CN103335600B - 基于双f-p干涉仪的比值条纹计数法及其位移传感器解调系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于双F-P干涉仪的比值条纹计数法及位移传感器解调系统，将两路干涉光强信号直接相除，所得比值滤去直流项后随F-P腔的腔长变化过程中产生正负脉冲，通过脉冲的正负判断F-P腔长增大或减小，光程差改变一个波长时，计数器计数2次。对应的位移传感器解调系统包括激光器、光纤隔离器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、传感单元、光电探测器、前置放大单元、DSP信号处理模块与外设显示单元。本发明具有以下有益效果：省去传感器类型标定、运算和判向过程，降低解调算法复杂度；比值条纹计数法的理论精度是一般条纹计数法的2倍；先天抗干扰，通过DSP信号处理模块实现测量仪器小型。

Description

基于双F-P干涉仪的比值条纹计数法及其位移传感器解调系统

技术领域

本发明涉及光纤位移传感器相位动态解调的方法和装置，具体涉及一种基于双F-P干涉仪的比值条纹计数法及其位移传感器解调系统。

背景技术

F-P干涉型光纤传感器，具有测量精度高、可单端检测和光路简单等优点，具有广阔的应用前景（如大坝、桥梁的应压力检测和大型机械的安全检测及石油和军事等领域）。光纤F-P传感器的信号提取可以采用强度解调或相位解调两种方法。相位解调法精确，但相对复杂、成本高；强度解调方法，如条纹计数法，原理简单、成本低廉，因而具有一定优势。但是在干涉信号极值（波峰或波谷）处不能根据光强变化来判断相位的增减，这就是条纹计数法中的判向难题。迄今，为解决该问题所提出的可行方法主要是双干涉光路法。该方法利用两路正交信号与条纹走向存在的一一对应关系实现条纹判向，其关键是如何产生两路正交信号。暨南大学赵中华等提出使两光纤端面距离差保持为λ/8（约191nm，工作波长为1530nm时），则两F-P腔的干涉光形成具有π/2固定相位差的正交信号。但是目前的光纤端面加工工艺无法满足这种精度要求。武汉理工大学童斌等提出基于随机相位差的双光纤F-P结构，重点解决了条纹判向的问题，但此方法存在两个缺陷：一、需要事先确定传感单元类型，二、需要动态改变判断阈值来消除腔长增加所导致的光强衰减的影响，所以系统精度不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于双F-P干涉仪的比值条纹计数法及位移传感器解调系统，采用基于随机相位差的双光纤F-P干涉仪和DSP信号处理模块，实现双通道并行采样和高速条纹计数，并实时显示位移测量值。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

基于双F-P干涉仪的比值条纹计数法，包括以下步骤：

1）激光器发出的激光经光纤隔离器、光纤耦合器被分为光强相近的两束光，两束光分别经过A、B两路单模光纤后通过传感单元入射到被测物体表面；

2）A、B两路单模光纤端面的反射光分别和被测物体表面的反射光产生干涉，输出的两路干涉光强信号经过光电探测器接收，转换成电流信号；

3）步骤2）获得的两路电流信号经前置放大单元放大后经DSP信号处理模块的A/D模数转换器采样后转换为数字信号，数字信号经滤除低频噪声后通过运算和计数获得解调结果；

i）具体运算算法步骤如下：

A、B两路单模光纤接收到的干涉光强信号I_A、I_B分别表示为

I_A=I_A0cos(φ(t))（1）

I_B=I_B0cos(φ(t)+φ₀)（2）

其中，

$\mathrm{\φ}\left(t\right)=2\mathrm{\π}\frac{2\mathrm{nL}\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}---\left(3\right)$

${\mathrm{\φ}}_0=2\mathrm{\π}\frac{2\mathrm{n\Δd}}{\mathrm{\λ}}---\left(4\right)$

式中，I_A0、I_B0分别表示A、B两路单模光纤信号光强幅值，表示F-P腔的腔长L(t)变化引起的相位变化，代表A、B两路单模光纤的初始相位差，由光纤端面抛磨工艺存在的随机位置差△d决定，n表示F-P腔介质折射率，介质为空气时n＝1，λ为激光器的工作波长；直接将式（2）除以式（1）得

$\frac{I_B}{I_A}=\frac{I_{B0}}{I_{A0}}(\cos \left({\mathrm{\φ}}_0\right)-\sin \left({\mathrm{\φ}}_0\right)\tan \left(\mathrm{\φ}\left(t\right)\right))---\left(5\right)$

