn)生的所有三個(gè)返回脈沖。傳感器76a，76b，76c之間的物理距離必須足以防止序列a，b，c之間的重疊。若光纖中的光速是約0.2米/毫微秒，對(duì)于10毫微秒的脈沖周期，要求至少約2米的傳感器相互間距。對(duì)于100毫微秒的一個(gè)脈沖周期，至少要求有約20米的間隔。
第二WDM光耦合器79將被調(diào)制詢(xún)?cè)L束分成它的分離波長(zhǎng)成分，從而各測(cè)量光檢測(cè)器80a，80b，80c接收波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3中某一個(gè)脈沖。測(cè)量光檢測(cè)器80a，80b，80c分別產(chǎn)生電學(xué)被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)S1，S2，S3，它們代表了被調(diào)制詢(xún)?cè)L束中的三個(gè)波長(zhǎng)的各自幅值。測(cè)量光檢測(cè)器80a，80b，80c分別接收波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3的被調(diào)制脈沖，其順序是與從傳感器76a，76b，76c返回的脈沖順序相同的，如波形B′所示。
參考信號(hào)R和被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)S1，S2，S3被輸入到一個(gè)微電腦82。如前面確定的，三個(gè)波長(zhǎng)λ1，λ2，λ3是正交并有一個(gè)固定常數(shù)Δλ，微電腦82執(zhí)行上述的計(jì)算和操作，以獲得基相移角(該項(xiàng)已在前面定義)φa，φb，φc分別對(duì)應(yīng)于傳感器76a，76b，76c，從而為每個(gè)傳感器獲得一個(gè)壓力讀數(shù)。
例如，對(duì)于從傳感器76a接收到的被調(diào)制詢(xún)?cè)L束，比率強(qiáng)度信號(hào)I1a′，I2a′，I3a′可被推導(dǎo)出并表示為I1a′＝A+Bcos(φa+π/4)I2a′＝A+Bcos(φa+3π/4)＝A+Bcos(φa-π/4)I3a′＝A+Bcos(φa+5π/4)＝A-Bcos(φa+π/4)因此
從而，φa＝arctan[(I2a′-I1a′)/(I2a′-I3a′)]。
類(lèi)似的一套操作可以使用任何數(shù)量的激光器和Fabry-Perot傳感器。然而，有必要對(duì)入射在這些光檢測(cè)器上的相對(duì)束功率及其這些光檢測(cè)器的響應(yīng)性進(jìn)行相互校對(duì)，以確保前述的“A”和“B”系數(shù)與所使用的特定激光器無(wú)關(guān)。
從上面的描述，可以知道本發(fā)明使用3個(gè)制造成本低廉的系統(tǒng)，能夠提供可靠、精確的實(shí)時(shí)或接近實(shí)時(shí)的壓力測(cè)量。具體說(shuō)，本發(fā)明中使用的Fabry-Perot傳感器可以是廉價(jià)生產(chǎn)的硅Fabry-Perot傳感器可以是廉價(jià)生產(chǎn)的硅Fabry-Perot傳感器技術(shù)，這類(lèi)傳感器是本領(lǐng)域所熟知的，上述系統(tǒng)的其它光學(xué)元件可以是市場(chǎng)上已能得到的產(chǎn)品。
本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例及其變形例已在上文和附圖中描述，本相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員由此可以進(jìn)行進(jìn)一步的修改和變化。比如，雖然本發(fā)明描述為使用Fabry-Perot壓力傳感器來(lái)測(cè)量壓力，但通過(guò)改變傳感器以傳感其它參量，如加速度，顯然本發(fā)明也是可以測(cè)量的。因此，本發(fā)明已經(jīng)可以適合于用來(lái)測(cè)量其它參量，而不能被限于傳感和測(cè)量壓力。