CN1215158A - 非声学的光压力传感器的时分复用阵列 - Google Patents

Abstract

一种利用非声学的光压力传感器的压力测量装置,具有产生冲光信号的激光光源,脉冲光信号沿光缆传输到光压力传感器的阵列。多个光耦合器与光传输光缆连接,以便分出至少一部分脉冲光信号。每个光耦合器包括光压力传感器和压敏反射器,脉冲光信号的分路部分被传输到光压力传感器和反射器中。每个光压力传感器把压力指示信号反射回到光耦合器中,同时压敏反射器把参考信号反射回到光耦合器中。将压力指示信号与参考信号比较以确定作用于光压力传感器的压力。

Description

非声学的光压力传感器的时分复用阵列

本发明一般涉及非声的光压力传感器，特别是用于测量在沿阵列路径的多个位置上的压力的非声学的光压力传感器阵列。

在减小压力传感器尺寸的领域中，使用压阻或电容读出装置测量压力是众所周知的。在压阻压力传感器中，膜片受施加的压力作用，并且通过测量膜片上的机械应变来确定作用于膜片上的压力量。检测膜片机械应变的状态存在大量的问题。例如，这种类型的传感器具有对封装受力大的交叉敏感性，因而限制了传感器的准确性。此外，电阻元件导致在高温反映高温作用的温度灵敏度也是不准确的。

电容压力传感器使用设置在膜片与邻近的第二薄板之间的可变间隙电容器。当压力作用于膜片时，利用可变间隙电容器的容量测量膜片的偏移量以确定作用于膜片上的压力。这些压力传感器也具有许多缺点。首先需要用电操作这些传感器以获得所需的测量值。在某些情况下，例如要求在长距离传输的远距离位置上，向压力传感器供电是不方便或不可行的，以致这些压力传感器不能总是被可靠利用。此外，这种压力传感器除了对封装应力敏感外，温度对其读数的影响也使它们在高温应用状态下不能准确地进行测量。电传感器需要由导电材料构成的电触点附在传感器上，这限制构成这些触点所使用的材料的某些可能性。因而，在极端的环境中，如高腐蚀性环境中，在防止腐蚀环境的同时制造具有预定灵敏度的电触点的压力传感器是困难的并且很昂贵。

许多设计得非常精确的现有压力传感器是很昂贵的。例如，使用石英谐振频率器件的现有压力传感器(谐振频率是施加在传感器上压力的函数)在0.5psi具有一英寸深度的精确性。这些谐振频率压力传感器是大而昂贵的。从而使它们不适于在有限空间的应用。

为了减小与电压力传感器相关的有害影响，已经利用无触点光压力传感器去减小恶劣环境和高温对压力传感器灵敏度的影响。这种光压力传感器利用光波长的干涉现象确定作用于其上的压力。光波长发送到光传感器上，其中压敏镜被设置在干涉仪内。当作用于压敏镜上的压力改变压敏镜的位置时，干涉仪内的间隙变化，从而使干涉仪内的光波长干涉变化。通过把干涉的光信号与预定值比较，确定作为干涉的函数的压力。然而，当光波长长距离传播时会在光信号中发生噪声和损耗。由于信号中出现相关的损耗和噪声，因此与预定值比较的干涉光信号不是传感器输出的同等信号。不准确的压力测量可以由这种类型的压力传感器造成。

因此，需要一种非电的和无触点的压力传感器，它不受与需要电连接的现有压力传感器相关的不利因素的影响。此外，还需要不受与发送光信号相关联的损耗影响的极精确的小型压力传感器。

