CN104457961B - 一种振动波形与位置同时测量的光纤传感装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种振动波形与位置同时测量的光纤传感装置和方法，其目的是通过级联型双马赫‑曾德尔干涉仪实现对振动波形的探测以及振动点位置的测量。在传感部分，搭建级联型双马赫‑曾德尔干涉仪，实现对振动波形的感知；在解调部分，采用基频混频的反正切‑微分自相乘算法，正确解调振动信号波形，通过波形的偏移量计算出振动位置。本发明的优点是：可以较为准确的测量振动波形及其振动位置。在光路部分，在两个马赫‑曾德尔干涉仪之间加入传感光纤，并通过把调制和传感分开，使其易于适用各种复杂环境下的传感。在解调算法部分，基于基频混频技术，降低采样频率，根据反正切‑微分自相乘算法，利于光纤传感的阵列化，使解调效果更加优越。

Description

一种振动波形与位置同时测量的光纤传感装置和方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别是一种振动波形与位置同时测量的光纤传感装置和方法。
背景技术
振动广泛的存在于工业活动和人们的生活当中,如地震的发生,机械工业中机床的运转,铁路和桥梁等的晃动等等。为了能够对地震实现早期的预测,及时了解部件的工作状态,铁路和桥梁的安全监测，以及对长距离输油、输电线路安全的保证，具有非常重要的现实意义。
光纤传感传送频带宽、信息容量大、传输损耗低,适合遥测遥控；对外界环境变化敏感,对多种物理量具有优良的传感性能；可通过阵列式或分布式结构实现大规模、长距离传感等。
针对干涉型光纤传感系统可用于定位监测的重大前景,国内外提出了很多不同结构的干涉型光纤传感技术。如在光纤陀螺仪的基础上,提出的基于Sagnac干涉原理的分布式光纤检测方法；基于双波长Sagnac干涉原理的定位技术；利用时间差的方法实现振动定位的双M-Z分布式光纤振动传感器等技术。
相位生成载波调制解调是通过在干涉仪中引入检测信号带宽外的某一频率的大幅度相位调制信号,使所检测信号成为这些大幅度载波的边带,用相关方法分离光纤干涉仪的交流传感信号和随机相位漂移,使相位的随机漂移表现为传感信号直流基线的变化,从而得到稳定的传感信号输出。
相位生成载波的调制技术分为内调制和外调制。1999年11月，曹家年在光学学报(第1536～1540页)中分析了内调制存在伴生调幅的现象。1998年5月，周效东在中国激光(第411～414页)中报道了外调制的调制方式，但是在实际应用中，调制会受到很多环境因素的限制。
为了实现信号波形的正确解调，很多解调算法相继被提出。2002年3月，王照霞在声学与电子工程(第111～117页)中报到了交叉微分相乘(DCM)算法，该算法容易受到调制深度、光强、光路损耗、耦合器分光比、偏振态等诸多因素的影响。2008年10月，宫铭举在压电与声光(第538～540页)中提出了三倍频混频的DCM算法，该算法需要较高的采样频率，增加了解调系统的负担。2012年5月，李阳在光电子激光中(第933～938页)提出了基于基频混频的DCM算法，该算法只能解调小信号。2012年10月，王凯在光电子激光(第1856～1862页)中报道了反正切算法，该算法有可能来了严重的总谐波失真。
发明内容
本发明的目的是通过级联型双马赫-曾德尔干涉仪实现对振动波形的探测以及振动点位置的测量。在传感部分，搭建级联型双马赫-曾德尔干涉仪，实现对振动波形的感知；在解调部分，采用基频混频的反正切-微分自相乘算法，正确解调振动信号波形，通过波形的偏移量计算出振动位置。
本发明的技术方案：
一种振动波形与位置同时测量的光纤传感装置，由光源，两个级联型的马赫-曾德尔干涉仪，传感光纤，光电探测器及解调电路组成。光源与第一个马赫-曾德尔干涉仪相连，第一个马赫-曾德尔干涉仪的另一端与传感光纤相连，传感光纤的另一端与第二个马赫-曾德尔干涉仪相连，第二个马赫-曾德尔干涉仪的另一端与光电探测器相连，光电探测器的输出的电信号输出到解调电路。
