一种不平衡纤维光学米切尔森 干涉计作为一个光学传感器 本发明与光学干涉计有关，是用于测量环境参数如压力或速度的变化。本发明包括一个光学传感器，它是干涉计的一个部件，干涉计可以用于声学传感器或加速度计中。
Michelson或Mach-Zehnder干涉计使用在某些应用中，如声学传感器，是已知的。Mach-Zehnder干涉计用在水下使用的声学传感器，在Arab-Sadeghabadi等人的美国专利No．5，448，058中有所描述。
已知类型的光学干涉计包括由一个单光源发送一个光信号至一对光学纤维中。光信号分别经此两条纤维引导，经过不同长度的光路，当这两个信号光束结合在一起时，在这两条信号光束之间产生了一个相位差。结合的光束可由一个光检测器检测。当它们结合后，如果这两条信号光束有相同的极化状态，信号便干扰而形成亮的或暗的线条的条纹图案，这可由光学检测器来检测到。
使任一条或两条纤维暴露在环境参数的变化中，如声压变化，条纹图形变化均在光学检测器上有反映现象。通过分析光学检测器检测到的这些条纹图形的变化，可以测得纤维所暴露给的环境参数的变化。在这样情况下，当干涉计用在一个声学传感器中时，光纤上接触的声波的特性就可以确定。
Mach-Zehnder或Michelson干涉计在水下声学传感器系统中使用时(水下测声器)，几十米长的光学纤维绕在一个心轴上。纤维的拉伸会产生一种测得相位地滞后，它与声波的压力变化成正比。干涉计在它的两条光学纤维引线脚之间有一不匹配的光路长度，它在一米的数量级，允许标准工作和用相位发生载波器来进行信号处理。例如，参见Kersey的“分布和多路的光纤传感元件”一文，Udd，ED．Fiber Optic Sensors：AnIntroduction for Engineers and Scientists(New York 1991)，pp．347～363。
上述的光纤干涉计的传感器系统，比压电式的水下测声系统优越，因为它的优点是：免除了电磁干扰(EMI)，能够在拖船上而不是在水下环境中设置所有的电子和电气部件和系统，而且易测得矢量。但已有的光纤传感器系统制造时比较昂贵，没有优于压电系统，并提供相同优点的比较便宜的措施。成批处理的硅片传感元件，它有一响应于环境中如压力和加速度变化而移动的检测体，已经用来作为加速度和速度的传感器。这样的硅传感元件是非常便宜和坚实的。这种硅传感元件在水下测声系统中使用时，用光纤传递系统接入检测体，将比已有的光纤系统降低成本。但是，将这种硅片传感元件与在Mach-Zehnder和Michelson干涉计测量传感系统或类似系统中使用的现有光纤结构相匹配，在实践上证明有困难。
因此，在水下测声器或类似的应用中提供一个光纤干涉测量传感系统，它能够使用普通的成批处理的硅传感元件，对目前的技术来说有着显著的进步。
本发明是一个测试系统，在光学干涉测量计中使用便宜的硅片传感元件来测量压力、速度、加速度，或其他环境的特性或参数。传感元件内有一可动的检测体，在有两个长度不相等的引线脚的干涉计中的一个引线脚端部，用作可动的镜面。硅片传感元件的检测体的移动响应于某一特别环境参数的变化，改变干涉计引线脚的光学长度。
本发明包括有一个光学信号源以提供一个脉冲的、可干涉的光信号；一个有不同光路长度的第一和第二光纤引线脚干涉计。信号被分离成第一和第二光束，它们被分别引导到第一和第二光纤引线脚中。一个固定的端镜安放在第一光纤引线脚的端部，以反射在第一光引线脚端所接受的第一个光束。一个光学传感器固定在第二光纤引线脚的远端。光学传感器包括有一个传感元件，它有一检测体能相对于第二光纤引线脚的端部而移动。检测体的表面是可以反射的，并且定位在能反射从第二纤维引线脚端部所接受的第二光束。一个光学耦合器，把从固定端镜和检测体反射过来的第一和第二光束结合，以产生一个干涉信号。一个光学检测器，以光学方式联结到耦合器，以检测结合光束的干涉信号，并产生一个电子信号，其值表示干涉信号值。电子信号经过分析，使它的值与被测量的环境参数数值的变化之间产生相互关系。
本发明的测量系统可提供一个准确的、相对成本低的光纤干涉测量传感器系统，在水下测声或类似的应用中，可使用普通的、成批处理的硅传感元件，并且完全可以与现有纤维光学构件相兼容的。
