双波长调频连续波激光干涉压力测量传感器及测量方法与流程

技术领域：

本发明属于压力传感技术领域，涉及一种双波长调频连续波激光干涉高精度压力绝对测量仪器，尤其是涉及一种双波长调频连续波激光干涉压力测量传感器及测量方法。

背景技术：
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光纤压力传感器具有精度高，响应速度快，耐高温，防燃、防爆，抗电磁干扰等很多优点，因此受到各领域的广泛关注。但是因为光纤压力传感器其测量原理是基于将压力形变转化为光强，波长，相位等光学参量实现测量。这些光学参量的特点是变化具有周期性，因此压力测量的量程一般会限制在光学参量变化范围的一个周期内，如果光学参量超过一个变化周期就会出现周期缠绕问题，通常解决的办法是周期数累加，这种测量方式存在的问题是要求压力变化缓慢且需要连续测量，如果压力变化速率过快或者中途断电等特殊情况时干涉级周期累加数就会错误或丢失，导致压力测量结果发生错误，造成重大的生产，监测等安全隐患问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种双波长调频连续波激光干涉压力测量传感器及测量方法，其克服了现有技术中存在的压力精度低，压力量程小，无法绝对测量，压力测量易受环境影响的问题，可以提高压力测量的精度，稳定性，可靠性，实现压力高精度，大量程实时动态绝对测量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种双波长调频连续波激光干涉压力测量传感器，其特征在于：包括两路光纤调频连续波激光干涉压力子系统，第一光纤调频连续波激光干涉压力子系统包括第一半导体激光器，第一半导体激光器与第一光纤环行器端口一连接，第一光纤环行器端口二通过单模光纤与光纤准直器连接，第一光纤环形器的端口三与第一光电探测器相连；第二光纤调频连续波激光干涉压力子系统包括第二半导体激光器，第二半导体激光器与第二光纤环行器端口一连接，第二光纤环行器端口二通过单模光纤与光纤准直器连接，第二光纤环形器的端口三与第二光电探测器相连；光纤准直器后设置膜片式珐珀腔机构。

膜片式珐珀腔机构包括部分反射镜和弹性膜片，弹性膜片设置在部分反射镜后侧，弹性膜片粘贴于充气腔机构端面上。

第一光纤环形器与第二光纤环形器的出射端同时与压力传感头连接，压力传感头中包括第一光纤准直器和第二光纤准直器，部分反射镜以及金属弹性膜片。

第一光纤环形器、第二光纤环形器与光纤准直器之间设置有偏振分束器。

第一光纤环形器、第二光纤环形器与光纤准直器之间设置有双路波分复用器。

膜片式珐珀腔结构为单膜片结构或“h”形膜片结构。

充气腔机构包括不锈钢管，不锈钢管中空部分为充气腔。

部分反射镜粘贴于光纤准直器后侧，光纤准直器固定于不锈钢管左侧端口，弹性膜片固定于不锈钢管右侧端口。

弹性膜片采用具有高弹性性能的sus631不锈钢材质制作而成。

一种双波长调频连续波激光干涉压力测量传感器的测量方法，其特征在于：每个半导体激光器发出的线性调频激光通过单模光纤依次进入光纤环行器和光纤准直器，然后被光纤准直器准直为空间光束耦合进入膜片式珐珀腔机构，此空间光束在部分反射镜表面和弹性膜片表面分别发生反射后叠加产生一个动态拍频信号，此拍频信号由各自光纤准直器再次耦合回单模光纤进入各自光纤环行器，从光纤环行器端口三出射到达光电探测器转换为电信号，两路光纤调频连续波激光干涉压力子系统同时检测拍频信号初相位变化量可以分别得出子系统干涉级的小数部分，结合两路干涉子系统干涉级小数部分和两激光光源中心波长可以得到初相位变化量的干涉级，进一步得出两反射光束光程差的变化量，然后根据膜片压力形变原理，即可以实现压力高精度绝对测量；