滤去直流项后获得运算数据为ktan(φ(t))，其中为一常数；

ii）具体计数过程如下：

①在DSP信号处理模块的DSP芯片程序设计中引入寄存器、计数器等内存单元来存放记录数据，设置寄存器p1、p2分别记录前一时刻和当前时刻A、B两路光强采样值经上述相除滤波处理（滤去直流项）后的结果；②根据第一次测量采集后的运算数据ktan(φ(t))预设用于标定脉冲的阈值m，m>k即可；③当p1＞＋m且p2＜－m时，计数器数值加1；当p1＜－m且p2＞＋m时，计数器数值减1；其他情况下计数器均不计数；④最后将计数器数值换算为相位对应的解调结果；

4）将步骤3）获得的解调结果通过DSP芯片控制发送到外设显示单元显示。

根据上述方法，本发明还提供了一种基于双F-P干涉仪的比值条纹计数法的位移传感器解调系统，包括激光器、光纤隔离器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、传感单元、光电探测器、前置放大单元、DSP信号处理模块与外设显示单元，所述激光器的输出端与光纤隔离器的输入端口连接，光纤隔离器的输出端口与第一光纤耦合器的输入端连接，第一光纤耦合器的输出端口分别与第二光纤耦合器的输入端口a、第三光纤耦合器的输入端口b相连，第二光纤耦合器的输出端口c、第三光纤耦合器的输出端口d分别和传感单元连接；第二光纤耦合器的输出端口e、第三光纤耦合器的输出端口f依次连接光电探测器、前置放大单元、DSP信号处理模块和外设显示单元。

在上述方案中，所述激光器选用峰值波长为1530nm，线宽为0.3nm的DFB激光器。

在上述方案中，所述第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器均采用3dB耦合器或环形器。

在上述方案中，所述传感单元采用4芯封装的光纤插芯结构。

在上述方案中，所述光电探测器选用同轴尾纤型PIN光电二极管。

在上述方案中，所述前置放大单元用于放大通过光电探测器实现光电转换的电流信号，前置放大单元选用放大器LM324N。

在上述方案中，所述DSP信号处理模块包括A/D模数转换器、滤波器和DSP芯片；所述A/D模数转换器用于将放大的电流信号采样量化为数字信号；所述滤波器用于将上述数字信号进行滤波处理滤除低频噪声；所述DSP芯片是一种高速可编程中央处理器，用于对滤波后的数字信号进行运算和计数处理获得解调结果。

在上述方案中，所述外设显示单元用于对串口接收的DSP信号处理模块获得的解调结果进行显示，外设单元显示选用PC或LCD12864。

本发明的工作原理是：激光器、光纤隔离器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、传感单元组成A路光通道；激光器、光纤隔离器、第一光纤耦合器、第三光纤耦合器、传感单元组成B路光通道；从而形成A、B两路朝向被测物体的输入光通道。

A、B两路光通道的单模光纤固定在同一个玻璃夹具中，并磨平端面，A、B两路单模光纤端面和被测物体表面之间构成双光纤F-P腔；光纤端面抛磨工艺误差决定了A、B两路单模光纤端面始终存在随机位置差△d的大小。A、B两路单模光纤端面的反射光分别和被测物体表面的反射光产生干涉，将A、B两路单模光纤接收到的干涉光强信号I_A、I_B根据上述运算步骤相除并滤除直流项后获得运算数据ktan(φ(t))；再根据运算数据ktan(φ(t))通过寄存器和计数器按照上述计数过程获取与相位φ(t)对应的解调结果；最后通过DSP芯片控制发送到外设显示单元显示。为保证位移传感器解调系统的测量精确度，采样时须保证两个采样点相位差不超过π/4，即在一个周期2π内，至少要采样8次。

与其他类型的双F-P光纤干涉仪条纹计数法相比，本发明具有以下有益效果：

1、在原双光纤F-P干涉仪基础上，将两路干涉光强信号直接相除，所得比值是正切信号，且周期为原信号周期的一半；正切函数在相位为π/2的整数倍处跳变形成脉冲，从而随F-P腔的腔长变化过程中产生正负脉冲，通过脉冲的正负即可判断F-P腔相位的增大或减小，因此与童斌等的方法相比省去了繁冗的传感器类型标定、运算和判向过程，显著地降低了解调算法的复杂度；

2、普通条纹计数法采用全波长计数，理论分辨率为λ/2，即可分辨被测物体λ/2的位移变化量，对应的两光路光程差误差为一个波长；而本发明比值条纹计数法在光程差改变一个波长时，计数器计数2次，说明比值条纹计数法的理论精度是一般条纹计数法的2倍，测量分辨率提高1倍；

3、双F-P干涉仪的同光路结构保证了两路信号包含相同的外界环境噪声，将探测到的两路干涉光强信号相除，由于第一路探测到的干涉光强信号受到外界影响，这些影响同样会出现在第二路干涉光强信号中，通过求两路干涉光强信号的比，即可有效减弱外界扰动对测量的影响，从中可以提取出相位信号，具有先天抗干扰的优点，所以比值条纹计数法具有较大的测量范围；