這樣的修改應(yīng)當(dāng)被視為在本發(fā)明的如權(quán)利要求中所限定的精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量參量的系統(tǒng)，其特征在于，包括多個(gè)脈沖光信號(hào)源，發(fā)射多個(gè)單波長(zhǎng)信號(hào)，所述信號(hào)具有分離且獨(dú)特的發(fā)射波長(zhǎng)，所述發(fā)射波長(zhǎng)之間由一個(gè)固定的常數(shù)波長(zhǎng)間隔所分開(kāi)；多個(gè)光耦合器，將所述多個(gè)單波長(zhǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)變成一個(gè)多路入射束，所述入射束包括具有基本相等強(qiáng)度的第一和第二束部分；第一光檢測(cè)裝置，接收所述第一束部分并為各所述發(fā)射波長(zhǎng)產(chǎn)生一個(gè)參考強(qiáng)度信號(hào)；一個(gè)Falry-Perot傳感器，接收所述第二束部分，并有一個(gè)具有一個(gè)間隙寬度的Falry-Perot腔，所述間隙寬度作為待測(cè)參量值的函數(shù)而變化并有一個(gè)所述發(fā)射波長(zhǎng)都處在正交的標(biāo)稱(chēng)間隙寬度值，從而所述第二束部分由所述間隙寬度的變化進(jìn)行相位調(diào)制，以便所述發(fā)射波長(zhǎng)都按正交關(guān)系中的各自相移角產(chǎn)生相移，所述相移角中的一個(gè)是基相移角，所述基相移角是所述間隙寬度的一個(gè)已知函數(shù)；第二光檢測(cè)裝置，接收來(lái)自所述傳感器的經(jīng)相位調(diào)制的第二束部分，并為各所述發(fā)射波長(zhǎng)產(chǎn)生一個(gè)被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)；一個(gè)電腦，響應(yīng)各個(gè)所述參考信號(hào)和各個(gè)所述被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)，并被編程以完成(a)由所述被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)與所述參考信號(hào)的比來(lái)計(jì)算每個(gè)發(fā)射波長(zhǎng)的所述基相移角，(b)計(jì)算作為基相移角的函數(shù)的所述間隙寬度，(c)計(jì)算作為所述間隙寬度的函數(shù)的待測(cè)參量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述信號(hào)源以預(yù)定的順序發(fā)射脈沖，并且所述入射束是一個(gè)時(shí)(間)分(割)多路復(fù)用入射束，所述時(shí)分多路復(fù)用入射束包括處在預(yù)定順序中的所述單波長(zhǎng)信號(hào)的脈沖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)光耦合器包括至少一個(gè)第一光耦合器和一個(gè)第二光耦合器，所述第一光耦合器產(chǎn)生一個(gè)入射束，其內(nèi)部的所述單波長(zhǎng)信號(hào)的各自強(qiáng)度基本相等，所述第二光耦合器將所述入射束分成所述第一和第二束部分，并將所述第一束部分傳送到所述第一光檢測(cè)裝置，將來(lái)自所述Falry-Perot傳感器的所述第二束部分傳送到所述第二光檢測(cè)裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中所述傳感器是一個(gè)第一Falry-Perot傳感器，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括至少一個(gè)第二Falry-Perot傳感器，一個(gè)光纖延遲線，光學(xué)且實(shí)際地將所述第一和第二傳感器相互且與所述第二光檢測(cè)裝置耦合。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中所述信號(hào)源基本同時(shí)發(fā)出脈沖，并且所述入射束是一個(gè)波(長(zhǎng))分(割)多路復(fù)用入射束，該入射束包括一個(gè)脈沖序列，含有各所述發(fā)射波長(zhǎng)的基本相等強(qiáng)度成分。