其中，拍频信号初相位的变化量δφb0与压强变化量δp的关系式为：

式中h代表膜片的厚度，γ是法珀腔的半径也就是膜片的有效感压半径，μ是膜片材料的泊松比，e是膜片材料的弹性模量，n为空气折射率(n＝1)，λ0为光波在真空中的波长。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果是：

1、本发明光纤调频连续波干涉压力传感器建立两路干涉系统对同一膜片式珐珀腔结构进行测量，通过两路干涉子系统实现压力变化量绝对测量问题，即解决压力测量周期缠绕问题，增大压力测量量程。既可以提高压力测量的精度，稳定性，可靠性，还可以扩大压力测量范围，实现压力高精度，大量程实时动态测量，而且压力变化速率，意外中断等因素都不会干扰压力高精度实时测量。

2、本发明制作的调频连续波干涉压力绝对测量系统结构简单，制作容易，且结构紧凑，性能良好。

3、本发明与现有的单波长激光干涉光纤压力传感器相比，在一定的量程以内，可以实现前者无法实现的光程差变化量的高精度压力绝对测量。

4、本发明与现有的白光干涉技术相比，由于避免使用辅助干涉仪和扫描机制，所以结构简单、响应速度快、测量精度高，适应能力强，无论是光程差快速变化或发生突变或者在测量过程发生中断，都可以进行测量。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为本发明实施例3的结构示意图；

图4为本发明中压力测量传感部分的结构示意图。

图中，1-第一半导体激光器，2-第一光纤环行器，3-第一光电探测器，4-压力传感头，5-光纤准直器，6-部分反射镜，7-弹性膜片，8-偏振分束器，9-双路波分复用器，10-第二半导体激光器，11-第二光纤环形器，12-第二光电探测器，13-不锈钢管，14-充气腔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1、图2、图3和图4，本发明为一种双波长调频连续波激光干涉压力测量传感器及测量方法，包括两路光纤调频连续波激光干涉压力子系统，每个子系统包括一个半导体激光器、一个光纤环行器、一个光纤准直器5、一个光电探测器以及膜片式珐珀腔结构，光纤准直器5后设置膜片式珐珀腔机构，膜片式珐珀腔机构包括部分反射镜6和弹性膜片7，弹性膜片7设置在部分反射镜6后侧，弹性膜片7粘贴于充气腔机构端面上。每一路子系统都分别将各自的半导体激光器与单模光纤与光纤环行器入射端口相连，光纤环行器出射端口通过单模光纤与光纤准直器5相连，光纤环行器的另一出射端口与光电探测器相连。具体的，半导体激光器的输出尾纤与光纤环行器的输入尾纤连接，光纤环行器的输出尾纤与光纤准直器的输入尾纤连接，光纤环行器的反向输出尾纤与光电探测器的输入尾纤连接。两个子系统通过各自的光纤准直透镜使用同一个部分反射镜产生参考光，并测量同一个弹性膜片7的形变。参见图1，光纤准直器5之后设置有压力传感头4，构成空分式绝对压力测量系统。参见图2，第一光纤环形器2、第二光纤环形器11与光纤准直器5之间设置有偏振分束器8，构成偏振式压力绝对测量系统。参见图3，第一光纤环形器2、第二光纤环形器11与光纤准直器5之间设置有双路波分复用器9，构成波分复用压力绝对测量系统。弹性膜片7采用具有高弹性性能的sus631不锈钢材质制作而成。为了提高测量精度，sus631不锈钢材质的高弹性膜片设计为“h”形结构，“h”形右侧随压力发生形变，“h”形左侧随右侧形变前后移动。若两路干涉子系统为一个准直器，即珐珀腔光路共用结构，膜片式珐珀腔结构可以选择单膜片结构，也可以选择“h”形膜片结构。充气腔机构包括不锈钢管13，不锈钢管13中空部分为充气腔14。部分反射镜6分别粘贴于各自光纤准直器出射端口，然后将两光纤准直器通过ab胶平行固定与一起并一同固定到316l不锈钢管13左侧端口，弹性膜片7粘贴于充气腔机构端面上，然后固定于316不锈钢管13右侧端口，此过程中必须保证两路激光光束都可以垂直照射到同一个弹性膜片上。

