專利名稱：晶體－光纖多參量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于對(duì)物理量精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及晶體傳感的多參量測(cè)量技術(shù)。
電流、電壓、溫度、壓力等傳感器都可選晶體為傳感器敏感材料。待測(cè)量對(duì)晶體的作用為主效應(yīng)，把干擾量對(duì)晶體的作用為次效應(yīng)。在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期使用這種傳感器，次效應(yīng)隨溫度而變，造成傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性隨使用環(huán)境溫度的變化而起伏。因此從晶體所受的多重效應(yīng)中獲取主效應(yīng)的技術(shù)，是解決以晶體材料為敏感元件的傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性的關(guān)鍵，為國(guó)內(nèi)外目前研究地?zé)狳c(diǎn)。
迄今為止，國(guó)外的技術(shù)分為兩大類一類是解決測(cè)量交變量時(shí)次效應(yīng)的影響；一類是解決晶體材料溫度特性對(duì)測(cè)量的影響。缺點(diǎn)是1、次效應(yīng)與測(cè)量的溫度特性沒法同時(shí)解決；2、緩變量測(cè)量時(shí)次效應(yīng)的影響沒法解決；3、現(xiàn)有的解決辦法對(duì)傳感頭的加工工藝提出了更高的要求；4、傳感器使用量程受到限制。5、傳感器只能測(cè)量一個(gè)參量。
已有的可同時(shí)進(jìn)行多參量測(cè)量的技術(shù)為本申請(qǐng)的發(fā)明人公開在中國(guó)激光，vol.24A，no.11，1997，pp.997-1002上的“一種新型的電壓溫度雙參量光纖傳感器”，該技術(shù)的特點(diǎn)是可進(jìn)行雙參量的同時(shí)測(cè)量。但還存在著一些不足之處其一、只適用于石英晶體；其二、只適用于溫度、電壓的測(cè)量，這使傳感器的制造以及其應(yīng)用范圍受到局限。
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，采用與已有技術(shù)類似的光學(xué)結(jié)構(gòu)，對(duì)光學(xué)器件按使用要求設(shè)計(jì)計(jì)算，以確定其取向，使得光學(xué)結(jié)構(gòu)適用于更多種類的晶體，且可以實(shí)現(xiàn)雙參量、三參量的同時(shí)測(cè)量，以滿足不同的應(yīng)用要求。
本發(fā)明提出一種晶體-光纖多參量測(cè)量傳感器，包括由按Z軸方向設(shè)置的起偏器、晶體、波片、消偏分光棱鏡、第一檢偏器，以及設(shè)置在所說分光棱鏡另一側(cè)面Y軸方向的第二檢偏器組成的傳感頭，還包括將光輸入起偏器的輸入光纖和將光分別從第一檢偏器及第二檢偏器中導(dǎo)出的輸出光纖，以及信號(hào)采集處理單元，其特征在于，根據(jù)使用要求可選不同的晶體及設(shè)置成不同取向；第一類型為所說的晶體為具有旋光效應(yīng)的晶體，所說的波片快軸的方向與X軸夾
，起偏器的方向與X軸晶體平行，第一檢偏器的方向與X軸平行，第二檢偏器的方向與X軸夾
；第二類型為所說的晶體為無旋光效應(yīng)晶體，所說的波片快軸的方向與X軸平行/垂直，起偏器的方向與X軸夾
，第一檢偏器的方向與X軸平行/垂直，第二檢偏器的方向與X軸夾
。上述兩種方案中的晶體均可采用壓電晶體。
本發(fā)明的工作原理如下所述
本發(fā)明的傳感頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)如

圖1所示，主要包括按Z向共軸設(shè)置的起偏器P，晶體C，波片WP，消偏分光棱鏡NDP、第一檢偏器A1以及Y向設(shè)置的第二檢偏器A2，光沿Z向從P傳輸，進(jìn)入傳感頭，分別從A1、A2的兩個(gè)正交方向輸出。