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中所述第一光檢測(cè)裝置包括一個(gè)第一波長(zhǎng)響應(yīng)光耦合器，將所述第一波長(zhǎng)束部分分成對(duì)應(yīng)于各所述發(fā)射波長(zhǎng)的成分，多個(gè)第一光檢測(cè)器，每個(gè)都響應(yīng)所述發(fā)射波長(zhǎng)中的一個(gè)，并為所述發(fā)射波長(zhǎng)中的一個(gè)產(chǎn)生一個(gè)參考強(qiáng)度信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中第二光檢測(cè)裝置包括一個(gè)第二波長(zhǎng)響應(yīng)光耦合器，將所述第二波長(zhǎng)束部分分成對(duì)應(yīng)于各所述發(fā)射波長(zhǎng)的成分，許多第二光檢測(cè)器，每個(gè)都響應(yīng)所述發(fā)射波長(zhǎng)中的一個(gè)，并為所述發(fā)射波長(zhǎng)中的一個(gè)產(chǎn)生一個(gè)被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述許多光耦合器包括至少一個(gè)第一光耦合器和一個(gè)第二光耦合器，所述第一光耦合器產(chǎn)生一個(gè)入射束，其內(nèi)的所述單波長(zhǎng)信號(hào)的強(qiáng)度是基本相等，所述第二光耦合器將所述入射束分成所述第一和第二束部分，并將所述第一束部分傳送到所述第一光檢測(cè)裝置，并將來(lái)自Falry-Perot傳感器的的述第二束部分傳送到所術(shù)二光檢測(cè)裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中所述傳感器是一個(gè)第一Falry-Perot傳感器，所述系統(tǒng)還包括至少一個(gè)第二Falry-Perot傳感器，一個(gè)光纖延遲線；光學(xué)且實(shí)際地將所述第一和第二傳感器相互且與所述第二光檢測(cè)裝置耦合。
10.一種用于測(cè)量參量的系統(tǒng)，其特征在于包括多個(gè)脈沖光信號(hào)源，發(fā)射多個(gè)具有分離且獨(dú)特的發(fā)射波長(zhǎng)的單波長(zhǎng)光信號(hào)，所述發(fā)射波長(zhǎng)間由一個(gè)固定的常數(shù)波長(zhǎng)間隔所分開(kāi)，所述多個(gè)信號(hào)源以一個(gè)預(yù)定的順序發(fā)射脈沖；多個(gè)光耦合器，將所述單波長(zhǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)含有基本相等強(qiáng)度的第一和第二束部分的時(shí)分多路復(fù)用入射束，各所述束部分包括預(yù)定順序中的所述單波長(zhǎng)信號(hào)的脈沖；一個(gè)第一光檢測(cè)器，接收所述第一束部分并為各所述發(fā)射波長(zhǎng)產(chǎn)生一個(gè)參考強(qiáng)度信號(hào)；一個(gè)Falry-Perot傳感器，接收所述第二束部分，并有一個(gè)帶有一個(gè)間隙寬度的Falry-Perot腔，所述間隙寬度作為待測(cè)參量值的已知函數(shù)而變化并有一個(gè)標(biāo)稱(chēng)間隙寬度值，所述發(fā)射波長(zhǎng)都在所述標(biāo)稱(chēng)間隙寬度值有正交關(guān)系，從而所述第二束部分由所述間隙寬度變化進(jìn)行相位調(diào)制，以便所述發(fā)射波長(zhǎng)都按正交關(guān)系中的各自相移角發(fā)生相移，所述相移角中的一個(gè)是基相移角，所述基相移角是所述間隙度的一個(gè)已知函數(shù)；一個(gè)第二光檢測(cè)器，接收來(lái)自所述傳感器、經(jīng)相位調(diào)制的第二束部分，并為各所述波長(zhǎng)產(chǎn)生一個(gè)被測(cè)強(qiáng)度信叫；一個(gè)電腦，響應(yīng)各所述參考強(qiáng)度信號(hào)和各所述被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)，并被編程以完成(a)由各個(gè)波長(zhǎng)的所述被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)與所述參考強(qiáng)度信號(hào)之比來(lái)計(jì)算每個(gè)波長(zhǎng)的所述基相移角，(b)計(jì)算作為所述基相移角的函數(shù)的間隙寬度，(c)計(jì)算作為所述間隙寬度的函數(shù)的待測(cè)參量。