图1所示是根据本发明而构成的测量装置，使用了多个干涉计；图2是根据本发明的可作为一个速度传感元件类型的硅片传感元件，及其固定传感元件片的支撑件和光学传感器的光纤端部的一个实施例横断面图；
图3是图2硅传感片以及为固定传感元件的支撑块和根据本发明而构成的光学传感器的光纤端部的第二个实施例的横断面图；
图4是可以用在本发明中的改变了结构的硅传感片的横断面图。
本发明将根据其较佳实施例的前后关系说明如下：
根据本发明而构成的测试系统10，如图1所示，它包括一个或更多的干涉计用来测量从有不同长度的光纤光路的端部所反射出来的光的干涉图形的变化。
具体地讲，测试系统10包括有一个光源11，它最好是激光器，产生一个红外线的或可见光谱的可干涉的光学信号。激光器11可直接发脉冲，或连续激励，其信号再由锂铌振幅调制器12，作为一个光学门，或其他相当的机构，引发出脉冲。脉动信号于是纤维光学地传输到一个相位调制器13，从而以所选定的载波频率产生一相位发生的载波。
脉冲的和相位调制后的信号沿第一方向经光纤传输线15传播到一个单独的干涉计，或沿着传输线15上序列设置的许多干涉计。在所示实施例中，为了便于以后说明有三个干涉计31，101，121示出。为了能进行简明的讨论，故只对第一个干涉计31进行说明。
干涉计31由一光纤连结线36和第一个光学耦合器37，以光学的方法联结到传输线15上，干涉计包括有一对长度不等的光纤引线脚33，35。来自激光器11的光学信号经传输线15沿第一方向传输，由第二个光学耦合器38分离成的二个询访光束。第二光学耦合器38，可以用已有的3dB光学耦合器，它引导第一光束至第一引线脚33和第二光束至第二引线脚35。
第二光学引线脚35的光路长度远大于第一光学31线脚。例如，第一引线脚33的光路长度应尽可能的短些，较好长度不超过10厘米左右。而第二引线脚35的光路长度约为1米。
如同下面的详细解释，第一和第二光束在第一和第二光纤引线脚33，35的端部分别被反射回来，经光学引线脚返回至第二光学耦合器38，它再结合被反射的光学信号，使其沿传输线15以第二方向回传送到光检测器39。两个引线脚之间相对光路长度的变化，在反射光回到传输线15上，就会使反射光的干涉图形发生变化。正如下面将要说明，本技术领域的熟练人员也会认可，通过分析干涉图形和它的变化，使得干涉计31所暴露给的环境参数(如压力和运动)的变化可以确定。
第一光纤引线脚33(短的引线脚)有一个高反射率的端面镜41，它固定在引线的远端或第二端。这个固定的端镜41反射经第一个引线脚33传来的第一光束，使其沿第二方向返回第一个引线脚，即向光源11(也向检测器39)。在第二引线脚35的远端或第二端，有一光学传感器51(将在后面详细说明)，它包括有一可移动的检测体的硅片传感元件。检测体有一个可移动的端面镜，反射经第二引线脚35传播过来的第二个光束，使其沿第二方向返回第二引线脚，即导向光源11和检测器39。
现参看图2，光学传感器51中使用了安装在传感支撑块54上的硅片传感元件54。适用于本发明的硅片传感元件是大家普遍知道和已经可以得到的。它们是相对便宜也易于大量生产。硅片传感元件使用一个可移动检测体来传感环境如速度、加速度或压力的变化。一个示范的硅片传感元件53如图二所示，它有一个整体的硅元件，含有一个可移动的检测体55，使用柔性连结部件58，将检测体沿检测体的至少二个相对的边缘固着在一个周边固定部件57上。固定部件57是稳固地固定在第一壳部59a和第二壳部59b之间，这样在它们之间限定有一内部空腔60来容纳检测体55。壳部59a和59b较优地有低热膨胀系数的陶瓷材料板，较好是Pyrex玻璃(由Corning Glass上市，Corning，NY)或某种相当的材料。检测体必须能在空腔60内移动，因为它的移动用来检测环境参数的变化，正如下面所要说明的。第二壳部59b上有一个开孔62，它与检测体55的中心安排得相近，通过它第二光束被引导到检测体55上，这将在下面加以说明。