本发明的主要目的是克服与现有技术相关的上述缺点。

本发明的另一个目的是提供一种使压力传感器灵敏度受恶劣环境和高温的影响最小的非电压力传感器。

本发明的再一个目的是提供一种成本低的小型的和精确的光压力传感器。

本发明的再一个目的是提供一种光压力传感器，它可以通过计算与长距离传输光压力信号关联的噪声和损耗，在远距离位置上获得极准确的压力测量。

本发明的再一个目的是提供一种光压力传感器，它利用了与远距离位置的光压力信号一同传输的参考信号，以便计算与传输信号的距离相关的噪声和损耗。

本发明的再一个目的是提供一种光压力传感器的阵列，使准确的压力测量在各个远距离位置上确定并沿单光路径传输。

本发明的上述的以及附加的目的和优点通过提供一种使用非声的光压力传感器的压力测量装置和方法来实现的，所述的非声学的光压力传感器具有生成沿光传输光缆传输的脉冲光信号的激光光源。光耦合器与光传输光缆连接，用于至少把一部分经光传输光缆传播的脉冲光信号分离出来。光压力传感器与光耦合器连接，其中，所述的脉冲光信号的分路部分被传输到光压力传感器中。光压力传感器接收脉冲光信号的分路部分并把压力指示信号反射到光耦合器。压力指示信号是作用于光压力传感器上的压力的函数。经光耦合器传播的脉冲光信号的分路部分还被传递到与光耦合器连接的压敏反射器上。压敏反射器接收脉冲光信号的分路部分并把大体与脉冲光信号的分路部分相等的参考信号反射到光耦合器上。压力指示信号和参考信号作为一对非重叠脉冲信号经光耦合器反射，使之进入光传输光缆。信号检测器被安装在光传输光缆上，用于恢复代表经光传输光缆传播的压力指示信号/参考信号对。恢复的压力指示信号与恢复的参考信号比较以确定作用于光压力传感器的压力，该传感器输出代表预定压力的信号。

在另一个实施例中，多个光耦合器在相互隔开的多个位置上与光传输光缆连接，以便在沿光传输光缆分布的这些位置上分离出来至少一部分脉冲光信号。多个光耦合器的每个包含各自的光压力传感器和压敏反射器，以便多个非重叠信号对被传送到光传输光缆上。这样就使压力在沿光缆分布的多个位置上被测量。多个非重叠信号对被时分多路复用，以便可以恢复来自单光传输光缆的每对信号，而且没有相互干扰的信号对。

相信具有新颖性的本发明的目的和特点在权利要求书中作了详细说明。通过下面的结合附图的说明可以进一步理解本发明的结构和工作方式以及其它目的和优点。参考标号在整个附图中表示相同的部件。

图1是本发明的光压力传感器的TDM阵列的优选实施例的示意图；

图2是经图1所示的光压力传感器的阵列的光传输光缆传播的脉冲光信号的示意图；

图3是从图1所示的光压力传感器的阵列的返回信号的示意图。

以下的说明能使本领域的技术人员作出和使用本发明，并说明了实现本发明的发明人所设想的最佳方式。由于这里已经详细解释了本发明的基本原理，以提供精确和经济有效的光压力传感器的阵列，因此本领域的技术人员将会容易地理解对本发明的各种改进。

参照图1和图2，表示本发明的压力测量装置10的优选实施例的示意性布局。压力测量装置10包括一个激光光源12，用于生成脉冲光信号14并把脉冲光信号14发射到光传输光缆16中。脉冲光信号14沿连接激光光源12的诸如光纤光缆之类的光传输光缆16传输。在本发明的优选实施例中，光传输光缆16以单模光纤的形式构成。然而，本光传输领域的技术人员应该懂得也可以使用其它类似的光传输光缆。激光光源12最好是分布反馈(DFB)半导体激光器或相似的光源。脉冲光信号14最好具有1.3至1.55微米之间的波长，这是因为在这些波长上脉冲光信号14传播损耗和折射率低。当然也可以使用具有类似特性的其它波长。

光耦合器18与光传输光缆16连接，用于分离经光传输光缆16传播的脉冲光信号14的至少一部分20。光耦合器18可以包括任何类型熔融光纤耦合器，从通过另一光纤传输的光分出光来。脉冲光信号14的分路部分20通过光分路器19，以便把脉冲光信号14的分路部分20均匀地分成两个独立的光纤通道21a和21b。光分路器19可以包括一个由标准单模光纤制成的双向3dB耦合器(如已知的Y耦合器或3dB分路器)。光分路器19具有两个分路输出21a和20b，其每一个接收送至光分路器19的脉冲光信号14的分路部分20的一半。光压力传感器22经光分路器19及其输出21a与光耦合器18连接，其中输出信号21a被传送到光压力传感器22中。