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)光耦合器包括一個(gè)第一光耦合器和一個(gè)第二光耦合，所述第一光耦合器產(chǎn)生一個(gè)入射束，束內(nèi)的所述單波長(zhǎng)信號(hào)的強(qiáng)度都基本相等，所述第二光耦合器將所述入射束分成所述第一和第二束部分，并將所述第一束部分傳送到所述第一光檢測(cè)器，將來(lái)自所述Falry-Perot傳感器的所述第二束部分傳送到所述第二光檢測(cè)器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其中所述傳感器是一個(gè)第一Falry-Perot傳感器，所述系統(tǒng)還包括至少一個(gè)第二Falry-Perot傳感器，一個(gè)光纖延遲線，將所述第一和第二傳感器相互且與所述第二光耦合器耦合。
13.一種用于測(cè)量參量的系統(tǒng)，其特征在于包括多個(gè)同時(shí)發(fā)脈沖的光信號(hào)源，發(fā)射多個(gè)具有分離且獨(dú)特的發(fā)射波長(zhǎng)的單波長(zhǎng)信號(hào)，所述發(fā)射波長(zhǎng)間由一個(gè)固定的常數(shù)波長(zhǎng)間隔所分開(kāi)；多個(gè)光耦合器，將的述多個(gè)單波長(zhǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)波分多路復(fù)用入射束，該入射束包括具有基本相并強(qiáng)度的第一和第二束部分，所述第一和第二束部分各自包括一個(gè)脈沖序列，各脈沖含有各所述發(fā)射波長(zhǎng)的基本相等強(qiáng)度成分；第一光檢測(cè)裝置，接收所述第一束部分并為各所述波長(zhǎng)產(chǎn)生一個(gè)參考強(qiáng)度信號(hào)；多個(gè)Falry-Perot傳感器，由一個(gè)光纖延遲線實(shí)際且光學(xué)地相互耦合，各所述傳感器接收來(lái)自所述延遲線的第二束部分，并有一個(gè)具有一間隙寬度的Falry-Perot腔，所述間隙寬度作為待測(cè)參量值的一個(gè)已知函數(shù)而變化，并有一個(gè)使所述發(fā)射波長(zhǎng)都處在正交關(guān)系中的標(biāo)稱(chēng)間隙寬度值，從而所述第二束部分由所述間隙寬度的變化進(jìn)行相位調(diào)制，所述發(fā)射波長(zhǎng)都按正交關(guān)系中的各自相移角產(chǎn)生相移，所述相移角中的一個(gè)是一個(gè)基相移角，所述基相移角是所述間隙寬度的一個(gè)已知函數(shù)；第二光檢測(cè)裝置，接收來(lái)自所述傳感器的相位調(diào)制后的第二束部分，并為各所述發(fā)射波長(zhǎng)產(chǎn)生一個(gè)被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)；一個(gè)電腦，響應(yīng)各所述參考強(qiáng)度信號(hào)和各所述被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)，并被編程以完成(a)由各波長(zhǎng)的所述被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)與所述參考強(qiáng)度信號(hào)之比來(lái)計(jì)算每個(gè)波長(zhǎng)的所述基相移角，(b)計(jì)算作為所述基相移角的函數(shù)的間隙寬度，(c)計(jì)算作為所述間隙寬度的函數(shù)的待測(cè)參量。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其中所述許多光耦合器包括至少一個(gè)第一光耦合器和一個(gè)第二光耦合器，所述第一光耦合器產(chǎn)生一個(gè)入射束，束內(nèi)所述單波長(zhǎng)信號(hào)的強(qiáng)度基本相等，所述第二光耦合器將所述入射束分成所述第一和第二束部分，并且將所述第一束部分傳送到所述第一光檢測(cè)器裝置，將來(lái)自所述Falry-Perot傳感器的第二束部分傳送到所述第二光檢測(cè)裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其中所述第一光檢測(cè)裝置包括一個(gè)第一波長(zhǎng)響應(yīng)光耦合器，將所述第一束部分分離成對(duì)應(yīng)于各所述發(fā)射波長(zhǎng)的成分，許多第一光檢測(cè)器，每一個(gè)都響應(yīng)所述發(fā)射波長(zhǎng)中的一個(gè)，并為所述發(fā)射波長(zhǎng)中的一個(gè)產(chǎn)生一個(gè)參考強(qiáng)度信號(hào)。
