CN100557388C - 虚拟干涉型光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟干涉型光纤传感器。单片机与正弦载波产生模块、通用函数信号生成模块相连接；单片机与虚拟待测物理量生成模块、通用函数信号生成模块相连接。本发明通过简单的电路设计模拟各种类型的干涉型光纤传感器，并提供高精度，高稳定性的虚拟干涉型光纤传感器输出电学信号，方便对各种解调系统进行测试与改进。可精确改变虚拟待测物理量，从而达到各特殊相位点，并检测解调系统在这些特殊相位点是否会出现解调错误。这些特殊相位点在使用真实的干涉型光纤传感器时是很难精确达到的。本发明与计算机模拟技术相比，具有不引入高频数字量化噪声，结构简单等特点。它较低的成本，较短的制作周期，使其在工程应用中具有很好的效果。

Description

虚拟干涉型光纤传感器

技术领域

本发明涉及传感器，尤其涉及一种虚拟干涉型光纤传感器。

背景技术

干涉型光纤传感器是一种利用光的干涉来实现某种物理量测量功能的传感器。干涉型光纤传感器通常包括了Michelson干涉型光纤传感器，Mach-Zehnder干涉型光纤传感器，Fabry-Perot干涉型光纤传感器，Sagnac干涉型光纤传感器等多种不同结构，干涉型光纤传感器在声学压力，弱磁场，加速度，微震动，角速度，温度各种物理量的测量方面得到了广泛的应用。一个典型的Sagnac干涉型光纤传感器结构如图1所示，它主要包括了激光器、第一耦合器、起偏器、第二耦合器、相位调制器、光纤环、光电检测器、保偏光纤。

相较于传统的干涉型传感器，干涉型光纤传感器因采用了光纤技术而具有更高的测量精度和灵巧的结构，也正因如此，对干涉型光纤传感器输出信号的检测与解调也提出了较高的要求。但在解调系统的设计与测试过程中，直接采用干涉型光纤传感器作为输出信号源会产生一定的困难。首先，正如图1所示，光路部分的构建比较繁琐，并且用于高精度测量的隔振水平台成本较高。其次，以双光束干涉型光纤传感器为例，由于输出与相位呈周期性关系，因此确定所检测的相位位于第几象限极为重要，在实际操作中，时常出现特殊相位点相互混淆的情形。而为了检测解调算法在这些点时是否会出错，我们需要干涉型光纤传感器能够非常精确地调整输出，使输出信号的相位值达到这些特殊相位点，而这在操作过程中是非常困难的。

基于以上原因，设计出一种虚拟的干涉型光纤传感器具有很重要的意义，该型虚拟干涉型光纤传感器不仅具有比较简单的结构和较短的制作周期，更可以模拟各种光纤干涉仪系统的前端输出，对后端的解调系统进行方便的测试与特殊相位点检测，达到很好的效果。

发明内容

本发明提供了一种结构简单、制造成本低廉且检测精度高的虚拟干涉型光纤传感器。

虚拟干涉型光纤传感器中的单片机与正弦载波产生模块、通用函数信号生成模块相连接，单片机与虚拟待测物理量生成模块、通用函数信号生成模块相连接。

所述的通用函数信号生成模块的内部模块连接关系为：第一信号调整模块与第一正弦信号生成模块、模拟除法器、第一乘法器、加法器、第二乘法器相连接；第二信号调整模块与第二正弦信号生成模块、模拟除法器相连接；第一基准电压模块，第二基准电压模块与第一减法器、比例系数生成模块，第一乘法器相连接；第三基准电压模块，第四基准电压模块与第二减法器、偏置常数设置模块、加法器相连接；增益控制模块与第二乘法器相连接；电压/角度转换设置模块与第一正弦信号生成模块，第二正弦信号生成模块相连接。

所述的正弦载波产生模块的内部模块连接关系为：单片机与第一寄存器、相位累加器、第二寄存器、相位调制器、正弦波形查找表、数模转换模块相连接；单片机与第三寄存器、相位调制器相连接。

所述的虚拟待测物理量生成模块的内部模块连接关系为：单片机与解码器，驱动器模块、锁存器模块、开关网络模块、流压转换模块相连接，基准电压生成模块与开关网络相连接。

本发明通过简单的电路设计构建出各种类型，结构的干涉型光纤传感器，并提供高精度，高稳定性的虚拟干涉型光纤传感器输出电学信号，方便对各种解调系统进行测试与改进。可方便的精确改变虚拟待测物理量，达到检测中的特殊相位点，检测解调系统在这些特殊相位点是否会出现错误解调。这些特殊相位点在使用真实的干涉型光纤传感器时是很难精确达到的。