所述的光源是指宽带光源或者分布式反馈激光器。两种光源皆可用于本装置，但是实际中很难做到两路光程差为零，选用相干长度较长的分布式反馈激光器为佳。
所述的第一个马赫-曾德尔干涉仪由两个1×2光耦合器，延迟光纤以及压电陶瓷构成，其组成方式为：第一个光耦合器的端口a作为马赫-曾德尔干涉仪的输入端口，与第一个耦合器的输出端b连接的光纤均匀的缠绕在第一个压电陶瓷上，然后与第二个耦合器的端口d相连。第一个耦合器的输出端c连接第一段定长的延迟光纤，再连接到第二个光耦合器的输入端e。第二个光耦合器的端口f作为马赫-曾德尔干涉仪的输出端口。
所述的传感光纤为普通的单模光纤，待测振动信号加载到此光纤上，光纤长度可根据具体需求进行调整。
所述的第二个马赫-曾德尔干涉仪由两个1×2光耦合器，延迟光纤以及压电陶瓷构成，其组成方式为：经过传感光纤的光从第三个光耦合器输入端g输入，与耦合器的输出端i连接的光纤均匀的缠绕在第二个压电陶瓷上，然后与第二个耦合器的端口k相连。另一段熔接第二段定长的延迟光纤。该延迟光纤的一端连接第三个光耦合器的输出端h，另一端连接到第四个光耦合器的输入端j，由输出端l端输出。
所述的两个马赫-曾德尔干涉仪中，压电陶瓷上缠绕的光纤以及定长的延迟光纤的长度均相同；压电陶瓷分别均位于每一个马赫-曾德尔干涉仪的中间位置；信号发生器产生三路电信号载波，分别连接至两个压电陶瓷上以及后续的解调电路中。
所述的解调电路由预处理电路及数字处理电路组成，所述的预处理电路由放大电路，隔直电路，滤波电路组成，将光电探测器输出的模拟电信号经过放大，消去直流项以及滤波处理后，通过数模转换变成数字信号，在数字处理电路中采用基频混频的反正切-微分自相乘算法解调振动信号。
一种振动波形与位置同时测量的光纤传感的传感方法，该方法能够同时测量被测振动信号的波形及位置。具体步骤如下：
第1、将传感部分按上述所述装置搭建完成，开启光源，使光在光纤中传导，开启信号发生器，调整到适当的频率ω0，使其满足此式中c为光速，n为光纤有效折射率，Lt为整个光纤传感装置的长度，LC1为第一个耦合器与第一个压电陶瓷之间的长度，该信号作为载波信号加入到两个马赫-曾德尔干涉仪中。
第2、将待测振动信号源放在上述装置所述的传感光纤上，可以根据任何一种相位生成载波算法解调振动波形。本发明采用基频混频的反正切-微分自相乘算法，该解调算法是将模数转换后的信号分成两路，一路与基频载波cosω0t混频，通过低通滤波器1滤除高频信号，得到信号Ⅰ，另一路信号直接通过低通滤波器，得到信号Ⅱ，将两路信号进行微分自相乘运算，再经过取负和开方运算后，得到信号Ⅲ。将信号Ⅰ和Ⅱ相除、取负，再与信号Ⅲ相除，最后通过反正切运算得到解调信号
第3、所测振动波形会在时间轴上产生一定的偏移量，该偏移量L,光速c，光纤有效折射率n，延迟光纤长度LA，第一个耦合器与第一个压电陶瓷之间的长度LC1，缠绕在第一个压电陶瓷上的光纤的长度LP1，满足关系式X＝(L·c-nLA-2nLC1-nLP1)/2n，从此式可以得到振动点位置与第一段延迟光纤尾端的距离X。
所述的方法中，延迟光纤的长度对测量精度的影响极小，然而，采样频率对测量精度的影响较为明显，采样频率越高，测量精度越大。
所述的方法中，若需同时测量振动波形及其位置，则待测振动信号需采用正弦波，若只测量振动波形，则待测振动信号可为任意信号。待测振动信号的频率ωs与幅度D，以及载波信号频率ω0应满足关系式这样可以使得频谱不发生混叠，正确解调待测振动信号。
本发明的优点和有益效果：
本发明提出了一种结构简单、成本低且易于实现的探测振动点信号波形及其振动位置的装置和方法。基于本发明的光路结构和解调方法，可以较为准确的测量振动波形及其振动位置。在光路部分，在两个马赫-曾德尔干涉仪之间加入一段传感光纤，将振动点位置信息包含在相位信号中；通过把调制和传感分开，使其易于适用各种复杂环境下的传感。在解调算法部分，基于基频混频技术，降低了采样频率，根据基频混频的反正切-微分自相乘算法，利于光纤传感的阵列化，并可以使解调效果更加优越。
附图说明
图1为本发明光路部分的结构图。
图2为本发明预处理电路流程图。
图3为本发明解调算法流程图。
