一种基于非对称干涉结构的位移检测系统及其检测方法与流程

本发明属于位移传感器领域，具体涉及一种基于非对称干涉结构的位移检测系统及其检测方法。

背景技术：

高精度、非接触式位移测量在科学研究、工业生产以及航空航天领域具有广泛用途，加速度、速度、振动、压力等物理量都可以转化为位移来进行测量。现阶段，位移传感已发展出多种检测方式，如电容式、磁阻式、电感式和光学式等。基于光学结构的传感器，如光纤传感器的信号处理单元与无源传感探头完全分离，可大幅度降低传感器宕机事故的概率和维修成本，非常适合用于复杂恶劣的环境。

由光纤端面和外部反射面构成的非本征光纤法布里-珀罗(fabry-perot,f-p)干涉仪具有结构简单和精度高的优点，被广泛地应用于位移测量，其工作原理为：垂直于光纤端面方向的位移改变f-p干涉结构的腔长，导致干涉相位变化，通过波长解调、光强解调等方式解调相位变化可以获取位移信息。

目前，基于f-p干涉结构的光纤位移传感器已经有所报道，专利文献(201711418334.0)公开了一种调频连续波激光干涉光纤位移传感器及其位移检测方法，其利用部分反射镜的反射光与合作反射镜的反射光叠加干涉形成拍频信号，通过解调拍频信号的初相位偏移量实现待测目标位移测量，然而该装置虽然能在数厘米以上的大量程范围内，获得小于10nm的测量精度，但只能测量垂直于光纤端面方向的位移，无法测量平行于光纤端面方向的位移，适用范围受到限制。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于非对称干涉结构的位移检测系统及其检测方法，旨在解决现有技术中一定测量精度下由于拍频信号只能测量垂直于光纤端面方向的位移导致平行于光纤端面方向的位移无法测量的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于非对称干涉结构的位移检测系统，该系统包括检测光源、光学模块、位移监测模块和光电探测模块，光学模块包括第一端口、第二端口和第三端口，第一端口的输入光经第二端口输出，第二端口的输入光经第三端口输出，第一端口连接检测光源，第三端口连接光电探测模块，位移监测模块与待测物体固定连接，

位移监测模块为包括第一反射面和第二反射面的阶梯型结构，具体为，第一反射面和第二反射面与第二端口的端面平行；第一垂直距离不等于第二垂直距离，第一垂直距离为第一反射面与第二端口之间的垂直距离，第二垂直距离为第二反射面与第二端口之间的垂直距离。

作为本发明的进一步改进，光学模块为光纤环形器。

作为本发明的进一步改进，第二端口的端面为光纤端面。

作为本发明的进一步改进，第二端口的端面镀有第一薄膜材料，第一薄膜材料的反射率为0.03～0.5。

作为本发明的进一步改进，第一垂直距离与第二垂直距离之间差值的绝对值范围为1μm～300μm。优选地，第一垂直距离与第二垂直距离之间差值的绝对值范围可以设置为21μm～250μm。

作为本发明的进一步改进，第一反射面镀有第二薄膜材料，第二薄膜材料的反射率为0.04～1。

作为本发明的进一步改进，第二反射面镀有第三薄膜材料，第三薄膜材料的反射率为0.04～1。

作为本发明的进一步改进，检测光源为可调谐激光器。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种基于上述位移检测系统的检测方法，该检测方法包括如下步骤：

位移监测模块位于参考点位置时，获取第三端口输出的参考光强信号，对参考光强信号进行快速傅里叶变换，以获取参考光强信号的快速傅里叶变换曲线的幅值及空间频率；

利用位移监测模块进行待测物体位移测量时，获取第三端口输出的实测光强信号，对实测光强信号进行快速傅里叶变换，以获取实测光强信号的快速傅里叶变换曲线的幅值及空间频率，对比两个光强信号的快速傅里叶变换曲线的幅值及空间频率，以获取待测物体相对于参考点的位移。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明的一种基于非对称干涉结构的位移检测系统及其检测方法，其通过可实现光纤环形器功能的光学模块和具有阶梯型结构的位移监测模块，使得检测光源发出的检测光经光学模块后，一部分出射光在第二端口的端面处发生反射，另一部分出射光照射在随待测目标物体移动的位移监测模块的阶梯型结构反射面上，阶梯型结构反射面将光反射使其返回第二端口并与其端面的反射光叠加形成干涉信号，干涉信号耦合回光学模块，由光学模块的第三端口进入光电探测模块并转换为电信号，通过对该电信号进行处理分析，进而得到待测物体的位移信息，可实现平行和垂直于第二端口端面方向的位移测量，从而拓宽了基于光学结构的位移传感器的适用范围。