第二光纤引线脚35的远端部设有在一个套管63内，可以用陶瓷管。套管63有一轴向通路以容纳第二光纤引线脚35的远端部，并且通路的直径应基本与光纤35的直径相同。套管63的远端与它内含的第二光纤引线脚35的远端一起插入硅传感元件53的第二体壳部59b的开口62中。检测体有一高反射平面64，它定位在即分离又面对于第二光学纤维引线脚35的端面65，端面65是与套管63的端面在开孔62中互相平齐。较好地是这个反射平面64具有一层薄薄的金属涂层，例如黄金，以提供反射率能接近100％。这样从纤维35来的光束仅在从纤维端面65出来并由检测体的表面64反射并返回到纤维时穿经空气。光并不经过其他有可能扭曲光束的材料。
在纤维35的端面65和检测体55的反射平面64之间的间隙应足够的小，这样当光从纤维端部出来并反射回到纤维时，光束散射的光损失会最低。较好地是间隙宽度不超过经过纤维传播的光的几个波长。例如，对于讨论的波长，间隙宽度最好大约在2．5徽米到20徽米之间，这样光在空气中经过的来回距离大约在5～40徽米的范围内。在第二纤维引线脚35的端面65涂以一种防反射的涂层(图中未示出)，使检测体55和纤维端面65之间减少不希望的etalon反射，并保证所有的反射信号全部进入纤维。而且，需要防反射涂层也是为了基本消除回复反射到第二光纤引线脚35。在端面65上的防反射涂层应有一小于约10％的反射率，较好地是不大于约0．1％。制造具有低度反射性能光学涂层，在已知的技术中如美国专利No．5，529，671中所示，它的内容就结合在这里作为参考。
传感元件53是安装在支持块54上，这样使第二体壳部59b上的开孔62与支撑块54的轴向孔74中心相一致。轴孔74容纳套管63。第二纤维引线脚35在套管63外留下的长度可置于一个典型的纤维外套内(图中未示出)。传感器支持块54可以是环形的，虽然它的特殊外形与尺寸是设计选择上的事情，是为了适用于特别的应用。
这样，第二光束经第二光纤引线脚35，从纤维端面65发射出来，穿经纤维端面65和可移动检测体55的反射表面64之间的空气间隙。反射表面64将光束反射回到光纤引线脚35中。
使用一个硅传感元件的光传感器，可用来测量速度或加速度，或用来测压力的变化。正如本技术领域熟练人员可知，当传感元件53中的检测体55在空腔60内相对于体壳部59a和59b运动时，可检测到加速度。因为体壳59a和59b相对于第二光光引线脚35来说是固定的，检测体55在空腔60中的运动，也就是相对于第二光学引线脚35的运动。这一运动改变了检测体55的反射表面64和第二光学引线脚35端面65之间的光学间隙的宽度。第一体壳部59a内表面是离检测体55有一个小的距离，以允许检测体55在空腔60中沿一个单一轴向运动。整个结构可被容纳在中性的浮盒中(未在图中示出)。
参看图3，所示的是一个修改后的传感器51＇，有一改变了的传感器支持块82，是为了使用在需要一个基本扁平结构的传感器51＇中。传感器支持块82容纳第二光学引线脚35的远端，并为第二光束在第二光学引线脚35的端部和硅传感元件53中的检测体55之间提供一条光路。传感器支持块82较好由盘形的陶瓷材料片或由一种基本上等效的热稳定性材料(也就是说有低的热膨胀系数)来形成，虽然它的外形和尺寸是根据应用为设计者选择的事情。
第二光引线脚35的远端部是包在套管83中，它与支持块82一样应由一种热膨胀系统几乎可忽视的如合适的陶瓷材料来形成。套管83是插入到支持块82的第一个侧面孔85中，它具有足够的间隙允许套圈83能在孔85中轴向转动，这样光束的方向可以调整到最佳状态运作，这将在下面说明。穿过套管83的轴向孔容纳第二光纤引线35的远端部，远端部与套管83的端平齐，或者较好地是如图所示，稍稍比套管83的端突出一点点。第二光纤引线35有端面86，它较好是具有约8°的角度，以基本消除回复反射到第二光纤引线35中。
一个圆柱形分级指数透镜(GRIN透镜)87，在光学上与第二纤维引线35的端面86调准，从而将第二纤维引线35发出来的光束聚焦到检测体55的反射表面64上。第二光纤引线35的端面86和面对的GRIN透镜87的表面之间较好是有一个间隙大约为0．2毫米。GRIN透镜87是容纳在支持块82的第二个侧孔89中，它与第一个侧孔85是在同一个心轴上。