图4为本发明实施例1的解调信号图，其中采样频率取100KHz，延迟光纤取25km。
图5为本发明实施例2的解调信号图，其中采样频率取500KHz，延迟光纤取25km。
图6为本发明实施例3的解调信号图，其中采样频率取500KHz，延迟光纤取15km。
图中：1.分布式反馈激光器；2.1×2光耦合器；3.延迟光纤；4.信号发生器；5.缠绕光纤的压电陶瓷；6.1×2光耦合器；7.传感光纤；8.1×2光耦合器；9.延迟光纤；10.缠绕光纤的压电陶瓷；11.1×2光耦合器；12.光电探测器。
具体实施方式
由附图1所示，本发明振动波形与位置同时测量的光纤传感装置，由两个级联型的马赫-曾德尔干涉仪，传感光纤7，光电探测器12及解调电路组成。光源与第一个马赫-曾德尔干涉仪相连，第一个马赫-曾德尔干涉仪由光耦合器2、6，延迟光纤3和缠绕光纤的压电陶瓷5组成。第一个马赫-曾德尔干涉仪的另一端与传感光纤7相连，传感光纤7的另一端与第二个马赫-曾德尔干涉仪相连，第二个马赫-曾德尔干涉仪由光耦合器8、11，延迟光纤9和缠绕光纤的压电陶瓷10组成。第二个马赫-曾德尔干涉仪的另一端与光电探测器12相连，光电探测器12的输出的电信号输出到解调电路。
实施例1：
本实施例中，光源选用分布式反馈激光器，波长为1550nm，功率选取为2.3mw。两段延迟光纤均为25km，两个马赫-曾德尔干涉仪的任意一个干涉臂均为8m，将缠绕3m光纤的压电陶瓷置于每一个干涉臂的中间。两个级联型马赫-曾德尔干涉仪之间的传感光纤长度选用60km。假设将待测振动点置于距第一段延迟光纤30km的位置。信号发生器产生的载波频率选取为1180Hz，解调电路中信号采样频率选取为100KHz，待测信号选取为幅值为1，频率为100Hz的正弦波。根据图4可以得出，波形在横坐标时间轴上的偏移量为0.00021184，将本实施例中设置的相关参数代入计算公式X＝(L·c-nLA-2nLC1-nLP1)/2n，其中光速c为3×108m/s，折射率n为1.5，从而可以计算出X＝29868m。
实施例2：
本实施例中，光源选用分布式反馈激光器，波长为1550nm，功率选取为2.3mw。两段延迟光纤均为25km，两个马赫-曾德尔干涉仪的任意一个干涉臂均为8m，将缠绕3m光纤的压电陶瓷置于每一个干涉臂的中间。两个级联型马赫-曾德尔干涉仪之间的传感光纤长度选用60km。假设将待测振动点置于距第一段延迟光纤30km的位置。信号发生器产生的载波频率选取为1180Hz，解调电路中信号采样频率选取为500KHz，待测信号选取为幅值为1，频率为100Hz的正弦波。根据图5可以得出，波形在横坐标时间轴上的偏移量为0.00021206，将本实施例中设置的相关参数代入计算公式X＝(L·c-nLA-2nLC1-nLP1)/2n，其中光速c为3×108m/s，折射率n为1.5，从而可以计算出X＝29912m。
实施例3：
本实施例中，光源选用分布式反馈激光器，波长为1550nm，功率选取为2.3mw。两段延迟光纤均为15km，两个马赫-曾德尔干涉仪的任意一个干涉臂均为8m，将缠绕3m光纤的压电陶瓷置于每一个干涉臂的中间。两个级联型马赫-曾德尔干涉仪之间的传感光纤长度选用60km。假设将待测振动点置于距第一段延迟光纤30km的位置。信号发生器产生的载波频率选取为1180Hz，解调电路中信号采样频率选取为500KHz，待测信号选取为幅值为1，频率为100Hz的正弦波。根据图6可以得出，波形在横坐标时间轴上的偏移量为0.00037422，将本实施例中设置的相关参数代入计算公式X＝(L·c-nLA-2nLC1-nLP1)/2n，其中光速c为3×108m/s，折射率n为1.5，从而可以计算出X＝29917m。
以上实施例中，分布式反馈激光器的型号为NLK1C5EAAA；光耦合器的型号为SC-1550-50/50-0；压电陶瓷的型号为CZ25437-0030-0012；光电探测器的型号为KG-PIN-1G-A-FA；放大电路采用的集成芯片为MAX4478；滤波电路采用的集成芯片为LTC1562；DSP芯片的型号为TMS320VC5509a。