16.根據(jù)權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中所述第二光檢測(cè)裝置包括一個(gè)第二波長(zhǎng)響應(yīng)光耦合器，將所述第二束部分分離成對(duì)應(yīng)于各所述發(fā)射長(zhǎng)的成分，多個(gè)第二光檢測(cè)器，每一個(gè)響應(yīng)所述波長(zhǎng)中的一個(gè)，并為所述波長(zhǎng)中的一個(gè)產(chǎn)生一個(gè)被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)。
17.一種用于測(cè)量參量的方法，其特征在于包括如下步驟提供多個(gè)用具分離且獨(dú)特的發(fā)射波長(zhǎng)的單波長(zhǎng)脈沖光信號(hào)，所述發(fā)射波長(zhǎng)間由一個(gè)固定的常數(shù)波長(zhǎng)間隔所分開(kāi)；多路復(fù)用所述單波長(zhǎng)信號(hào)，以提供一個(gè)脈沖入射束，所述入射束中的所述發(fā)射波長(zhǎng)的強(qiáng)度都基本相等，將所述入射束分離成一個(gè)第一束部分和一個(gè)第二束部分，具有基本相等強(qiáng)度；檢測(cè)所述第一束部分，并產(chǎn)生指示所述第一束部分中各所述發(fā)射波長(zhǎng)的強(qiáng)度的參考強(qiáng)度信號(hào)，將所述第二束部分送到一個(gè)Falry-Perot傳感器，所述傳感器有一個(gè)具有一個(gè)間隙寬度的Falry-Perot腔，所述間隙寬度作為待測(cè)參量的函數(shù)而變化并有一個(gè)標(biāo)稱(chēng)間隙寬度，所述發(fā)射波長(zhǎng)在所述標(biāo)稱(chēng)間隙寬度時(shí)都有正交關(guān)系，從而所述第二束部分由間隙寬度的變化進(jìn)行相位調(diào)制，以便所述發(fā)射波長(zhǎng)都按正交關(guān)系中各自相移角產(chǎn)生相移，所述相移角中的一個(gè)是所述間隙寬度的已知函數(shù)的基相移角；檢測(cè)從所述傳感器接收到的所述相位調(diào)制后的第二束部分，并產(chǎn)生一個(gè)被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)，以指示所述被相位調(diào)制的第二束部分中各所述發(fā)射波長(zhǎng)的強(qiáng)度；由各所述發(fā)射波長(zhǎng)的所述被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)與所述參考強(qiáng)度信號(hào)之比，計(jì)算所述基相移角；計(jì)算作為基相移角的函數(shù)的所述間隙寬度，確定作為所述間隙寬度的函數(shù)的待測(cè)參量。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所述單波長(zhǎng)信號(hào)以預(yù)定順序脈沖發(fā)出，并且所述多路復(fù)用步驟提供一個(gè)時(shí)分多路復(fù)用入射束，該入射束包括預(yù)定順序中的所述單波長(zhǎng)信號(hào)的脈沖。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中所述第一和第二束部分的每一個(gè)都包括一系列在預(yù)定順序中的波長(zhǎng)脈沖。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所述單波長(zhǎng)信號(hào)都基本同時(shí)脈沖發(fā)出，并且所述多路復(fù)用步驟提供一個(gè)有序列脈沖的波分多路復(fù)用入射束，所述序列脈沖的每一個(gè)都包括各所述發(fā)射波長(zhǎng)的基本相等強(qiáng)度成分。