本发明与计算机产生模拟信号的技术相比，具有不引入高频数字量化噪声，结构简单等特点。它较低的成本，较短的制作周期，使其在实际工程应用中可达到很好的效果。

附图说明

图1是典型的Sagnac干涉型光纤传感器结构图；

图2是虚拟干涉型光纤传感器结构图；

图3是正弦载波产生模块原理图；

图4是虚拟待测物理量生成模块原理图；

图5是通用函数信号生成模块原理图；

图6是虚拟Sagnac干涉型光纤传感器输出信号波形图；

图7是真实Sagnac干涉型光纤传感器输出信号波形图；

图8是解调输出的Sagnac相移与输入虚拟相移电压基准信号关系曲线图。

具体实施方式

如图2所示，虚拟干涉型光纤传感器中的单片机与正弦载波产生模块、通用函数信号生成模块相连接，单片机与虚拟待测物理量生成模块、通用函数信号生成模块相连接。其中正弦载波产生模块用来产生稳定性高，可精确控制频率与相位的正弦波，它与通用函数信号生成模块的载波信号输入端口相连，为通用函数信号生成模块提供高精度，高稳定性的正弦载波；虚拟待测物理量生成模块可生成高精度的虚拟待测物理量电压参考信号，与通用函数信号生成模块的虚拟待测物理量输入端口相连，为通用函数信号生成模块提供虚拟的待测物理量，并可精确的改变其输入值。通用函数信号生成模块可以依据使用需要改变其设置并根据其工作原理模拟生成各种干涉式光纤传感器的电学输出信号。

如图3所示，正弦载波产生模块的内部模块连接关系为：单片机与第一寄存器、相位累加器、第二寄存器、相位调制器、正弦波形查找表、数模转换模块相连接；单片机与第三寄存器、相位调制器相连接。正弦载波产生模块利用单片机来设置正弦载波的频率，相位，采用高速查表法生成了频率，相位可调的正弦载波信号。其具体实施方法为：由图3中的单片机输出频率控制字，相位控制字与系统时钟，系统时钟为第一寄存器，第二寄存器，第三寄存器提供统一的时钟信号；频率控制字输入至第一寄存器，在相位累加器处与相位累加器输出的反馈信号进行累加，累加结果进入第二寄存器；相位控制字进入第三寄存器，与第二寄存器中的频率控制字累加结果在相位调制器处相加，其结果进入正弦波形查找表后输出数字量正弦波，经过数模转换后输出频率，相位可调的高精度正弦载波信号。

如图4所示，虚拟待测物理量生成模块的内部模块连接关系为：单片机与解码器，驱动器模块、锁存器模块、开关网络模块、流压转换模块相连接；基准电压生成模块与开关网络相连接。利用该模块可产生高精度的可调的虚拟待测物理量电压基准信号。其具体实施方式为：由图4中基准电压生成模块生成高精度的稳定基准电压信号，作为开关网络中基准电压；解码器，驱动器模块由并行数字接口接入来自单片机提供的数字量，经锁存器，开关网络后产生稳定的模拟电流基准信号。该信号经流压转化模块后输出稳定的虚拟待测物理量电压基准信号。

如图5所示，通用函数信号生成模块的内部模块连接关系为：第一信号调整模块与第一正弦信号生成模块、模拟除法器、第一乘法器、加法器、第二乘法器相连接；第二信号调整模块与第二正弦信号生成模块、模拟除法器相连接；第一基准电压模块，第二基准电压模块与第一减法器、比例系数生成模块，第一乘法器相连接；第三基准电压模块，第四基准电压模块与第二减法器、偏置常数设置模块、加法器相连接；增益控制模块与第二乘法器相连接；电压/角度转换设置模块与第一正弦信号生成模块，第二正弦信号生成模块相连接。利用第一信号调整模块将正弦载波与虚拟待测物理量电压基准信号接入第一正弦信号生成模块；利用第二信号调整模块为第二正弦信号生成模块提供输入信号；由比例系数生成模块提供比例系数，偏置常数设置模块提供适当的直流偏置，增益控制模块为整个输出信号提供相应参数，从而得到了虚拟干涉型光纤传感器的输出信号。通用函数信号生成模块的通用运算功能函数为：

$S_{\mathrm{out}}=A[(c_2-c_1)\frac{\sin (a_2-a_1)}{\sin (b_2-b_1)}-(d_2-d_1)]---\left(1\right)$