光压力传感器22最好是B.Halg所著的名为“具有干涉光读出装置的硅压力传感器”的文章中公开的小型Fabry-Perot光压力传感器(在San Francisco召开的固态传感器和执行机构的国际会议上公开(IEEEact.n.91CH2817-5,pp.682-684)，1991年6月24至28日)。光压力传感器22包含具有位于压敏反射硅微膜与固定半透明镜之间的可变间隙的Tabry-Perot干涉仪。传输到光压力传感器22中的输出信号21a经固定镜传送到间隙中，在这里，输出信号21a从硅微膜片被反射到间隙中并经半透明镜离开干涉仪。一旦输出信号21a离开光压力传感器22中的间隙就自干涉，在这里，干涉连续发生并由反射表面之间的间隙控制干涉的相位。因而，信号干涉量取决于反射表面之间的间隙的宽度。间隙的宽度随硅微膜片的运动而变化，运动位置是作用于微膜片的压力的函数。输出信号21a中发生的干涉相位也是作用于光压力传感器22的函数。如图3所示，离开光压力传感器22的输出信号21a的干涉部分24被反射到光分解器19，其中干涉部分24是压力指示信号。渐变折射(GRIN)棒或类似的透镜可以设置在光压力传感器22之前，为光提供从光纤到光压力传感器22和返回到光纤的有效耦合，以便输出信号21a和输出信号21a的干涉部分24在分别进入和离开光压力传感器22时通过(穿过)GRIN棒。

由光分路器19从脉冲光信号14的分路部分20分路的输出信号21b被传递到与光分路器19连接的压敏反射器26。压敏反射器26反射大体上与输出信号21b和输出信号21a相等的参考信号28，返回到光分路器19。压敏反射器可以包括一个固定端镜或其它相似的光反射器件。压力指示信号24和参考信号28被反射返回到光分路器19，在这里信号24和28被结合以作为非重叠脉冲信号对30。输出信号21a和21b的传输路径的长度是失配的，以便反射到光分路器19的参考信号28比反射到光分路器19的压力指示信号24用时长，从而确保这两个信号不重叠。不重叠脉冲信号对30经光耦合器18传播并进入光传输光缆16。

不重叠脉冲信号对30以与脉冲光信号14相反方向沿光传输光缆16传播，其中，不重叠脉冲信号对30将朝激光光源12传播，如图3所示。各种信号传播方向由图2、图3中的方向箭头指示。与光耦合器18相似的光耦合器31分出不重叠脉冲信号对30并把信号对30传送到诸如光电二极管接收器或其它相似器件的信号检测器，以便测量接收的光信号的强度。信号检测器32接收经光传输光缆16传播的压力指示信号/参考信号对30，确定接收信号的强度，和向与信号检测器32连接的诸如微处理器、CPU、或相似装置的处理装置34提供相应的输出信号。处理装置34把接收的压力指示信号24的强度与恢复的参考信号28的强度相比较，产生压力指示信号24相对于参考信号28的比值，以确定作用于光压力传感器22的压力。该比值信号可以与处理装置34中存储的预定值比较，以确定测量的压力。处理装置34可以接收大量的非重叠脉冲信号对30，并通过(例如)在整个时间上积分接收的信号30来得到测量压力的平均值。由于平均值将考虑测量压力的较小偏差，因此可以获得用于每个光压力传感器22的被测量压力值的更精确数值。

如上所述，从光压力传感器22反射的压力指示信号24是作用于光压力传感器22的压力的函数，其中，出现在光压力传感器22中的分路部分20的输出信号21a的干涉相位取决于光压力传感器22中的反射表面之间的间隙的变化。脉冲光信号14传播到光压力传感器中，从光压力传感器22中反射的压力指示信号24的强度随间隙的变化而正弦地变化。在光压力传感器22中反射的输出信号21a将根据间隙的宽度和输出信号21a的波长或者相长干涉或者相消干涉。通过测量从光压力传感器22中反射的压力指示信号24的强度，可以确定输出光信号21a中干涉相位，从而能够确定间隙的宽度进而确定作用于光压力传感器22的压力。

