CN113670359B - 一种光纤珐珀传感器高速解调系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤珐珀传感器高速解调系统和方法，系统包括光源A‑B、耦合器A‑E、干涉仪A‑D、探测器和上位机；光源A和B均由上位机控制；光源A和B发出的光由耦合器A汇入到耦合器B，耦合器B的输出接光纤珐珀传感器，耦合器B的输出接耦合器C，耦合器C的两路输出分别接耦合器D和E；耦合器D的两路输出分别接干涉仪A和B，耦合器E的两路输出分别接干涉仪C和D；干涉仪A‑D的输出分别接一个探测器，4个探测器的输出信号传送给上位机进行解调处理。本发明采用高速切换光源和单点探测器，提高了解调系统的解调速度；并采用了可精密调节光程差的干涉仪，使该解调系统具有精度高、分辨率高和稳定性高等优点。

Description

一种光纤珐珀传感器高速解调系统和方法

技术领域

本发明属于光纤传感器解调技术领域，具体涉及一种光纤珐珀传感器高速解调系统和方法。

背景技术

力学量的测量在材料的特性、结构的强度、机械的受力情况分析以及工业无损探伤等领域都广泛应用。目前使用较多的是电类传感器，其电路结构易受强电磁干扰且不耐高温的特性，使得它们在一些特定场合将会影响测量效果甚至无法使用。在核工程关键设备监测中，工作环境温度高，电磁干扰也比较大，这些工作环境因素需要一种新型的测量技术来实现其应变、压力等测量。光纤传感技术具有传输速度快、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、耐高温和安全性高等优点，是工程测试领域重要的技术手段。光纤法珀传感器是光纤传感器中的典型代表。

解调系统是光纤传感技术的重要组成部分。目前的光纤法珀传感器的解调技术主要有强度解调法和相位解调法，并且都有相应的产品。强度解调法具有解调速度快的优点，但是解调的分辨率和精度较低，且稳定性也低；相位解调法具有解调分辨率和解调精度高的优点，且能够实现光纤法珀传感器的静态解调，稳定性好，但是该类方法解调速度较低，不能够实现高速解调的应用场景。

发明内容

为了解决现有解调技术存在的局限性问题，本发明提供了一种光纤珐珀传感器高速解调系统。本发明具有解调精度高、解调分辨率高且解调速度快等优点。

本发明通过下述技术方案实现：

一种光纤珐珀传感器高速解调系统，包括光源A、光源B、耦合器A、耦合器B、耦合器C、耦合器D、耦合器E、干涉仪A、干涉仪B、干涉仪C、干涉仪D、探测器和上位机；

所述光源A和光源B均由所述上位机控制；

所述光源A和光源B发出的光由所述耦合器A汇入到所述耦合器B，所述耦合器B的输出接光纤珐珀传感器，所述耦合器B的输出接所述耦合器C，所述耦合器C的两路输出分别接所述耦合器D和耦合器E；所述耦合器D的两路输出分别接所述干涉仪A和干涉仪B，所述耦合器E的两路输出分别接所述干涉仪C和干涉仪D；所述干涉仪A、干涉仪B、干涉仪C和干涉仪D的输出分别接一个所述探测器，4个所述探测器的输出信号传送给所述上位机进行解调处理。

优选的，本发明的干涉仪A、干涉仪B、干涉仪C和干涉仪D均采用光学静态干涉仪；

该干涉仪包括设置在腔体内的光楔和透镜、以及设置在腔体壁上的入射接口和出射接口；

所述光楔设置在一可移动拆卸的凹槽中；

所述凹槽的一侧装配有钢珠和弹簧，用于将装有所述光楔的凹槽定位，所述凹槽的一侧装配有光学螺钉，该光学螺钉用于调节所述光楔的位置；

入射光通过所述入射接口进入所述干涉仪，入射到所述光楔，所述光楔的出射光进入所述透镜，所述透镜的出射光汇入所述出射接口输出。

优选的，本发明的解调系统还包括光源C；

所述光源C由所述上位机控制；

所述光源C接入所述耦合器B；所述光源C用于校正解调过程中随时间变化的参数。

优选的，本发明的耦合器D和耦合器E的另一个输入分别接一个探测器，2个所述探测器的输出信号传送给所述上位机。

优选的，本发明的光源A、光源B和光源C采用LED；

所述光源A的中心波长为850nm，所述光源B的中心波长为780nm，所述光源C的中心波长为830nm。

优选的，本发明的耦合器A采用1×2耦合器，所述耦合器B采用2×2耦合器，所述耦合器C采用1×2耦合器，所述耦合器D采用2×2耦合器，所述耦合器E采用2×2耦合器。