其中，sin(a₂-a₁)为第一正弦信号生成模块的输出；sin(b₂-b₁)为第二正弦信号生成模块的输出；

为模拟除法器的输出；c₂-c₁为比例系数生成模块的输出；d₂-d₁为偏置常数设置模块的输出；A为增益控制模块的输出；S_out为通用函数信号生成模块最终的输出。

下面例举虚拟Sagnac干涉型光纤传感器的具体实施方式。Sagnac干涉型光纤传感器具有的输出信号形式为：

其中，I₀为光的强度；a为系统的损耗系数；h为光电转换效率；□f为调制深度；f_s既为待检测的Sagnac相移。

将由正弦载波产生模块生成的正弦载波信号加上由虚拟待测物理量生成模块生成的虚拟相移电压基准信号f_s后送入通用函数信号生成模块，该模块即可以生成如公式(1)所示的函数信号。其具体实施方法为：

首先设置电压/角度的转换比例，目前设置为50°/V。将由正弦载波产生模块生成的正弦载波□f sinwt与由虚拟待测物理量生成模块生成的虚拟相移电压基准f_s经第一信号调整模块调整后作为a₁的输入信号，其形式为

a₁＝f_s+□f sinwt                                        (3)

将a₂的输入设置为1.8V，对应角度为90°，则a₂＝90°，正弦信号生成模块1输出的信号为：

S₁＝sin(a₂-a₁)＝sin(90°-(f_s+□f sinwt))                        (4)

＝cos(f_s+□f sinwt)

将b₂的输入设置为1.8V，对应角度为90°，将b₁的输入设置为0V，则正弦信号生成模块2输出的信号为

S₂＝sin(b₂-b₁)＝sin(90°-0°)＝1                                (5)

将以上两个函数信号接入模拟除法器模块，则除法器输出形式为

由比例系数生成模块为其设置比例系数c₂-c₁；由偏置常数设置模块为函数信号提供直流电压偏置d₂-d₁；最后就得到了形如公式(2)所示的虚拟Sagnac干涉型光纤传感器的输出信号：

$S_{\mathrm{out}}=A[(c_2-c_1)\frac{\sin (a_2-a_1)}{\sin (b_2-b_1)}-(d_2-d_1)]$

产生的输出信号波形如图6所示，图7是真实的Sagnac干涉型光纤传感器经PIN管光电转换后的信号波形，说明该虚拟Sagnac干涉型光纤传感器能完美的模拟真实的Sagnac干涉型光纤传感器的电学输出信号。其输入输出线性度测试结果如图8所示，说明解调输出的Sagnac相移与输入的虚拟相移电压基准信号成严格的线性关系，可以实现良好的线性控制性能。

Claims (4)

1.一种虚拟干涉型光纤传感器，其特征在于单片机与正弦载波产生模块、通用函数信号生成模块相连接，单片机与虚拟待测物理量生成模块、通用函数信号生成模块相连接；利用单片机来设置正弦载波的频率，相位，采用高速查表法生成频率，相位可调的正弦载波产生模块作为通用函数信号生成模块的输入，利用单片机为解码器，驱动器模块提供数字量，同时利用基准模块为开关网络提供精确的基准电压，产生模拟电流基准信号，经流压转换为虚拟待测物理量生成模块提供电压基准信号，作为通用函数信号生成模块的虚拟待测物理量输入，将由正弦载波产生模块生成的正弦载波信号加上由虚拟待测物理量生成模块生成的虚拟测量电压基准信号送入通用函数信号生成模块，生成模拟干涉仪输出信号的虚拟信号。

2.根据权利要求1所述的一种虚拟干涉型光纤传感器，其特征在于所述的通用函数信号生成模块的内部模块连接关系为：第一信号调整模块与第一正弦信号生成模块、模拟除法器、第一乘法器、加法器、第二乘法器相连接；第二信号调整模块与第二正弦信号生成模块、模拟除法器相连接；第一基准电压模块，第二基准电压模块与第一减法器、比例系数生成模块，第一乘法器相连接；第三基准电压模块，第四基准电压模块与第二减法器、偏置常数设置模块、加法器相连接；增益控制模块与第二乘法器相连接；电压/角度转换设置模块与第一正弦信号生成模块，第二正弦信号生成模块相连接。

3.根据权利要求1所述的一种虚拟干涉型光纤传感器，其特征在于所述的正弦载波产生模块的内部模块连接关系为：单片机与第一寄存器、相位累加器、第二寄存器、相位调制器、正弦波形查找表、数模转换模块相连接；单片机与第三寄存器、相位调制器相连接。

4.根据权利要求1所述的一种虚拟干涉型光纤传感器，其特征在于所述的虚拟待测物理量生成模块的内部模块连接关系为：单片机与解码器，驱动器模块、锁存器模块、开关网络模块、流压转换模块相连接，基准电压生成模块与开关网络相连接。

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