本发明的一种基于非对称干涉结构的位移检测系统及其检测方法，其通过采用光纤环形器作为光学模块，由于光纤环形器具有体积小、结构简单、灵敏度高的优点，从而使得整个位移检测系统易于集成在各种装置设备上实现高精度位移检测。

本发明的一种基于非对称干涉结构的位移检测系统及其检测方法，其通过在光纤端面镀有第一薄膜材料和第一反射面镀有第二薄膜材料，通过设置第二端口端面和第一反射面的反射率，以使得第二端口端面与第一反射面进行干涉部分的反射光强和第一反射面的反射光强相等，以提高位移检测精度、降低位移检测精度。

本发明的一种基于非对称干涉结构的位移检测系统及其检测方法，其在光纤端面镀有第一薄膜材料和第二反射面镀有第三薄膜材料，通过设置第二端口端面和第二反射面的反射率，以使得第二端口端面与第二反射面进行干涉部分的反射光强和第二反射面的反射光强相等，以提高位移检测精度、降低位移检测精度。

附图说明

图1为本发明实施例的位移检测系统一种具体实施方式的结构示意图；

图2(a)为本发明实施例的参考光强信号的示意图之一；

图2(b)为本发明实施例的参考光强信号对应的傅里叶变换的示意图之一；

图3(a)为本发明实施例的实测光强信号的示意图之一；

图3(b)为本发明实施例的实测光强信号对应的傅里叶变换的示意图之一；

图4(a)为本发明实施例的参考光强信号的示意图之二；

图4(b)为本发明实施例的参考光强信号对应的傅里叶变换的示意图之二；

图5(a)为本发明实施例的实测光强信号的示意图之二；

图5(b)为本发明实施例的实测光强信号对应的傅里叶变换的示意图之二；

图6为本发明实施例的一种基于非对称干涉结构的位移方法的示意图。

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。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

一种基于非对称干涉结构的位移检测系统，该系统包括检测光源、光学模块、位移监测模块和光电探测模块，其中，光学模块包括第一端口、第二端口和第三端口，第一端口的输入光经第二端口输出，第二端口的输入光经第三端口输出，第一端口连接检测光源，第三端口连接光电探测模块，位移监测模块与待测物体固定连接，

位移监测模块为包括第一反射面和第二反射面的阶梯型结构，具体为，第一反射面和第二反射面与第二端口的端面平行，第一垂直距离不等于第二垂直距离，该第一垂直距离为第一反射面与第二端口之间的垂直距离，该第二垂直距离为第二反射面与第二端口之间的垂直距离。

为验证上述位移检测系统的功能，可以将第二端口的端面产生的反射光电场表示为：

位移监测模块产生的反射光电场为：

光纤环形器2的第三端口输出的信号光电场为：

e＝e1+e2

其中，a0为入射光的振幅，为入射光的初始相位，r1、r2分别为第二端口的端面和位移监测模块的反射率，d0为第二端口的端面的模场直径，x为待测物体平行于第二端口端面方向的位移，n为第二端口的端面与位移监测模块之间的介质折射率，λ为入射光的波长，d1为第二端口的端面与第一反射面之间的垂直距离，d2为第二端口的端面与第二反射面之间的垂直距离。

进而得到光电探测模块的输出光强为：

将上述输出光强看作入射光波长λ的函数，对进行快速傅里叶变换，可以得到空间频率处幅值分别为的三组曲线。当附着于待测物体上的位移监测模块发生平行于第二端口的端面方向的位移x时，快速傅里叶变换曲线的幅值将发生改变；当位移监测模块的第一反射面、第二反射面与第二端口的端面之间的垂直距离d1、d2发生变化时，快速傅里叶变换曲线的空间频率将发生改变。通过测量快速傅里叶变换后曲线的幅值与空间频率相对于参考点的变化量，就可以分别求出平行于第二端口端面方向和垂直于第二端口端面方向的位移，从而实现二维位移测量。