Claims (4)

1.一种振动波形与位置同时测量的光纤传感装置，其特征在于由光源，两个级联型的马赫-曾德尔干涉仪，传感光纤，光电探测器及解调电路组成，光源与第一个马赫-曾德尔干涉仪相连，第一个马赫-曾德尔干涉仪的另一端与传感光纤相连，传感光纤的另一端与第二个马赫-曾德尔干涉仪相连，第二个马赫-曾德尔干涉仪的另一端与光电探测器相连，光电探测器的输出的电信号输出到解调电路；
以上所述的第一个马赫-曾德尔干涉仪包括第一1×2光耦合器、第二1×2光耦合器、第一延迟光纤以及第一压电陶瓷，其组成方式为：第一1×2光耦合器的端口a作为所述第一个马赫-曾德尔干涉仪的输入端口，与第一1×2光耦合器的输出端b连接的光纤均匀的缠绕在第一压电陶瓷上，然后与第二1×2光耦合器的端口d相连；第一1×2光耦合器的输出端c连接定长的第一延迟光纤，再连接到第二1×2光耦合器的输入端e；第二1×2光耦合器的端口f作为所述的第一个马赫-曾德尔干涉仪的输出端口；
以上所述的第二个马赫-曾德尔干涉仪包括第三1×2光耦合器、第四1×2光耦合器，第二延迟光纤以及第二压电陶瓷，其组成方式为：经过传感光纤的光从第三1×2光耦合器输入端g输入，与第三1×2光耦合器的输出端i连接的光纤均匀的缠绕在第二压电陶瓷上，然后与第四1×2光耦合器的端口k相连；第三1×2光耦合器的输出端h连接定长的第二延迟光纤；再连接到第四1×2光耦合器的输入端j，第四1×2光耦合器的端口l作为所述第二个马赫-曾德尔干涉仪的输出端口；
所述的解调电路由预处理电路及数字处理电路组成，所述的预处理电路由放大电路，隔直电路，滤波电路组成，将光电探测器输出的模拟电信号经过放大，消去直流项以及滤波处理后，通过模数转换变成数字信号，在数字处理电路中采用基频混频的反正切-微分自相乘算法解调振动信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的两个马赫-曾德尔干涉仪中，第一压电陶瓷上缠绕的光纤与第二压电陶瓷上缠绕的光纤长度相同，定长的第一延迟光纤与定长的第二延迟光纤长度相同；压电陶瓷分别均位于每一个马赫-曾德尔干涉仪的中间位置；与第一个耦合器的输出端b连接的光纤均匀的缠绕在第一个压电陶瓷上，与第三个耦合器的输出端i连接的光纤均匀的缠绕在第二个压电陶瓷上；信号发生器产生三路电信号载波，分别连接至两个压电陶瓷上以及后续的解调电路中。
3.一种振动波形与位置同时测量的光纤传感的传感方法，包括权利要求1-2任一项所述的装置，其特征在于该方法包括以下步骤：
第1、开启光源，使光在光纤中传导，开启信号发生器，调整到适当的频率ω0，使其满足此式中c为光速，n为光纤有效折射率，Lt为整个光纤传感装置的长度，LC1为第一1×2光耦合器与第一压电陶瓷之间的长度，该信号作为载波信号加入到两个马赫-曾德尔干涉仪中；
第2、将待测振动信号源放在传感光纤上，根据基频混频的反正切-微分自相乘算法解调振动波形，该解调算法是将模数转换后的信号分成两路，一路与基频载波cosω0t混频，通过低通滤波器滤除高频信号，得到信号Ⅰ，另一路信号直接通过低通滤波器，得到信号Ⅱ，将两路信号进行微分自相乘运算后相除，再经过取负和开方运算后，得到信号Ⅲ，将信号Ⅰ和Ⅱ相除、取负，再与信号Ⅲ相除，最后通过反正切运算得到解调信号；
第3、所测振动波形会在时间轴上产生一定的偏移量，该偏移量L,光速c，光纤有效折射率n，延迟光纤长度LA，第一1×2光耦合器与第一压电陶瓷之间的长度LC1，缠绕在第一压电陶瓷上的光纤的长度LP1，满足关系式X＝(L·c-nLA-2nLC1-nLP1)/2n，从此式可以得到振动点位置与第一延迟光纤尾端的距离X。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于同时测量振动波形及其位置时，待测振动信号需采用正弦波，只测量振动波形时，待测振动信号为任意信号，并使待测振动信号的频率ωs与幅度D，以及载波信号频率ω0应满足关系式
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