CN104698275A - 一种能产生小角度相移并能进行检测的系统 - Google Patents

Abstract

一种能产生小角度相移并能进行检测的系统，属相位检测技术领域。包括激光器，耦合器，传感光纤，探测器，自增益模块，减法器，电压跟随器，带通滤波器，锁相放大器，数据采集卡等。该系统利用耦合器将激光器输出的光分为两路，两路光经过的传感光纤长度不等，从而使两路光产生光程差，再通过光电探测器将光信号转化为电信号，即得到小角度相移的两路电信号；将得到的两路电信号通过自增益模块、减法器、滤波器、锁相放大器、数据采集卡即能精确测量两路信号的相移。本发明系统能够精确和稳定的产生0.01°的相移，并且能够检测弱信号的相移，结构简单，成本很低，适合工业生产。

Description

一种能产生小角度相移并能进行检测的系统

技术领域

本发明涉及一种能产生小角度相移并能进行检测的系统。属于相位检测技术领域。

背景技术

随着电子技术和计算机技术的发展，相位检测技术得到了迅速的发展，尤其在电气、电力技术方面得到了极大地重视和发展。目前，相位检测技术已较完善，测量方法和理论也较成熟，相位测试仪器已系列化和商品化，广泛应用于RC、LC网络，放大器相频特性以及依靠信号相位传递信息等方面的电子设备。

目前，国内外提出了许多改进的高精确度的相位检测方法，主要包括有：(1)用专用数字处理芯片，利用正余弦表格及傅里叶变换方法来计算相移，可大大提高测量精度。(2)采用新器件及设计方法提高相位检测精度及展宽工作频率范围。(3)采用新的算法来实现相位检测(4)采用高精度相位检测设备，通过相位输出信号，利用桥路与输入信号相位进行比较，从而测出相移。然而利用电桥将交流信号转化为直流信号，其交流信号的幅值必须在0.7v以上才能达到二极管的导通电压，从而限制了相位检测的应用范围。

专利号为ZL00915671.9、发明人为U.普尔舍、发明名称为‘相位检测器’的发明，公开了一种相位检测器。该相位检测器有至少两个串联的二极管(V1,V2),经过变压器(UT)将参考信号(U1)输入给二极管。此外二极管(V1,V2)是与脱耦网络(R4,C3,C4)连接的,经过脱耦网络将输入信号(U2)加在二极管(V1,V2)上和将输出信号(U3)分出来。因此当环境温度改变时相位检测器的输出电压尽可能少地漂移,为了加在二极管(V1,V2)上电压(URF1,URF2)的对称性在从二极管(V1,V2)到变压器(UT)的导线上插入可调协的电容(C1,C2)和/或可调协的电感(L1,L2),和/或安排具有平衡的变压器(UT),用这个可以改变其输出端的电压。此发明对于大信号能够实现高精度的相位检测，但是对于小于0.7v的信号却不能精确测量，其测量电压必须大于二极管的导通电压。

发明内容

为了克服上述已有技术中存在的缺陷和不足，以实现大信号和弱信号相移的检测，本发明提出了一种能产生小角度相移并能进行检测的系统。

本发明的技术方案是按以下形式实现的：

一种能产生小角度相移并能进行检测的系统，包括激光器，1*2耦合器，传感光纤A和B,光电探测器A和B，自增益模块A和B，减法器，电压跟随器，带通滤波器，锁相放大器，数据采集卡和计算机，其特征在于1*2耦合器的1号端口接激光器；1*2耦合器的2、3号端口分别连接传感光纤A和B,传感光纤A和B的输出端分别与光电探测器A和光电探测器B相连，光电探测器A和B的输出端分别连接到自增益模块A和B，自增益模块A和B的输出端分别与减法器的两输入端相连，减法器之后依次连接电压跟随器、带通滤波器、锁相放大器、数据采集卡和计算机。