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中所述第一和第二束部分的每一個(gè)都包括一個(gè)序列脈沖，并且包含有各所述發(fā)射波長(zhǎng)的基本相等強(qiáng)度成分。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中所述檢測(cè)第一束部分的步驟包括將所述第一束部分中各所述脈沖分離成對(duì)應(yīng)于各所述發(fā)射波長(zhǎng)的成分，分開(kāi)檢測(cè)各所述發(fā)射波長(zhǎng)，為各所述發(fā)射波長(zhǎng)產(chǎn)生一個(gè)單獨(dú)的參考強(qiáng)度信號(hào)。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中所述檢測(cè)經(jīng)相位調(diào)制的第二束部分的步驟包括將所述經(jīng)相位調(diào)制的第二束部人中各個(gè)脈沖分離成對(duì)應(yīng)于各所述發(fā)射波長(zhǎng)的成分，分開(kāi)檢測(cè)各所述發(fā)射波長(zhǎng)，為各個(gè)所述發(fā)射波長(zhǎng)產(chǎn)生一個(gè)單獨(dú)的被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)。
24.一種用于測(cè)量參量的方法，其特征在于包括如下步驟提供一個(gè)Falry-Perot傳感器，所述傳感器有一個(gè)具有一個(gè)間隙寬度的Falry-Perot腔，所述間隙寬度作為待測(cè)參量的已知函數(shù)而變化；產(chǎn)生一個(gè)含有一系列單波長(zhǎng)脈沖的光束，所述一系列脈沖是在多個(gè)選定波長(zhǎng)的一個(gè)預(yù)定順序中，所述多個(gè)選定波長(zhǎng)由一個(gè)固定的常數(shù)波長(zhǎng)間隔分開(kāi)并且對(duì)一個(gè)預(yù)定的間隙寬度是處在正交關(guān)系；產(chǎn)生一個(gè)參考強(qiáng)度信號(hào)；指示所述光束中各所述選定波長(zhǎng)的強(qiáng)度；將所述光束送到所述傳感器并在所述傳感器中由間隙寬度的變化對(duì)所述光束進(jìn)行相位調(diào)制，從而所述選定波都按正交關(guān)系的各自相移角產(chǎn)生相移，所述相移角中的一個(gè)是基相移角，所述基相移角是所述間隙寬度的已知函數(shù)；檢測(cè)從所述傳感器接收到的所述相位調(diào)制的光束，并產(chǎn)生一個(gè)被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)，指示所述被相位調(diào)制的光束中各所述選定波長(zhǎng)的強(qiáng)度；由各個(gè)所述選定波長(zhǎng)的被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)與所述參考強(qiáng)度信號(hào)之比，計(jì)算所述基相移角；計(jì)算作為所述基相移角的函數(shù)的間隙寬度；確定作為的述間隙寬度的函數(shù)的待測(cè)參量。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中在所述光束中的所述選定波長(zhǎng)的脈沖都具有基本相等的幅值。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中所述光束包括具有相等強(qiáng)度的第一和第二束部分，并且所述產(chǎn)生一個(gè)參考強(qiáng)度信號(hào)的步驟包括檢測(cè)所述第一束部分并產(chǎn)生一個(gè)參考強(qiáng)度信號(hào)，以指示所述第一束部分中各所述選定波長(zhǎng)的強(qiáng)度；其中所述第二束部分被送到所述傳感器并在此進(jìn)行相位調(diào)制，而其中所述檢測(cè)被相位調(diào)制光束的步驟包括檢測(cè)所述經(jīng)相位調(diào)制的第二束部分。