出射光1、2、3、4的光強(qiáng)分別為P1、P2、P3、P4。對(duì)信號(hào)作如下處理、A對(duì)于具有旋光效應(yīng)的壓電晶體，待測(cè)量為電壓(電場(chǎng))，這時(shí)
波片快軸的方向與x軸夾
，起偏器的方向與x平行，檢偏器1的方向與x平行，檢偏器2的方向與x夾
。則S1，S2可以表示成通過求解方程就可以獲得電壓(V)(電場(chǎng))，及溫度(t)。同時(shí)也自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了電壓輸出的溫度補(bǔ)償。提高了電壓(電場(chǎng))測(cè)量的溫度穩(wěn)定性。B對(duì)于具有旋光效應(yīng)的晶體，待測(cè)量為壓力(應(yīng)變，加速度等)，這時(shí)
波片快軸的方向與x軸夾
，起偏器的方向與x平行，檢偏器1的方向與x平行，檢偏器2的方向與x夾
。則S1，S2可以表示成通過求解方程就可以獲得壓力(P)(或應(yīng)變，或加速度等)，及溫度(t)。同時(shí)也自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了壓力輸出的溫度補(bǔ)償。提高了壓力測(cè)量的溫度穩(wěn)定性。C對(duì)于具有旋光效應(yīng)的壓電晶體，待測(cè)量為電壓(或電場(chǎng))、電流(磁場(chǎng))，這時(shí)
波片快軸的方向與x軸夾
，起偏器的方向與x平行，檢偏器1的方向與x平行，檢偏器2的方向與x夾
。則S1，S2可以表示成通過求解方程就可以獲得電壓(V)(或電場(chǎng))與電流(I)(或磁場(chǎng))。D對(duì)于具有旋光效應(yīng)的晶體，待測(cè)量為電流(或磁場(chǎng))、壓力(應(yīng)變，加速度等)，這時(shí)
波片快軸的方向與x軸夾
，起偏器的方向與x平行，檢偏器1的方向與x平行，檢偏器2的方向與x夾
。則S1，S2可以表示成通過求解方程就可以獲得壓力(P)(或應(yīng)變，加速度)與電流(I)(或磁場(chǎng))。E對(duì)于無旋光效應(yīng)的壓電晶體
波片快軸的方向與x軸平行/垂直，起偏器的方向與x軸夾
，檢偏器1的方向與x平行，檢偏器2的方向與x夾
1、對(duì)于表一所示的晶體類型及電場(chǎng)(電壓)的方向表一
這時(shí)
S1∝IS2∝V即可實(shí)現(xiàn)電流(磁場(chǎng))、電壓(電場(chǎng))雙參量的測(cè)量。2、對(duì)于表二所示的晶體類型及所加電場(chǎng)(電壓)的方向表二
有S1∝I S2∝I×V從而實(shí)現(xiàn)三參量電流(I)(或磁場(chǎng))、電壓(V)(或電場(chǎng))、電功率(電磁能)的測(cè)量。
本發(fā)明有如下特點(diǎn)
1、本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)傳感器溫度性能波動(dòng)的補(bǔ)償，提高傳感器長(zhǎng)期工作的溫度穩(wěn)定性，為偏振調(diào)制傳感器的實(shí)用化打下了技術(shù)基礎(chǔ)；
2、本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)使用一個(gè)傳感頭同時(shí)測(cè)量雙參量的目的，這一方面簡(jiǎn)化了傳感器的結(jié)構(gòu)另～方面降低了傳感器的使用成本，使得傳感器更具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
3、本發(fā)明還具有同時(shí)測(cè)量三參量的能力。
附圖簡(jiǎn)要說明