为了精确地确定离开光压力传感器22的压力指示信号24的强度，与进入光压力传感器22的分路部分20的强度比较，压敏反射器26反射大体与光压力传感器22接收的输出信号21a相等的参考信号28。通过把压力指示信号24与参考信号28比较，可以补偿通常影响长距离传输信号的损耗和噪声。由于脉冲光信号14的分路部分20被均等地分路成分别传送到光压力传感器22和反射器26的输出信号21a和21b，因此返回到光传输光缆16中的压力指示信号24和参考信号28将置于脉冲光信号14分路部分20所承受的噪声的相同损耗。相似地，当压力指示信号24和参考信号28返回到信号检测器32时，它们将承受相同的损耗和噪声。因而，参考信号28可以供更精确地测量压力指示信号24强度的方法之用，在这里，通过计算传输的噪声和损耗能够使与关联的压力指示信号24一同传播的参考信号28的使用提供测量脉冲光信号14强度的微小变化的能力。

如图1至图3所示，可以利用光压力传感器22的阵列测量沿光传输光缆16分布的多个位置的上的多个压力。在本发明的另一个实施例中，多个光耦合器18在相互分离隔开的不同位置上与光传输光缆16连接，以便在相应的位置上分离出至少一部分脉冲光信号14。图2和图3示出了脉冲光信号14在整个光压力传感器22的阵列上和沿光传输光缆16传播的情况。多个光耦合器18的每个包含各自的光分路器19、光压力传感器22、和与之连接的压敏反射器26，以便多个非重叠信号对30a、30b、30c等被返回到光传输光缆16。多个非重叠信号对30a、30b、30c等传送到为每个信号30a、30b、30c等确定比值信号的处理装置34。由于参考信号28考虑了传播的噪声和损耗，因此能够获得不依赖压力传感器位置的压力测量。

多个非重叠信号对30a、30b、30c等作为脉冲返回信号36被时分多路复用，以便信号30的每对可以从单模光纤16中予以恢复，而且信号对30a、30b、30c不相互干涉。因而不需要像现有的压力传感器阵列所要求的那样，为了从各个传感器获得单独的压力测量来调制各个传感器的输出。此外，本发明使用的信号的时分多路复用能够传输单脉冲光信号14和沿单模光纤返回多对非重叠信号30。因而，不需要使用需要把分离的光纤预先连接每个分离的压力传感器的多模光纤。

脉冲光信号14应当最好具有几个GHz的线宽。线宽太窄能够造成偏振问题，而线宽太大则使脉冲光信号去偏振。然而，由于噪声不希望线宽太宽。脉冲光信号14应该尽可能的偏振敏感，脉冲光信号14可以穿过偏振扰乱装置15以扰乱离开其光源的光信号。借助于偏振扰乱装置15可以利用任何去偏振光信号14的技术。例如，偏振扰乱装置15可以把光信号14分成振幅大体相等的两个正交的线性偏振信号，并使光信号通过失配的分路路径，以便光信号的正交分量彼此之间相对延迟。两个信号在分路路径的端部组合；在这里它们彼此之间不相干，不相干组合信号扰乱了光信号14的偏振。偏振扰乱装置15可以利用偏振保持(PM)干涉仪，使进入偏振扰乱装置15的光信号14被分解成两个使用PM耦合器的信号。这两个信号分别沿两个失配的PM光纤支路传输。光信号14例如将沿PM光纤的快轴偏振，而输入PM耦合器将把振幅大体相等的该快轴偏振光传送至两个失配的PM光纤干涉仪支路中的每个分路信号。在输入PM耦合器与输出PM耦合器之问，失配PM光纤干涉仪支路的每一个含有一个接头，在此点光纤的走向对于传输轴线旋转了90度。在这个干涉仪支路中，光被传递到沿PM光纤的慢轴偏振的输出耦合器上。然后，输出耦合器组合沿快轴和慢轴偏振的光的大体相等的振幅。这些信号除了相互正交地偏振外，如果两个光纤之间的失配足够大，则这些(两个)信号彼此之间将不相干。然后，该光是非偏振光。

两个PM光纤干涉仪支路之间的失配必须精心确定。它必须比脉冲光信号14的长度短，以便在信号离开干涉仪时几乎完全重叠。激光光源的线宽必须足够宽，以便放松整个失配的相干性。在本发明的优选实施例中，由于脉冲DFB激光器的数GHz的线宽与偏振控制方法相容，因此它用于激光光源。