弹性膜片中心会随充气腔内气压发生形变，引起珐珀腔腔长发生变化，两路干涉子系统同时检测同一个珐珀腔当前光程差及其变化后的光程差，分别得出光程差变化前和变化后两个干涉信号的干涉级小数，依据两激光光源中心波长和干涉级小数关系计算得出其中一个干涉仪干涉级变化量的整数和小数，从而得出光程差变化量的绝对值。然后根据膜片压力形变原理，即可以实现压力高精度绝对测量。具体测量方法为：

每个半导体激光器发出的线性调频激光通过单模光纤依次进入光纤环行器和光纤准直器，然后被光纤准直器准直为空间光束耦合进入膜片式珐珀腔机构，此空间光束在部分反射镜表面和弹性膜片表面分别发生反射后叠加产生一个动态拍频信号，此拍频信号由各自光纤准直器再次耦合回单模光纤进入各自光纤环行器，从光纤环行器端口三出射到达光电探测器转换为电信号，两路光纤调频连续波激光干涉压力子系统同时检测拍频信号初相位变化量可以分别得出子系统干涉级的小数部分，结合两路干涉子系统干涉级小数部分和两激光光源中心波长可以得到初相位变化量的干涉级，进一步得出两反射光束光程差的变化量，然后根据膜片压力形变原理，即可以实现压力高精度绝对测量；

其中，拍频信号初相位的变化量δφb0与压强变化量δp的关系式为：

式中h代表膜片的厚度，γ是法珀腔的半径也就是膜片的有效感压半径，μ是膜片材料的泊松比，e是膜片材料的弹性模量，n为空气折射率(n＝1)，λ0为光波在真空中的波长。

实施例1：

如图1、图4所示，实施例1为一种空分式绝对压力测量系统，其中光纤准直器5由第一光纤准直器和第二光纤准直器构成，部分反射镜6分别粘贴于第一光纤准直器和第二光纤准直器出射端，第一光纤准直器和第二光纤准直器通过ab胶平行固定在一起，保证两路激光光束都可以垂直照射到弹性膜片7(例如sus631不锈钢“h”形膜片)，然后再将第一光纤准直器和第二光纤准直器一同固定到316l不锈钢管13左侧端口，弹性膜片7(例如sus631不锈钢“h”形膜片)粘贴于珐珀腔结构右端面上，然后固定于316不锈钢管13另一侧端口，第一半导体激光器1通过单模光纤与第一光纤环行器2的入射端口相连，第一光纤环行器2的出射端口通过单模光纤与第一光纤准直器相连，第一光纤环行器的另一出射端口与第一光电探测器3相连。第二半导体激光器10通过单模光纤与第二光纤环行器11的入射端口相连，第二光纤环行器11的出射端口通过单模光纤与第二光纤准直器相连，第二光纤环行器11的另一出射端口与第二光电探测器12相连。第一光纤环形器2与第二光纤环形器11的出射端同时与压力传感头4连接，传感头4中包含有第一光纤准直器和第二光纤准直器，部分反射镜6以及金属弹性膜片7。金属弹性膜片7会根据充气腔内气压大小发生形变。膜片形变引起部分反射镜6与弹性膜片7中心间的距离发生变化，即引起了珐珀腔光程差改变，然后根据光程差形变量可以实现压力绝对测量。