作为一个优选的实施例，光学模块可以为光纤环形器，当然，光纤环形器仅为一个示例，该光学模块还可以为具有光纤环形器功能的波导结构或其他光学结构，可以实现第一端口的输入光经第二端口输出，第二端口的输入光经第三端口输出即可。

作为一个优选的实施例，第二端口的端面为光纤端面，当然光学模块为波导结构或其他光学结构时，该端口端面可以依据设计需要选择为光纤端面或其他光传输介质的端面结构，作为进一步地优选，该第二端口的端面镀有部分反射的第一薄膜材料，该第一薄膜材料的反射率为0.03～0.5；通过第一薄膜材料使第二端口的端面能够反射部分光，由于薄膜材料的反射率越大，检测光损耗越小，光电探测器接收到的信号更强，从而位移检测精度越高、噪声越低。若端面不镀膜，则第一薄膜材料就是端面本身(即材料是sio2薄膜)，反射率为菲涅尔反射面的反射率，在0.03～0.04之间；若端面镀膜，薄膜材料就是反射率大于0.03且小于0.5的有机介质薄膜。

在本发明实施例中，第一垂直距离与第二垂直距离之间差值的绝对值范围为1μm～300μm。作为本发明的一个实施例，为了满足维纳辛钦定理(保证在1500nm～1600nm内有两个包含两个次级条纹的包络周期)，从而在快速傅里叶变换曲线中包含两个空间频率峰值，以进行位移解调，同时考虑当前制备阶梯型结构所采用的mems技术工艺，第一垂直距离与第二垂直距离之间差值的绝对值范围优选为21μm～250μm。

作为一个优选的实施例，第一反射面镀有部分反射或全反射的第二薄膜材料，该第二薄膜材料的反射率为0.04～1；第二薄膜材料可以使得反射面反射部分光，从而与端面反射光发生干涉、实现位移测量。作为一个示例，第二薄膜材料可以选择sio2薄膜、有机介质薄膜和金属薄膜。作为进一步的优选，通过设置第二端口端面和第一反射面的反射率，以使得第二端口端面与第一反射面进行干涉部分的反射光强和第一反射面的反射光强相等，以提高位移检测精度、降低位移检测精度。如当第二端口的端面反射率为0.04时，第二薄膜材料的端面反射率也为0.04，作为进一步的优选，实际情况下，考虑到腔内存在损耗，第二的端面反射率可以设计的高一些，以保证阶梯结构的反射光强与第二端口端面的反射光强相等。

作为一个优选的实施例，第二反射面镀有部分反射或全反射的第三薄膜材料，该第三薄膜材料的反射率为0.04～1；第三薄膜材料可以使得反射面反射部分光，从而与端面反射光发生干涉、实现位移测量。作为一个示例，第三薄膜材料可以选择sio2薄膜、有机介质薄膜和金属薄膜。作为进一步的优选，通过设置第二端口端面和第二反射面的反射率，以使得第二端口端面与第二反射面进行干涉部分的反射光强和第二反射面的反射光强相等，以提高位移检测精度、降低位移检测精度。如当第二端口的端面反射率为0.04时，第三薄膜材料的端面反射率也为0.04，作为进一步的优选，实际情况下，考虑到腔内存在损耗，第三的端面反射率可以设计的高一些，以保证阶梯结构的反射光强与第二端口端面的反射光强相等。

作为一个优选的实施例，检测光源为可调谐激光器，当然还可以依据需求选择其他的检测光源。

图1为本发明实施例的位移检测系统一种具体实施方式的结构示意图。如图1所示，位移监测系统包括可调谐激光器1、光纤环形器2、非对称光纤干涉结构3和光电探测器7；

其中位移监测模块6为阶梯型反射面结构，具体包括：第一反射面和第二反射面，第一反射面和第二反射面与第二端口的端面平行；第一垂直距离不等于第二垂直距离，第一垂直距离为第一反射面与第二端口之间的垂直距离，第二垂直距离为第二反射面与第二端口之间的垂直距离；