从每个光耦合器18分路出来的脉冲光信号14的量可以根据阵列的长度和组成该阵列的光压力传感器22的数量来控制。这样就能使从每个光压力传感器返回的压力指示信号24相等。此外，如果期望光压力传感器22可交替地设置，那么从每个光耦合器抽出的脉冲光信号的部分20将等于1/N，在这里N是所用的光压力传感器的数量。本发明的压力测量装置10可以处理任何数量的光压力传感器22，在这里1至100的光压力传感器可以与作为光传输光缆16的单模光纤一同使用。

本发明的压力测量装置10仅利用光特性测量不同位置的压力。因而不需要把电力加到每个光压力传感器22上，所以光纤只需要与光压力传感器22连接。本发明的压力测量装置10还利用了非声学元件，因而压力测量装置10可以在与作用在压力传感器的声压无关的压力测量声学装置中使用。

从以上说明可以看出，根据本发明构成的非声学光压力传感器阵列可以实现小型、经济有效和非电的压力测量装置，该测量装置能够使用单光纤测量多个位置上的压力。此外，通过形成本发明的非声学光压力传感器阵列，对压力微小变化敏感的精确压力测量可以通过使用与压力信号一同传输的参考信号计算与光信号全距离传输关联的噪声和损耗来实现。

在上述的各个实施例中，本发明的压力测量装置10的不同配置和构造分别在每个实施例中作了说明。然而，本发明人的全部意图是描述在说明书的每个实施例的单独各个方面可以与描述在说明书的其它各个实施例相组合。本领域的技术人员将理解为在不脱离本发明的范围和精神的条件下可以构成上述优选实施例的各种修改和变形。因此，应当理解的是，本发明可以按所附的权利要求的范围内予以实施，而不是按说明书的具体描述予以实施。

Claims (19)

1．一种使用非声学的光压力传感器的压力测量装置，包括：

一个激光光源，用于产生脉冲光信号；

一个与所述的激光光源相连的光传输光缆，用于传输所述的脉冲光信号；

一个与所述的光传输光缆连接的光分路器，用于把所述的脉冲光信号均等地分路成第一和第二输出信号；

一个与所述的光分路器连接的光压力传感器，用于接收所述的第一输出信号和把压力指示信号经所述的光分路器反射到所述的光传输光缆；

一个与所述的光分路器相连的压敏反射器，用于接收所述的第二输出信号和把参考信号经所述的光分路器反射回到所述的光传输光缆；

一个信号接收装置，用于从所述的光传输光缆接收所述的压力指示信号和参考信号；和

一个与所述的信号接收装置相连的压力确定装置，用于把所述的压力指示信号与所述的参考信号进行比较以确定作用于所述的光压力传感器的压力。

2．根据权利要求1所述的压力测量装置，其特征在于所述的压力指示信号和所述的参考信号作为非重叠脉冲信号对经所述的光耦合器返回到所述的光传输光缆。

3．根据权利要求1所述的压力测量装置，其特征在于所述的激光光源是分布反馈激光器，所述的脉冲光信号在1.5微米或1.3微米波长产生。

4．根据权利要求1所述的压力测量装置，其特征在于所述的光压力传感器是法布里一珀罗(Fabry-Perot)光压力传感器。

5．根据权利要求4所述的压力测量装置，其特征在于Fabry-Perot光压力传感器包含一个压敏可移动硅镜和一个固定的具有间隙的半透明镜，在该间隙中在从所述的镜反射的信号之间出现信号干涉。