本发明调频连续波激光干涉压力绝对测量原理是：第一半导体激光器1发出的线性调频激光通过单模光纤依次进入第一光纤环行器2和第一光纤准直器，然后被第一光纤准直器准直为空间光束耦合进入膜片式珐珀腔结构，此空间光束在半反半透镜表面和弹性膜片(sus631不锈钢膜片)表面分别发生反射后叠加产生一个动态拍频信号，此拍频信号由第一光纤准直器再次耦合回单模光纤进入第一光纤环行器2，从第一光纤环行器2的端口出射到达第一光电探测器3转换为电信号，同理，第二半导体激光器10发出的线性调频激光通过单模光纤依次进入第二光纤环行器11和第二光纤准直器，然后被第二光纤准直器准直为空间光束耦合进入膜片式珐珀腔结构，此空间光束在半反半透镜表面和弹性膜片(sus631不锈钢膜片)表面分别发生反射后叠加产生一个动态拍频信号，此拍频信号由第二光纤准直器再次耦合回单模光纤进入第二光纤环行器11，从第二光纤环行器11的端口出射到达第二光电探测器12光纤转换为电信号，同时检测的拍频信号(电信号)初相位变化量可以得出两反射光束干涉级小数值，

根据双波长调频连续波激光干涉技术，结合两路干涉子系统干涉级小数部分和两激光光源中心波长可以得到初相位变化量的干涉级，从而得到对应光程差变化量的绝对值。

根据膜片压力原理，均匀作用于膜片上的压力f(也可以是压强p)变化量δp与f-p腔腔长的变化量δd的对应关系为：

式中h代表膜片的厚度，γ是法珀腔的半径也就是膜片的有效感压半径，μ是膜片材料的泊松比，e是膜片材料的弹性模量。可得拍频信号初相位的变化量δφb0与压强变化量δp的关系式可以写为：

由上式可以看出，只需要测量出拍频信号初相位的变化量，就可以得到压强的变化量(压力变化量)。

实施例2:

参见图2和图4，实施例2为一种偏振式压力绝对测量系统，包括两个光纤调频连续波激光干涉压力测量子系统。第一个子系统包括第一半导体激光器1，第一光纤环行器2，第一光电探测器3，偏振分束器8，光纤准直器5。第二个子系统包括第二半导体激光器10，第二光纤环行器11，第二光电探测器12，偏振分束器8，光纤准直器5。二个干涉子系统共用部分由部分反射镜6和弹性膜片7构成的干涉腔。弹性膜片7粘贴于充气腔14端口。

从第一半导体激光器1发出的激光经过第一光纤环行器2和偏振分束器8，从光纤准直器5射出；从第二半导体激光器10发出的激光经过第二光纤环行器11和偏振分束器8，从光纤准直器5射出，这两束出射激光同时照射在部分反射镜6和弹性膜片7上。其反射光所形成的两个干涉信号分别反向进入光纤准直器5和偏振分束器8，然后再分别经过第一光纤环行器2、第二光纤环行器11，最后由第一光电探测器3、第二光电探测器12接收。

实施例2的具体测量方法与实施例1相同。

实施例3:

参见图3和图4，实施例3为一种波分复用压力绝对测量系统，包括两个光纤调频连续波激光干涉测量子系统。第一个子系统包括第一半导体激光器1，第一光纤环行器2，第一光电探测器3，双路波分复用器9，光纤准直器5。第二个子系统包括第二半导体激光器10，第二光纤环行器11，第二光电探测器12，双路波分复用器9，光纤准直器5。二个干涉子系统共用由部分反射镜6和弹性膜片7构成的干涉腔。弹性膜片粘贴于充气腔14端口

从第一半导体激光器1发出的激光经过第一光纤环行器2和双路波分复用器9，从光纤准直器5射出；从第二半导体激光器10发出的激光经过第二光纤环行器11和双路波分复用器9、从光纤准直器5射出，这两束出射激光同时照射在部分反射镜6和弹性膜片7上。其反射光所形成的两个干涉信号分别反向进入光纤准直器5和双路波分复用器9，然后再分别经过第一光纤环行器2和第二光纤环形器11、最后由第一光电探测器3和第二光电探测器12接收。

实施例3的具体测量方法与实施例1相同。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，均应包含在发明的专利保护范围内。