优选的，本发明的探测器采用Si PIN型光电二极管。

另一方面，本发明还提出了基于本发明所述的光纤珐珀传感器高速解调系统的方法，包括：

控制光源A开启，获取干涉仪A和干涉仪B对应的探测器信号，并根据获取的信号得到相位与光纤传感器腔长之间的解调模型A；

控制光源B开启，获取干涉仪C和干涉仪D对应的探测器信号，并根据获取的信号得到相位与光纤传感器腔长之间的解调模型B；

对解调模型A和解调模型B进行处理，得到传感器腔长的绝对值。

优选的，本发明的解调模型A表示为：

所述解调模型B表示为：

式中，

为干涉仪A和干涉仪B对应的探测器所获取的信号的相位；

为干涉仪C和干涉仪D对应的探测器所获取的信号的相位；Δd表示传感器腔长与干涉仪厚度之差；λ₀、λ₁分别为光源A、B的中心波长；n₀，n₁均为整数，其值分别取决于

所位于的区间。

优选的，本发明对解调模型A和解调模型B进行处理具体过程为：

若Δd满足关系：-T/2＜Δd≤T/2，则将-T/2和T/2分别代入

和

的表达式中，并使相位

和

都处于(-π，π)范围内，这样就能求解得到n₀和n₁的取值范围，再将n₀和n₁可能取得的值两两组合，代入

和

的表达式中，列出多个方程组，其中有一组中所解出的Δd的值是相等的，该值即为Δd的绝对值，由此就能得到光纤珐珀传感器腔长d_s的绝对值。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明采用高速切换光源和单点探测器，提高了解调系统的解调速度；并采用了可精密调节光程差的干涉仪，实现了传感器的相位解调，使该解调系统具有精度高、分辨率高和稳定性高等优点。

本发明实现了光纤珐珀传感器解调系统的高速、高精度和高稳定性，可广泛应用于各类光纤珐珀传感器的信号解调。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的解调系统结构示意图。

图2为本发明的干涉仪结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-凹槽，2-光楔，3-光学螺钉，4-钢珠，5-弹簧，6-透镜，7-入射接口，8-出射接口。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

本实施例提供了一种光纤珐珀传感器高速解调系统，具体如图1所示，本实施例的系统包括光源(光源A、光源B、光源C)、耦合器(耦合器A、耦合器B、耦合器C、耦合器D、耦合器E)、干涉仪(干涉仪A、干涉仪B、干涉仪C、干涉仪D)、探测器(探测器S0、探测器S1、探测器S2、探测器S3、探测器S4、探测器S5)和上位机。

其中，本实施例的光源A、光源B和光源C均由上位机进行控制，光源A和光源B由耦合器A汇入耦合器B，光源C接入耦合器B，耦合器B的两路输出分别接光纤珐珀传感器和耦合器C；耦合器C的两路输出分别接耦合器D和耦合器E，耦合器D的另一路输入接探测器S2，耦合器E的另一路输入接探测器S5，耦合器D的两路输出分别接干涉仪A和干涉仪B，耦合器E的两路输出分别接干涉仪C和干涉仪D，干涉仪A的输出接探测器S0，干涉仪B的输出接探测器S1，干涉仪C的输出接探测器S3，干涉仪D的输出接探测器S4，探测器S0、探测器S1、探测器S2、探测器S3、探测器S4、探测器S5的信号均由数采系统进入上位机。(整个系统中的5个耦合器的各个端口连接关系详见图1)