圖1為本發(fā)明傳感頭光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例之一結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例之二結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例之二壓力傳遞示意圖。
本發(fā)明設(shè)計(jì)出兩種晶體一光纖多參量傳感器實(shí)施例，其結(jié)構(gòu)如圖2、3所示，結(jié)合附圖詳細(xì)描述如下
本實(shí)施例一為一可實(shí)行溫度補(bǔ)償?shù)母呔冉涣麟妷汗饫w傳感系統(tǒng)。它由傳感頭1，光纖3及信號(hào)處理系統(tǒng)2三個(gè)部分組成其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
傳感頭采用雙參量檢測(cè)結(jié)構(gòu)由起偏器11，石英晶體12，波片13，消偏分光棱鏡14，檢偏器151，檢偏器152及自聚焦透鏡G1-G4組成。起偏器11取向平行于x軸，波片13快軸的方向與x軸夾
，檢偏器151的取向平行于x軸，檢偏器152的取向與x軸夾
。起偏器與檢偏器的性能要求透射消光比優(yōu)于5×10-3，反射消光比優(yōu)于1×10-2。晶體材料具有旋光效應(yīng)與壓電效應(yīng)的單軸晶體或立方晶體，要求旋光角度在270°±10°范圍內(nèi)，本實(shí)施例中晶體材料為石英晶體，其旋光角度在272度。電極16施加的電場(chǎng)方向在x方向
光纖可采用通信用標(biāo)準(zhǔn)多模光纖，規(guī)格為62.5/125μm。
信號(hào)處理系統(tǒng)包括LED光源22，光源驅(qū)動(dòng)及溫度控制電路21，驅(qū)動(dòng)電路為恒流源驅(qū)動(dòng)，溫度控制保證溫度波動(dòng)在±1℃內(nèi)。高精度前置放大電路23由I-V轉(zhuǎn)換電路及直流放大電路、50Hz帶通濾波電路組成。16位A/D采集采用王豪公司出品的AC1077采集卡24，計(jì)算機(jī)25為486，主鐘頻率100MHz。信號(hào)處理算法分兩類對(duì)于交流電壓傳感器采用，用50Hz交流信號(hào)的幅值除以零頻信號(hào)的幅值；溫度信號(hào)處理采用
數(shù)字信號(hào)處理形式，其中V2，V3為采集卡采集到的由PIN2，PIN3探測(cè)器接收的信號(hào)電壓值。
本實(shí)施例由于采用了雙參量結(jié)構(gòu)，極大地提高了電壓傳感器的溫度特性。沒有溫度補(bǔ)償時(shí)，傳感器在工作溫度范圍內(nèi)精度劣于2％，經(jīng)過溫度補(bǔ)償后其精度在±0.4％，達(dá)到了實(shí)用化的要求。同時(shí)溫度測(cè)量精度可達(dá)到±1℃。
實(shí)施例二為一可實(shí)行壓力、溫度同時(shí)測(cè)量的光纖傳感系統(tǒng)。它由傳感頭1，光纖3，及信號(hào)處理系統(tǒng)2三個(gè)部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
傳感頭由起偏器11，石英晶體12，波片13，消偏分光棱鏡14，檢偏器151，檢偏器152和透鏡G1-G6組成。起偏器11取向平行于x軸，波片13快軸的方向與x軸夾
，檢偏器151的取向平行于x軸，檢偏器152的取向與x軸夾
。起偏器與檢偏器的性能要求透射消光比優(yōu)于5×10-3，反射消光比優(yōu)于1×10-2。晶體材料具有旋光效應(yīng)的單軸晶體或立方晶體，要求旋光角度在90°±10°范圍內(nèi)，本實(shí)施例中晶體材料為石英晶體，其旋光角度在94度。壓力施加方向在x方向。壓力傳遞采用圖4結(jié)構(gòu)。待測(cè)壓力的膜片41通過一段鋼柱、鋼架42將壓力傳遞給石英晶體43。
膜片為3J51材料制成，直徑為96mm，厚度為0.5mm。
光纖采用通信用標(biāo)準(zhǔn)多模光纖，規(guī)格為62.5/125μm。