6．根据权利要求1所述的压力测量装置，其特征在于压敏反射器是固定端镜。

7．根据权利要求1所述的压力测量装置，其特征在于所述的光传输光缆是单模光纤。

8．具有非声学的光压力传感器的阵列的压力测量装置，包括：

一个激光光源，用于产生脉冲光信号；

一个与所述的激光光源相连的光传输光缆，用于传播所述的脉冲光信号；

多个与所述的光传输光缆相连的个光耦合器，用于在每个所述的光耦合器上从所述的光传输光缆分出至少一部分所述的脉冲光信号；

多个光耦合器的每一个具有与其连接的光压力传感器，用于接收所述的脉冲光信号的所述的分路部分并把所述的压力指示信号返回到所述的光传输光缆中；

其中，若干所述的光压力传感器构成相互隔离的光压力传感器的阵列，以便压力可以在沿所述的光传输光缆分布的各个位置上被测量；

其中，来自每个所述的光压力传感器的所述的压力指示信号经所述的光耦合器传播到所述的光传输光缆中；

一个信号接收装置，用于从所述的光传输光缆接收所述的压力指示信号；和

一个与所述的信号接收装置相连的压力确定装置，用于从所述的接收的压力指示信号中确定作用于所述的光压力传感器的压力。

9．根据权利要求8所述的压力测量装置，进一步包括：

一个与所述的多个光耦合器的每一个连接的光分路器，用于把所述的脉冲光信号的分路部分平均地分路成第一和第二输出信号；

一个与每个所述的光分路器相连的压敏反射器，用于接收所述的第二输出信号和经所述的光分路器再经所述的光耦合器把所述的参考信号反射回到所述的光传输光缆；

其中，所述的每个光压力传感器与所述的光分路器的相应的一个连接，用于接收所述的第一输出信号和经所述的光分路器再经所述的光耦合器反射回到所述的光传输光缆中。

10．根据权利要求9所述的压力测量装置，其特征在于所述的压力指示信号和所述的参考信号作为非重叠脉冲信号对经所述的光耦合器传送到所述的光传输光缆中；所述的信号接收装置进一步接收每个所述的参考信号以及与其关联的压力指示信号；和

其中，所述的压力确定装置把所述的压力指示信号同与其关联的参考信号进行比较，以确定作用于所述的光压力传感器的压力。

11．根据权利要求10所述的压力测量装置，其特征在于所述的非重叠脉冲信号对是时分多路复用的，以便所述的非重叠脉冲信号对可以沿单模光纤发送，而且相互之间不干涉。

12．根据权利要求8所述的压力测量装置，其特征在于所述的激光光源是分布反馈激光器，所述的脉冲光信号是在1.5微米或1.3微米波长产生的。

13．根据权利要求8所述的压力测量装置，其特征在于所述的光压力传感器是Fabry-Perot光压力传感器。

14．根据权利要求13所述的压力测量装置，其特征在于Fabry-Perot光压力传感器包含一个压敏可移动硅镜和一个固定的具有间隙的半透明镜，在该间隙中在从所述的镜反射的信号之间出现信号干涉。

15．根据权利要求8所述的压力测量装置，其特征在于渐变折射(GRIN)棒与相应的光耦合器连接，以实现所述的光传输光缆与所述的光压力传感器之间的有效连接。

16．一种使用非声学的光压力传感器测量远距离位置的压力的方法，包括以下步骤：

从激光光源生成脉冲光信号；

经与连接所述的激光光源的光传输光缆传送所述的脉冲光信号；

从所述的光传输光缆分出至少一部分所述的脉冲光信号；

把所述的脉冲光信号的分路部分平均地分成第一和第二信号并把所述的第一和第二信号分别传递到光压力传感器和压敏反射器上；其中，所述的光压力传感器把压力指示信号反射回到所述的光传输光缆中，所述的压敏反射器把所述的参考信号反射回到所述的光传输光缆中；

从所述的光传输光缆接收所述的压力指示信号和参考信号；和

把所述的压力指示信号与所述的参考信号进行比较，以确定作用于所述光压力传感器的压力。

17．根据权利要求16所述的方法，还包括把所述的压力指示信号和所述的参考信号作为非重叠信号对发送到所述的光传输光缆中。

18．根据权利要求17所述的方法，还包括以下步骤：

在沿所述的光传输光缆分布的多个位置上从所述的光传输光缆分出至少一部分所述的脉冲光信号；

把所述的脉冲光信号的所述分路部分的每一个传递到相应的光压力传感器和相应的压敏反射器上，其中每个相应光压力传感器/压敏反射器对把压力指示信号和参考信号作为非重叠脉冲信号对反射回到所述的光传输光缆中；

从所述的光传输光缆接收非重叠脉冲信号对；

把所述的压力指示信号与所述的参考信号进行比较，以确定作用于每个所述的光压力传感器的压力。

19．根据权利要求18所述的方法，还包括时分多路复用所述的非重叠脉冲信号返回对，以便使所述的脉冲信号返回对经所述的光传输光缆被发送，而且相互间不干涉。

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