传感元件53是装在支持块82的表面上，这样第二传感元件体壳部59b上的光学开孔62，与有空气的光学能路91排成一列，通路轴向通过支持块82。为了接纳套管83、GRIN透镜87以及下面将叙述的部件，通路91并不一定需要在支持块82的中心。
一个镜棒93安装在管状装配件95的偏心孔94中，而装配件95装到支持块82的第三个侧面孔97中，目的是为能轴向转动。镜棒93的内端头是一被切成45°角度的镜面99，它突出在通路91中以便接受从GRIN透镜发出来的光束。从第二光纤引线35的端86发出来的第二光束，通过GRIN透镜87，然后在镜棒93的端头由镜面99反射了90°角，再通过通路91。管状装配件95可以在第二侧孔97中转动，以便光束在镜面99上的打击点可以进行调整以达到最佳运行，也就是说以达到最小损失和不希望的反射。附加的可调整度可以从安装镜棒93至管状装配件95中时能在偏心孔94中的轴向转动来达到。
第二传感元件体壳部59b的光学开孔62的安排使光路不穿过体壳材料。因为开孔62与传感器支持块82的通路91套齐，第二光束从GRIN透镜87出来仅会通过空气。第二光束经过第二光纤引线35并从纤维端部86出来，再经过在纤维端部86和GRIN透镜87之间的空气间隙，进入到GRIN透镜中。GRIN透镜87将从纤维端部86来的光束成像在检测体55的反射表面64上。镜面99反射光束90°后，使光束穿越传感元件53的第二体壳部59b中的开孔62，打击在检测体55的反射表面64上。反射表面64反射光束使之返回到镜棒99上。镜棒99再以90°反射被反射光束使之返回到GRIN透镜87中。这样被反射的光束经过GRIN透镜87，再次进入第二光纤引线35。从纤维35出来的光束至检测体表面64以及返回时的高效耦合，对得到这个装置的最高效率是很重要的。它应减小纤维端部86或其他处所的反向反射。
镜面99应调整到使从反射表面64来的反射光，准确的沿着如同光束打击到反射表面64时同样线路进行传播。这样镜面99应引导光束尽可能的接近检测体55的中心，如果使用时的检测体55老在弯曲。
对于测量环境压力变化的各种应用(例如一个水下测声系统)，传感元件的结构可以采用不同于图2和图3中所示的。本技术领域熟练人员将会懂得，在这种应用中，图中所示的检测体结构55和58可以取消。这样一个替换传感元件53的结构如图4所示。在这个变更中，传感元件53＇有一个起到检测体作用的硅膜片100，它有一柔性的中心面积区，可响应环境压力的变化作相应的弯曲。膜片100由一周边轮缘102围起来，轮缘102是附着在一坚实的基板104上，在膜片100和基板104之间形成了一个内部光学空腔60＇。基板104有一个光学开孔62＇，作为第二光束的通道，使第二光束打击到反射表面64＇上，它是直接作用到膜片100的内表面(面对空腔60＇)。压力的变化促使膜片100的中心面积区移动，改变了被内部空腔60＇宽度所限定的光学间隙的路长度。
再参看图1，从传感器51反射回来的第二光束(它可能是上述实施方案中的任一种)经第二光纤引线35向第二个方向传播；而从固定镜41反射回来的，经过第一光纤引线33的第一光束也向第二方向传播。第一和第二光束在第二光耦合器38中再次结合，这样就形成一个干涉信号，该信号随传感器51中可移动镜面的运动而变化，而该运动又响应于环境参数值的变化。此干涉信号经过连结线36传播，并由第一光耦合器37与传输线15耦合。此干涉信号经传输线15再由一个光纤连结线75传输到光检测器39，连接线75由一个光耦合器73耦合到传输线。
因为从传感器51反射出来的第二光束，比从端镜41反射出来的第一光束经过了不同的长度，因此从传感器51反射出来的光与从端镜41反射出来的光发生干涉，从而产生了一个干涉图形，干涉图形随检测体的运动变化，而该运动是响应于环境参数的变化。干涉图形的变化表明用光电检测器39检测到的干涉信号值的变化；棼测器发出的一个定值的电输出信号指示干涉信号值的变化。这一电输出信号输入到微型计算机77(经适当的和传统的信号整理和数字化后)，它用大家熟知的技术将电信号进行处理，使干涉信号值的变化与环境参数变化值之间相关联，从而产生能表示参数值的变化的测量结果。