本实施例的耦合器A为1×2耦合器，耦合器B为2×2耦合器，耦合器C为1×2耦合器，耦合器D为2×2耦合器，耦合器E为2×2耦合器。

本实施例的光源A、光源B和光源C均采用LED，其中，光源A的中心波长为850nm，光源B的中心波长为780nm，光源C的中心波长为830nm。

本实施例根据光源的波长范围，采用Si PIN型光电二极管作为探测器。

本实施例的干涉仪采用光学静态干涉仪，如图2所示，该干涉仪包括设置在腔体内的光楔2和透镜6、以及设置在腔体壁上的入射接口7和出射接口8。

该干涉仪的光楔2放置在一可移动拆卸的凹槽1中。

为了能以μm级的距离推动光楔2，在可移动拆卸的凹槽1一侧装配有光学螺钉3，该光学螺钉3的螺距为200μm，长度为19mm，该光学螺钉3可前后移动，使该干涉仪腔长变化量在4.75μm范围内；在可移动拆卸的凹槽1的另一侧装配有钢珠4和弹簧5，用于将装有光楔2的凹槽1定位，通过弹簧5、钢珠4和光学螺钉3来调整光楔2的位置，以保证不同干涉仪之间确定的光程差。

本实施例的入射接口7和出射接口8采用FC/PC接口。

本实施例的干涉仪工作原理为：

入射光通过入射接口7进入干涉仪，入射到光楔，光楔的出射光进入透镜6，透镜的出射光汇入出射接口8输出。

本实施例通过上述解调系统实现光纤珐珀传感器高速解调，具体解调过程为：

通过上位机控制开启光源A，得到相位和光纤珐珀传感器(即光纤F-P传感器)腔长的关系，但是由于相位是周期性的，不能将传感器的绝对腔长确定下来。因此本实施例增加了光源B，通过上位机实现高频切换光源A和光源B的开关来得到传感器腔长的绝对值，由于光源A和光源B的中心波长不等，因此还需要新增一对干涉仪(干涉仪C和干涉仪D)来满足正交条件：干涉仪D和干涉仪A的厚度之差等于光源B中心波长的八分之一(d_D-d_C＝λ₀/8)，为保证光源A和光源B所发出的光到达探测器时，它们各自的相位

的表达式中的Δd(传感器腔长与干涉仪厚度之差)相等，干涉仪C的腔长应与干涉仪A的腔长相等。当光源A开启时，上位机采集探测器S0和探测器S1的信息，光源B开启时采集探测器S3和探测器S4的信息，分别得到相位

和

的表达式：

式中，

为干涉仪A和干涉仪B对应的探测器所获取的信号的相位；

为干涉仪C和干涉仪D对应的探测器所获取的信号的相位；Δd表示传感器腔长与干涉仪厚度之差；λ₀、λ₁分别为光源A、B的中心波长；n₀，n₁均为整数，其值分别取决于

所位于的区间。

该解调理论模型为周期性的，且周期为T：

若Δd满足关系：-T/2＜Δd≤T/2，则可将-T/2和T/2分别代入

和

的表达式中，并使相位

和

都处于(-π，π)范围内，这样就能求解得到n₀和n₁的取值范围，再将n₀和n₁可能取得的值两两组合，代入

和

的表达式中，列出多个方程组，其中有一组中所解出的Δd的值是相等的，该值即为Δd的绝对值，由此就能得到光纤珐珀传感器腔长d_s的绝对值。

本实施例的解调方法除了扩大了解调量程，且采用的是单点探测器以及LED光源，使得切换时间可到微秒量级，因此大大提高了解调速度；将光源A和B关闭，打开光源C，利用探测器S2和探测器S5的光强实现公式中随时间变化的参数提高了解调系统的稳定性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光纤珐珀传感器高速解调系统，其特征在于，包括光源A、光源B、耦合器A、耦合器B、耦合器C、耦合器D、耦合器E、干涉仪A、干涉仪B、干涉仪C、干涉仪D、探测器和上位机；

