一种单光纤迈克尔逊干涉传感器及传感系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及传感器技术领域，具体而言涉及一种单光纤迈克尔逊干涉传感器及传 感系统。
【背景技术】
[0002] 光纤迈克尔逊干涉传感器在光纤传感、光信号处理等领域有非常广泛的应用，包 括光纤应力传感、光纤分布式振动传感等。普通光纤迈克尔逊干涉传感器通常需要利用 光分路器将来自光源的光信号灯功率分配后，入射到两根分立的光纤中，当光在各自光纤 的端面被反射后，再分别沿光路返回到光分路器，此时光分路器对返回光进行合波，两束 返回光发生干涉，通过光电转换后进行强度采集，获取的信号可能呈现出余弦的周期性变 化。在这种分立的光路中，参考臂容易受温度的影响，从而使干涉强度出现干扰。为了简 化光纤迈克尔逊干涉传感器的干涉结构，专利"基于同轴光纤的迈克尔逊干涉仪"（专利 号：ZL200910044807. 4)、"光纤内集成式微型迈克尔逊干涉传感器及其制作方法"（专利号： ZL200910104579. 5)和"微型光纤集成的光纤迈克尔逊干涉式温度传感器、制作方法"（专 利号：ZL200910104580.8)等采用光纤复接或微加工的方法，在一段光纤上构建光纤迈克 尔逊干涉传感器，但上述方法制作工艺复杂，批量生产困难，实用性不佳。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种单光纤迈克尔逊干涉传感器及系统，该装 置结构简单、制作方便、灵敏度高、配置灵活、抗电磁干扰、耐腐蚀和可用于恶劣环境等优 点。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种单光纤迈克尔逊干涉传感器，它由普通 单模光纤以及光纤上分别刻写的两个与光纤轴垂直的第一啁嗽光栅、第二啁嗽光栅组成， 第一啁嗽光栅与第二啁嗽光栅之间保持一定的间距前后排列，且有相同的反射光谱特性， 其反射率低于1%。
[0005] 本发明还提供了一种单光纤迈克尔逊干涉传感器的传感系统，包括窄带激光光 源，光环行器，光电探测器，带A/D转换的数据采集卡，计算机，以及单光纤迈克尔逊干涉传 感器。环形器的第一端口接激光光源，环形器的第二端口接单光纤迈克尔逊干涉传感器，环 形器的第3端口接光电探测器，光电探测器与数据采集卡连接，数据采集卡与计算机连接。
[0006] 激光光源的工作波长位于第一啁嗽光栅、第二啁嗽光栅的反射谱范围内。
[0007] 单光纤迈克尔逊干涉传感器的尾端盘绕成半径小于5_、圈数大于10圈的小圆， 且光纤尾端的端面斜度小于60°，以降低端面反射。
[0008] 计算机对干涉仪引起的相位变化进行解调，提取相应的物理参量的信息。
[0009] 单光纤迈克尔逊干涉传感器的传感系统的工作原理如下：
[0010] 激光光源发出的光经过环形器注入到单光纤迈克尔逊干涉传感器，假定第一啁嗽 光栅、第二啁嗽光栅反射系数为R。，激光的光强为I。，则第一啁嗽光栅反射光为I〇*R。，透射 光为Ic*(1-?)。透射光入射到第二啁嗽光栅上时，反射信号的强度为Ic*(1-?)*私，反射信 号通过第一啁嗽光栅后的强度为则第一啁嗽光栅、第二啁嗽光栅两束返回 光的强度之比为：1:(1-R。)2。
[0011] 假定光栅的反射率Re等于1%，两束光的强度之比为1 :〇. 9801，光强相差小于 2%;而光栅的反射率降低到0. 1%时，两束反射光的强度之比为1:0. 998001，两束光强相差 小于0. 2%。这对干涉条纹的影响非常有限，可以近似为等功率两束光。两束光是同一激光 光源的反射光，具有相同的传播方向和稳定的相位差，因此会产生双光束干涉，其反射机理 符合迈克尔逊的工作机理，命名为单光纤迈克尔逊干涉传感器。其双光束干涉的表达式：
[0012] Id~2R0*I0*{l+cos[4 π neffL/λ+ φΓ]} (1)
[0013] 式中，Id为双光束干涉的光强，L为两光栅之间的距离，Φ ^为两光栅之间的相位 差。当两个光栅之间的光纤受到外界扰动时，干涉信号的相位差变化A φ :
[0015] 由公式（2)可知，当光源的波长确定后，两束干涉光的干涉相位变化系数与光栅 间距L直接相关。光栅距离越长，相位变化的灵敏度越高。研究表明，普通光栅的相位变化 为：
[0017] 式中，d为光栅的长度。大多数光栅的长度在几个毫米，而迈克尔逊干涉传感器两 个光栅之间的距离理论上由激光光源的相干长度确定。比较式（2)和（3)可知，在同样的 应变参数下，单光纤迈克尔逊干涉传感器的灵敏度比单光栅高L/d倍。例如，假定光栅的长 度为6_，迈克尔逊干涉传感器的臂长L为60m，则系统的灵敏度提高1000倍，可以进行高 灵敏度传感！
[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0019] 1)、干涉结构简单。基于弱光栅的传感器是在同一根光纤上制作，避免了传统光纤 迈克尔逊传感器的双光纤结构，或者通过光学精密加工制作特定的双反射面。
[0020] 2)、制作简单，无需进行复杂的机械加工，尤其适合拉丝塔工艺制作光栅，只需要 在光纤拉丝过程中根据间距设计要求进行光栅刻写，易于工业化生产。
[0021] 3)、灵敏度可以根据具体的应用场合灵活设计，即设计不同的光栅间距长度可以 获得不同灵敏度的干涉仪。
[0022] 4)、可以方便进行分布式传感。该传感系统采用窄线宽激光器作为光源，激光经过 光栅反射后，具有良好的相干特性，因而可以将两个光栅之间的间距设计为数十米甚至更 长，而两个光栅区间内的光纤上任何一点可作为传感介质，从而实现分布式传感。
【附图说明】
[0023] 图1为采用双光栅构成本发明的结构示意图。
[0024] 图2为采用本发明传感器构成传感系统的结构图。
[0025] 图3为本发明传感系统的具体实施例。
[0026] 图中：1 一