27.一種用于測(cè)量參量的方法，其特征在于包括如下步驟提供一個(gè)Falry-Perot傳感器，所述傳感器有一個(gè)具有一個(gè)間隙寬度的Falry-Perot腔，所述間隙寬度作為待測(cè)參量值的函數(shù)而變化；產(chǎn)生一個(gè)包含有一系列脈沖的光束，各所述脈沖包括多個(gè)選定波長(zhǎng)的基本相等強(qiáng)度成分，所述多個(gè)選定波長(zhǎng)由一個(gè)固定的常數(shù)波長(zhǎng)間隔分開(kāi)，并且對(duì)一個(gè)預(yù)定的間隙寬度是處在正交關(guān)系；產(chǎn)生一個(gè)參考強(qiáng)度信號(hào)，指示所述光束中各所述選定波長(zhǎng)的強(qiáng)度，將所述光束送到所述傳感器，并在所述傳感器由所述間隙寬度的變化相位調(diào)制所述光束，從而選定波長(zhǎng)都按正交關(guān)系的各自相移角進(jìn)行相移，所述相移角中的一個(gè)是基相移角，所述基相移角是所述間隙寬度的已知函數(shù)；檢測(cè)從所述傳感器接收到的所述相位調(diào)制后的光束，并產(chǎn)生一個(gè)被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)，指示所示相位調(diào)制后的光束中各所述選定波長(zhǎng)的強(qiáng)度；由各所述選定波長(zhǎng)的被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)與所述參考強(qiáng)度信號(hào)之比，計(jì)算所述基相移角；計(jì)算作為所述基相移角的函數(shù)的所述間隙寬度；確定作為所述間隙寬度的函數(shù)的待測(cè)參量。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中所述光束包括具有基本相等強(qiáng)度的第一和第二束部分，其中所述產(chǎn)生一個(gè)參考強(qiáng)度信號(hào)的步驟包括檢測(cè)所述第一束部分和產(chǎn)生一個(gè)參考強(qiáng)度信號(hào)的步驟，參考強(qiáng)度信號(hào)指示所述第一束部分中各選定波長(zhǎng)的強(qiáng)度；其中所述第二束部分被送到所述傳感器并在此進(jìn)行相位調(diào)制；而其中所述檢測(cè)經(jīng)相位調(diào)制的光束的步驟包括檢測(cè)經(jīng)相位調(diào)制的第二束部分。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中所述檢測(cè)經(jīng)相位調(diào)制的第二束部分的步驟包括將經(jīng)相位調(diào)制的第二束部分中的各所述脈沖分成對(duì)應(yīng)于各個(gè)所述選定波長(zhǎng)的成分，分開(kāi)檢測(cè)各個(gè)所述選定波長(zhǎng)，為各個(gè)所述選定波長(zhǎng)產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)立的被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)。
全文摘要
一種壓力傳感系統(tǒng)使用多個(gè)脈沖波長(zhǎng)信號(hào)源,各發(fā)射獨(dú)特波長(zhǎng),產(chǎn)生多路入射束。入射束被分成第一部分和第二部分,第一部分送到第一光檢測(cè)裝置為各波長(zhǎng)產(chǎn)生參考信號(hào),第二部分詢(xún)?cè)L一個(gè)或多個(gè)Falry－Perot壓力傳感器。詢(xún)?cè)L束部分由這些傳感器中的間隙寬度變量進(jìn)行相位調(diào)制,然后傳到第二光檢測(cè)裝置,由此為每個(gè)波長(zhǎng)產(chǎn)生被測(cè)強(qiáng)度信號(hào)。這些光源可以順序脈沖以提供一個(gè)時(shí)分多路復(fù)用入射束,或者同時(shí)脈沖以提供一個(gè)波長(zhǎng)分割多路復(fù)用入射束。
文檔編號(hào)G01L9/00GK1193737SQ98100918
公開(kāi)日1998年9月23日 申請(qǐng)日期1998年3月17日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月19日
發(fā)明者戴維B·霍爾 申請(qǐng)人:利頓系統(tǒng)公司