所述光源A和光源B均由所述上位机控制；

所述光源A和光源B发出的光由所述耦合器A汇入到所述耦合器B，所述耦合器B的输出接光纤珐珀传感器，所述耦合器B的输出接所述耦合器C，所述耦合器C的两路输出分别接所述耦合器D和耦合器E；所述耦合器D的两路输出分别接所述干涉仪A和干涉仪B，所述耦合器E的两路输出分别接所述干涉仪C和干涉仪D；所述干涉仪A、干涉仪B、干涉仪C和干涉仪D的输出分别接一个所述探测器，4个所述探测器的输出信号传送给所述上位机进行解调处理；所述干涉仪A、干涉仪B、干涉仪C和干涉仪D均采用光学静态干涉仪；

该干涉仪包括设置在腔体内的光楔(2)和透镜(6)、以及设置在腔体壁上的入射接口(7)和出射接口(8)；

所述光楔(2)设置在一可移动拆卸的凹槽(1)中；

所述凹槽(1)的一侧装配有钢珠(4)和弹簧(5)，用于将装有所述光楔(2)的凹槽(1)定位，所述凹槽(1)的一侧装配有光学螺钉(3)，该光学螺钉(3)用于调节所述光楔(2)的位置；

入射光通过所述入射接口(7)进入所述干涉仪，入射到所述光楔(2)，所述光楔(2)的出射光进入所述透镜(6)，所述透镜(6)的出射光汇入所述出射接口(8)输出。

2.根据权利要求1所述的一种光纤珐珀传感器高速解调系统，其特征在于，还包括光源C；

所述光源C由所述上位机控制；

所述光源C接入所述耦合器B；所述光源C用于校正解调过程中随时间变化的参数。

3.根据权利要求1所述的一种光纤珐珀传感器高速解调系统，其特征在于，所述耦合器D和耦合器E的另一个输入分别接一个探测器，2个所述探测器的输出信号传送给所述上位机。

4.根据权利要求2所述的一种光纤珐珀传感器高速解调系统，其特征在于，所述光源A、光源B和光源C采用LED；

所述光源A的中心波长为850nm，所述光源B的中心波长为780nm，所述光源C的中心波长为830nm。

5.根据权利要求1所述的一种光纤珐珀传感器高速解调系统，其特征在于，所述耦合器A采用1×2耦合器，所述耦合器B采用2×2耦合器，所述耦合器C采用1×2耦合器，所述耦合器D采用2×2耦合器，所述耦合器E采用2×2耦合器。

6.根据权利要求1所述的一种光纤珐珀传感器高速解调系统，其特征在于，所述探测器采用Si PIN型光电二极管。

7.基于权利要求1-6任一项所述的一种光纤珐珀传感器高速解调系统的方法，其特征在于，包括：

控制光源A开启，获取干涉仪A和干涉仪B对应的探测器信号，并根据获取的信号得到相位与光纤传感器腔长之间的解调模型A；

控制光源B开启，获取干涉仪C和干涉仪D对应的探测器信号，并根据获取的信号得到相位与光纤传感器腔长之间的解调模型B；

对解调模型A和解调模型B进行处理，得到传感器腔长的绝对值；所述解调模型A表示为：

所述解调模型B表示为：

式中，

为干涉仪A和干涉仪B对应的探测器所获取的信号的相位；

为干涉仪C和干涉仪D对应的探测器所获取的信号的相位；Δd表示传感器腔长与干涉仪厚度之差；λ₀、λ₁分别为光源A、B的中心波长；n₀，n₁均为整数，其值分别取决于

所位于的区间。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，对解调模型A和解调模型B进行处理具体过程为：

将Δd的上下限分别代入所述解调模型A和解调模型B中，使相位

和

都处于(-π，π)范围内，此时可以求解得到n₀和n₁的取值范围；其中，-T/2＜Δd≤T/2；解调理论模型为周期性的，且周期为T：

将n₀和n₁可能取得的值两两组合，代入所述解调模型A和解调模型B中，列出多个方程组，直到有一组所求的Δd相等，即求得了Δd的绝对值，从而得到了光纤珐珀传感器腔长d_s的绝对值。

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