可调谐激光器1与光纤环形器2第一端口相连，光纤环形器2第二端口与单模光纤4相连，单模光纤4后放置位移监测模块6，且位移监测模块6与光纤端面5平行相对、位移监测模块6的阶梯棱线在单模光纤4的光轴上，光纤环形器2第三端口与光电探测器7相连。

作为一个示例，可调谐激光器1的波长范围设置为1500nm到1600nm，输出光功率选择为1mw，单模光纤4的模场直径为10.2μm，光纤端面5的反射率选择为0.04，固定于待测物体表面的位移监测模块6的反射率选择为0.04，光纤端面5与位移监测模块6平行放置，其间的介质折射率为n＝1，且光纤端面5与位移监测模块6的第一反射面、第二反射面之间的距离分别选择为200μm、250μm。单模光纤4的中轴线与位移监测模块6的阶梯分界位置是位移为0处即x＝0μm，向位移监测模块6的第二反射面方向移动是位移为正的方向。图2(a)和(b)分别为本发明实施例的参考光强信号及对应的傅里叶变换的示意图之一。如图2(a)和(b)所示，当x＝0μm时，光谱呈现非常明显的拍频效应，由快速傅里叶变换可知，频谱中包含两个峰值，分别由光纤端面5的反射光信号与位移监测模块6的第一反射面、第二反射面的反射光信号之间发生干涉而形成，同时，两个峰值的光功率相等。图3(a)和(b)分别为本发明实施例的实测光强信号及对应的傅里叶变换的示意图之一。如图3(a)和(b)所示，当x＝4μm时，光谱的拍频效应明显减弱，由快速傅里叶变换可知，频谱中也包含两个峰值，两个峰值所对应的空间频率与x＝0μm时一致，但是两个峰值的光功率相差较大。通过比较由快速傅里叶变换得到的频谱中两个峰值的光功率之差的大小，就可以推算出待测物体平行于光纤端面方向的位移大小。

作为一个示例，可调谐激光器1的波长范围设置为1500nm到1600nm，输出光功率选择为1mw，单模光纤4的模场直径为10.2μm，光纤端面5的反射率选择为0.04，固定于待测物体表面的位移监测模块6的反射率选择为0.04，光纤端面5与位移监测模块6平行放置，其间的介质折射率为n＝1，单模光纤4的中轴线与位移监测模块6的阶梯分界位置对齐。图4(a)和(b)分别为本发明实施例的参考光强信号及对应的傅里叶变换的示意图之二。如图4(a)和(b)所示，当光纤端面5与位移监测模块6的第一反射面、第二反射面之间的距离分别为200μm、250μm时，光谱呈现非常明显的拍频效应，由快速傅里叶变换可知，频谱中包含两个光功率相等的峰值，分别由光纤端面5的反射光信号与位移监测模块6的第一反射面、第二反射面的反射光信号之间发生干涉而形成，对应的空间频率分别为0.166nm^-1、0.208nm^-1。图5(a)和(b)分别为本发明实施例的实测光强信号及对应的傅里叶变换的示意图之二。如图5(a)和(b)所示，当光纤端面5与位移监测模块6的第一反射面、第二反射面之间的距离分别为300μm、350μm时，光谱同样呈现非常明显的拍频效应，由快速傅里叶变换可知，频谱中也包含两个光功率相等的峰值，两个峰值所对应的空间频率为0.250nm^-1、0.291nm^-1。通过比较由快速傅里叶变换得到的频谱中两个峰值的空间频率大小，就可以推算出待测物体垂直于光纤端面方向的位移大小。

图6为本发明实施例的一种基于非对称干涉结构的位移方法的示意图。如图6所示，一种基于上述位移检测系统的检测方法，该方法包括如下步骤：

位移监测模块位于参考点位置时，获取该第三端口输出的参考光强信号，该参考光强信号为入射光波长的函数，对该参考光强信号进行快速傅里叶变换，以获取该参考光强信号的快速傅里叶变换曲线的幅值及空间频率；

利用位移监测模块进行待测物体位移测量时，获取该第三端口输出的实测光强信号，该实测光强信号为入射光波长的函数，对该实测光强信号进行快速傅里叶变换，以获取该实测光强信号的快速傅里叶变换曲线的幅值及空间频率，对比该参考光强信号的快速傅里叶变换曲线的幅值及空间频率，以获取待测物体相对于参考点的位移。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。