在使用本发明作一个加速计的情况下，运动的物体上附装有光学传感器51，从而使容纳在体壳59a和59b中的检测体55在传感器空腔60中移动。检测体55的运动使经第二引线35传播的光的光路长度变化。因此，光路长度的变化使由光检测器39检测出来的被反射的干涉信号的干涉图形也发生变化。从这些反射光的干涉图形的变化可以确定检测体55的运动。
本发明也可用来作为一个压力传感器，如水下测声器，则较好是使用如图4所示的传感元件53＇。压力变化(例如声波经过传感器51)促使可变形的第一体壳部59a＇弯曲(在这一变更中，它是作为如前面所述的检测体)，改变了经第二引线35传播的光的光路长度。因此，光路长度的变化，使由光检测器39检测的被反射干涉信号的干涉图形发生变化。从这些反射光的干涉图形的变化，就能测得环境压力的变化。从这些测得的压力变化，就可以获得引起这些变化的声波的信息。
与现有的技术不同，本发明中光纤维部件并不起传感元件的功能。传感全部由传感器51中硅传感元件53完成。为了传感有一频率高于十分之几赫兹的环境变化，在光纤引线33、35中由于纤维伸长的相位延迟是可以忽略的。
一个对所述系统所需要的相位发生载波，要求在两个纤维引线33和35之间有一足够不匹配的光路长度。目前关于被动纤光传感元件的技术状态表明，两个纤维引线33和35之间的光路长度不一致应在约10厘米至约1米。这样的光路长度不一致范围也兼容于目前技术中的稳定窄线宽激光光源，及其使用内频率调制和时间分隔多路复合或外相位调制和频率分隔多路复合的纤维光学结构。
光传感器51测量检测体55相对于固定的硅传感元件体壳59a和59b的位移，其测量频率在1～5赫兹左右的某个最小值以上。纤维引线33，35中光路长度可能会随时间和温度发生慢慢漂移，但这样的变化所产生的误差从频率上是很低的，所以对测量所需要的精确度来说是可以忽略的。例如，温度在1分钟内有1℃的变化，当这两个纤维引线33和35之间的线路长度差约一米时，产生的边纹运动相当于0．1赫兹，大大低于上面所述的最小值。当用作加速计时，在给定的传感器51中的检测体55只在一个方向上有响应。因此可以使用三个干涉计传感元件，每一个有它自己的硅片传感片，以测量x，y，z三个轴向的运动。这三个一组的传感元件可以安装在一个体块上。
图1所示的系统由三个传感元件组成，这样就有可能来测量三个方向上的速度和加速度。用作加速度计的第二和第三干涉计101和121，每一个基本上与干涉计31相同，它们虽然可能是图2或图3中的任一个实施方案。在一个特定的系统中，所有的干涉计的方案应相同，但不限制这一系统应有多少特殊数量的干涉计。
在图1中，第二干涉计101含有长度不等的纤维引线103和105。其中纤维引线103明显短于纤维引线105，这两个引线由一个光学耦合器106进行光学耦合。短的引线103终止在一个固定的端镜107内。长的引线105终端在一个光学传感器109中，它基本上与上面所述的光学传感器51或51＇中任何一种相同是有利的。第二干涉计由纤维光学连接线111和光学耦合器113与传输线15光学耦合。类似地，第三干涉计121含有不同长度的引线123和125，由光学耦合器126联结。第一个纤维引线123明显短于第二纤维引线125。短的引线123终端在固定端镜127上。长的引线125终端在一个光传感器129中。第三干涉计121用纤维光学连接线131和光学耦合器133与传输线15光学耦合。附加的同样结构的干涉计可以加到系统中来，用光学耦合方法与主传输线15进行耦合。
当在水下测声装置上使用时，较大数量的干涉计(使用传感元件53＇，如图4所示)可以排成一列拖在一个船的后面。用一个足够功率的激光源，一个激光器就能推动几十个这样的装置。若在光纤被选择部分掺杂饵以获得分布增益，几百个这样的装置可以由一个泵的一个信号激光器来推动。
虽然几种较佳实施例已在上面叙述，但这些方案只是示范性的。许多变更和修改对本技术领域的熟练人员是可产生的，例如，支持块54(图2)和82(图3)的外形和尺寸可以变更以适于不同的应用。同时，上面所叙述如图3方案中的镜棒93的对准调整机构，也可以修改使在其他方向上也能进行调整，或者它也可以一起省去。这些和其他的变更和修改，应考虑在本发明的精神和范围之中，正如以下权利要求所限定的。