4、采用DSP信号处理模块，同时无机电结构设计，可以实现双通道并行高速采样并实时显示测量结果，实现了测量仪器小型化，增强了实用性。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明的工作原理结构示意图；

图3是本发明位移传感器解调系统的测量结果与实际位移关系对比图；

图中，1-激光器，2-光纤隔离器，3-第一光纤耦合器，4-第二光纤耦合器，5-第三光纤耦合器，6-传感单元，7-光电探测器，8-前置放大单元，9-DSP信号处理模块，10-外设显示单元。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的技术方案做进一步的说明。

参照图1～图2所示，本发明所述的基于双F-P干涉仪的比值条纹计数法的位移传感器解调系统，包括激光器1、光纤隔离器2、第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器4、第三光纤耦合器5、传感单元6、光电探测器7、前置放大单元8、DSP信号处理模块9与外设显示单元10，所述激光器1的输出端与光纤隔离器2的输入端口连接，光纤隔离器2的输出端口与第一光纤耦合器1的输入端连接，第一光纤耦合器1的输出端口分别与第二光纤耦合器2的输入端口a、第三光纤耦合器3的输入端口b相连，第二光纤耦合器4的输出端口c、第三光纤耦合器5的输出端口d分别和传感单元8连接；第二光纤耦合器4的输出端口e、第三光纤耦合器5的输出端口f依次连接光电探测器7、前置放大单元8、DSP信号处理模块9和外设显示单元10。

所述激光器1选用峰值波长为1530nm，线宽为0.3nm的DFB激光器。

所述第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器4、第三光纤耦合器5均采用3dB耦合器或环形器。

所述传感单元6采用4芯封装的光纤插芯结构，实际使用其中两根。

所述光电探测器7选用同轴尾纤型PIN光电二极管。

所述前置放大单元8用于放大通过光电探测器（7）实现光电转换的电流信号，前置放大单元选用放大器LM324N。

所述DSP信号处理模块9包括A/D模数转换器、滤波器和DSP芯片；所述A/D模数转换器用于将放大的电流信号采样量化为数字信号；所述滤波器用于将上述数字信号进行滤波处理滤除低频噪声（滤波器利用软件实现）；所述DSP芯片是一种高速可编程中央处理器，用于对滤波后的数字信号进行运算和计数处理获得解调结果。

所述外设显示单元10用于对串口接收的DSP信号处理模块获得的解调结果进行显示，外设单元显示选用PC或LCD12864。

激光器1、光纤隔离器2、第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器4、传感单元6组成A路光通道；激光器1、光纤隔离器2、第一光纤耦合器3、第三光纤耦合器5、传感单元6组成B路光通道；从而形成A、B两路朝向被测物体的输入光通道。

根据上述位移传感器解调系统，本发明基于双F-P干涉仪的比值条纹计数法，包括以下步骤：

1）激光器1发出的激光经光纤隔离器2、第一光纤耦合器3被分为光强相近的两束光，两束光分别经过第二光纤耦合器4、A路单模光纤以及第三光纤耦合器5、B路单模光纤后通过传感单元6入射到被测物体表面；

2）A、B两路单模光纤端面的反射光分别和被测物体表面的反射光产生干涉，输出的两路干涉光强信号经过光电探测器7接收，转换成电流信号；

3）步骤2）获得的两路电流信号经前置放大单元8放大后经DSP信号处理模块9的A/D模数转换器采样后转换为数字信号，数字信号经DSP信号处理模块9的滤波器滤除低频噪声后再通过运算和计数获得解调结果；

i）具体运算算法步骤如下：

A、B两路单模光纤接收到的干涉光强信号I_A、I_B分别表示为

I_A=I_A0cos(φ(t))（1）

I_B=I_B0cos(φ(t)+φ₀)（2）

其中，

$\mathrm{\φ}\left(t\right)=2\mathrm{\π}\frac{2\mathrm{nL}\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}---\left(3\right)$

${\mathrm{\φ}}_0=2\mathrm{\π}\frac{2\mathrm{n\Δd}}{\mathrm{\λ}}---\left(4\right)$

式中，I_A0、I_B0分别表示A、B两路单模光纤信号光强幅值，表示F-P腔的腔长L(t)变化引起的相位变化，代表A、B两路单模光纤的初始相位差，由光纤端面抛磨工艺存在的随机位置差△d决定，n表示F-P腔介质折射率，介质为空气时n＝1，λ为激光器1的工作波长；直接将式（2）除以式（1）得

$\frac{I_B}{I_A}=\frac{I_{B0}}{I_{A0}}(\cos \left({\mathrm{\φ}}_0\right)-\sin \left({\mathrm{\φ}}_0\right)\tan \left(\mathrm{\φ}\left(t\right)\right))---\left(5\right)$