信號(hào)處理系統(tǒng)包括1、LED光源22及光源驅(qū)動(dòng)及溫度控制電路21，驅(qū)動(dòng)電路為恒流源驅(qū)動(dòng)，溫度控制保證溫度波動(dòng)在±1℃內(nèi)。2、光開光OS。為機(jī)械式光開光。在計(jì)算機(jī)的控制下進(jìn)行開關(guān)。3、高精度前置放大電路23由I-V轉(zhuǎn)換電路及1KHz低通濾波電路組成。3、16位A/D采集采用王豪公司出品的AC1077采集卡24，計(jì)算機(jī)25為486，主鐘頻率100MHz。4、信號(hào)處理方法
在光開關(guān)作用下，光源LED發(fā)出的光首先由透鏡G1進(jìn)入傳感頭，這時(shí)PIN1-PIN4探測(cè)到的光信號(hào)經(jīng)前置放大，采集卡采集到的電壓信號(hào)分別為V11，V12，V13，V14；光開關(guān)然后再讓光源LED發(fā)出的光由透鏡G5進(jìn)入傳感頭，這時(shí)PIN1-PIN4探測(cè)到的光信號(hào)經(jīng)前置放大，采集卡采集到的電壓信號(hào)分別為V51，V52，V53，V54。計(jì)算機(jī)對(duì)這兩組電壓信號(hào)作如下計(jì)算分別為傳感器的溫度輸出信號(hào)和傳感器的壓力輸出信號(hào)。
由于采用了雙參量結(jié)構(gòu)，極大地提高了壓力傳感器的溫度特性。沒有溫度補(bǔ)償時(shí)，傳感器在工作溫度范圍內(nèi)精度劣于1％，經(jīng)過溫度補(bǔ)償后其精度在±0.1％。而溫度測(cè)量的精度在±2℃。
權(quán)利要求
1、一種晶體-光纖多參量測(cè)量傳感器，包括由按Z軸方向設(shè)置的起偏器、晶體、波片、消偏分光棱鏡、第一檢偏器，以及設(shè)置在所說分光棱鏡另一側(cè)面Y軸方向的第二檢偏器組成的傳感頭，還包括將光輸入起偏器的輸入光纖和將光分別從第一檢偏器及第二檢偏器中導(dǎo)出的輸出光纖，以及信號(hào)采集處理單元，其特征在于，所說的晶體為具有旋光效應(yīng)的晶體，所說的波片快軸的方向與X軸夾
，起偏器的方向與X軸平行，第一檢偏器的方向與X軸平行，第二檢偏器的方向與X軸夾
2、如權(quán)利要求1所述的晶體-光纖多參量測(cè)量傳感器，其特征在于所說的晶體具有旋光效應(yīng)的壓電晶體。
3、一種晶體一光纖多參量測(cè)量傳感器，包括由按Z軸方向設(shè)置的起偏器、晶體、波片、消偏分光棱鏡、第一檢偏器，以及設(shè)置在所說分光棱鏡另一側(cè)面Y軸方向的第二檢偏器組成的傳感頭，還包括將光輸入起偏器的輸入光纖和將光分別從第一檢偏器及第二檢偏器中導(dǎo)出的輸出光纖，以及信號(hào)采集處理單元，其特征在于所說的晶體為無旋光效應(yīng)晶體，所說的波片快軸的方向與X軸平行/垂直，起偏器的方向與X軸夾
，第一檢偏器的方向與X軸平行，第二檢偏器的方向與X軸夾
4、如權(quán)利要求3所述的晶體-光纖多參量測(cè)量傳感器，其特征在于所說的晶體為無旋光效應(yīng)壓電晶體。
全文摘要
本發(fā)明屬于對(duì)物理量精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。包括由按Z軸方向設(shè)置的起偏器、晶體、波片、消偏分光棱鏡、第一檢偏器,以及設(shè)置在所說分光棱鏡另一側(cè)面Y軸方向的第二檢偏器組成的傳感頭,還包括輸入光纖和輸出光纖,以及信號(hào)采集處理單元,其特征在于,根據(jù)使用要求可造不同的晶體及設(shè)置成不同取向;使得光學(xué)結(jié)構(gòu)適用于更多種類的晶體,且可以實(shí)現(xiàn)雙參量、三參量的同時(shí)測(cè)量,以滿足不同的應(yīng)用要求。
文檔編號(hào)G01D5/26GK1195767SQ9810129
公開日1998年10月14日 申請(qǐng)日期1998年4月17日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月17日
發(fā)明者鄭小平, 廖延彪 申請(qǐng)人:清華大學(xué)