滤去直流项后获得运算数据为ktan(φ(t))，其中为一常数；

ii）具体计数过程如下：

①在DSP信号处理模块9的DSP芯片程序设计中引入寄存器、计数器等内存单元来存放记录数据，设置寄存器p1、p2分别记录前一时刻和当前时刻A、B两路光强采样值经上述相除滤波处理（滤去直流项）后的结果（前一时刻，接收到A、B两路的光强，采样量化后得到数字信号，把它们相除，滤去直流项，得到一个值，存储在p1寄存器中，同样p2寄存器中存储的是当前时刻采样值相除后滤去直流项得到的一个值）；②根据第一次测量采集后的运算数据ktan(φ(t))预设用于标定脉冲的阈值m，m>k即可；③当p1＞＋m且p2＜－m时，计数器数值加1；当p1＜－m且p2＞＋m时，计数器数值减1；其他情况下计数器均不计数；④最后将计数器数值换算为与相位φ(t)对应的解调结果；

4）将步骤3）获得的解调结果通过DSP芯片控制发送到外设显示单元显示10。

参照图3所示的本发明位移传感器解调系统的测量位移与实际位移关系图，该次测量中，将被测物体（实验中用的是平面镜）放置在位移调节架上，测量前首先调节平面镜与光纤端面垂直，手动调节位移调节架上的旋钮（上面有示数）来调节平面镜与光纤端面之间的距离，把它作为实际位移。由光纤接收反射光信号解调后所得到的结果为测量位移，位移实验步长为50μm，位移测量范围为0～1mm；并完成3轮正反方向交替测量。图3是测量位移结果与实际位移的关系曲线。其中y₁是正向线性拟合结果，y₂是反向线性拟合结果。确定性系数R²>0.9999（R²越接近1则线性关系越好），由图3可以看出，在0～1mm范围内，测量值和实际位移值具有良好的线性关系，且重复性很好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.基于双F-P干涉仪的比值条纹计数法，其特征在于，包括以下步骤：

1)激光器发出的激光经光纤隔离器、光纤耦合器被分为光强相近的两束光，两束光分别经过A、B两路单模光纤后通过传感单元入射到被测物体表面；

2)A、B两路单模光纤端面的反射光分别和被测物体表面的反射光产生干涉，输出的两路干涉光强信号经过光电探测器接收，转换成电流信号；

3)步骤2)获得的两路电流信号经前置放大单元放大后经DSP信号处理模块的A/D模数转换器采样后转换为数字信号，数字信号经滤除低频噪声后通过运算和计数获得解调结果；

i)具体运算算法步骤如下：

A、B两路单模光纤接收到的干涉光强信号I_A、I_B分别表示为

I_A＝I_A0cos(φ(t))(1)

I_B＝I_B0cos(φ(t)+φ₀)(2)

其中，

$\mathrm{\φ}\left(t\right)=2\mathrm{\π}\frac{2nL\left(t\right)}{\mathrm{\λ}}---\left(3\right)$

${\mathrm{\φ}}_0=2\mathrm{\π}\frac{2n\mathrm{\Δ}d}{\mathrm{\λ}}---\left(4\right)$

式中，I_A0、I_B0分别表示A、B两路单模光纤信号光强幅值，φ(t)表示F-P腔的腔长L(t)变化引起的相位变化，φ₀代表A、B两路单模光纤的初始相位差，由光纤端面抛磨工艺存在的随机位置差△d决定，n表示F-P腔介质折射率，介质为空气时n＝1，λ为激光器的工作波长；直接将式(2)除以式(1)得

$\frac{I_B}{I_A}=\frac{I_{B0}}{I_{A0}}\left(cos\right({\mathrm{\φ}}_0)-sin({\mathrm{\φ}}_0\left)tan\right(\mathrm{\φ}\left(t\right)\left)\right)---\left(5\right)$

滤去直流项后获得运算数据为ktan(φ(t))，其中为一常数；

ii)具体计数过程如下：

①在DSP信号处理模块的DSP芯片程序设计中引入内存单元寄存器、计数器来存放记录数据，设置寄存器p1、p2分别记录前一时刻和当前时刻A、B两路单模光纤接收到的干涉光强信号I_A、I_B，根据上述运算算法步骤相除并滤除直流项后获得运算数据ktan(φ(t))；②根据第一次测量采集后的运算数据ktan(φ(t))预设用于标定脉冲的阈值m，m>k即可；③当p1＞+m且p2＜－m时，计数器数值加1；当p1＜－m且p2＞+m时，计数器数值减1；其他情况下计数器均不计数；④最后将计数器数值换算为与相位φ(t)对应的解调结果；

4)将步骤3)获得的解调结果通过DSP芯片控制发送到外设显示单元显示。