所述的激光器为中心波长1370nm，输出功率10mw的激光器。

所述的耦合器为1:1的1*2耦合器。

所述的传感光纤A和B为FC/APC型0.14dB的传感光纤。

所述的光电探测器A和B为PIN型铟镓砷、响应度0.8安/瓦的单模光纤耦合光电探测器。

所述的自增益模块A和B为凌智电子生产的10M带宽的自增益模块。

所述的减法器为ad8221芯片。

所述的电压跟随器为3140芯片。

所述的带通滤波器为uaf42芯片。

所述的锁相放大器为ad630芯片组成的锁相放大器。

所述的数据采集卡为150M单通道数据采集卡。

一种利用上述系统进行小角度相移检测的方法，包括相移的产生和相移的测量，该方法步骤如下：

1)相移的产生

a、将上述系统的光路和电路连接好，给激光器及各电路通电；

b、调整好光路，使激光器输出的激光入射到1*2耦合器的1号端口即输入端口，1*2耦合器的输出端口即2号端口连接长度为x₁的传感光纤，该传感光纤的另一端与光电探测器A相连；1*2耦合器的另一输出端口即3号端口连接长度为x₂的传感光纤，传感光纤x₂与光电探测器B相连；

c、两束激光分别经长度为x₁、x₂的传感光纤后分别到达光电探测器A、B的输入端，x₁、x₂两者间将会产生Δx＝x₁-x₂的光程差，由于石英的折射率为1.5，所以光在光纤中的传播速度为：其中v₀为光在真空种的传播速度，因此两路光信号产生相移的公式为： $\mathrm{\Δt}=\frac{\mathrm{\Δx}}{v}---\left(1\right),$

其中：Δt为两路激光信号分别经长度为x₁、x₂的传感光纤后产生的相移，v为激光在光纤中的传播速度，由公式(1)可得出Δt；

d、由于得出Δt，激光器的驱动信号频率为f，因此光电探测器A、B输出的两路电信号的相移为ΔT＝2πfΔt    (2)

其中：ΔT为光电探测器A、B输出的两路电信号的相移，将步骤c得出的Δt以及激光器的驱动信号频率f带入由公式(2)中即可得出相移为ΔT；

2)相移的测量

a、将光电探测器A、B的输出端分别连接到自增益模块A和B,由于1:1的耦合器很难做到精确地1:1分光，并且光电探测器的外围电路也很难做到放大倍数相等，从而使得光电探测器A、B两输出端的电信号幅值不相等，而自增益模块的作用就是不管输入信号幅值是多少其输出信号的幅值是定值，因此自增益模块A和B的输出端为具有相移且幅值相等的两路正弦电信号

b、自增益模块A和B的输出端分别送入减法器的两个输入端，两正弦信号经减法器相减之后还是正弦信号，由于两信号的相移非常小,接近为0，因而减法器的一路输入信号与输出信号的相移θ₂约为90°，减法器的两个输入信号的相移θ₁的正切表示为其中E为减法器的一路输入信号的幅值，E₀为减法器的输出信号的幅值，通过测量减法器输出端信号的幅值就能得到两信号的相移θ₁；

c、由于减法器的输出阻抗很大因此需要在减法器输出端加入电压跟随器，使其幅值不变输出阻抗减小，减法器输出端信号含有很大的高频和低频噪声，因此在电压跟随器之后接带通滤波器，带通滤波器将高、低频噪声滤除掉后便得到噪声很小的正弦信号；

d、带通滤波器输出的正弦信号送入锁相放大器，使交流信号转化成直流，得到的直流值就是E₀的有效值 $E_1=\frac{\sqrt{2}}{2}{E}_0;$

e、为了精确得到直流值，锁相放大器之后与数据采集卡相连，然后数据采集卡与计算机相连，用计算机将数据采集卡多次采集到的数据求平均，得到E₀有效值E₁的精确直流值E₂，将得到的精确值代入下式中，通过公式由计算机计算即可得到相移。

本发明具有以下优点：利用本发明系统能够精确和稳定的产生小角度相移，并且能够检测到弱信号的相移，本发明系统及测量方法结构简单，成本很低，适合工业生产。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图。

其中：1为激光器，2为1*2耦合器1号端口，3为1*2耦合器，4为1*2耦合器的2号端口，5为1*2耦合器的3号端口，6为传感光纤A，7为光电探测器A,8为自增益模块A，9为传感光纤B，10为光电探测器B，11为自增益模块B，12为减法器，13为电压跟随器，14为带通滤波器，15为锁相放大器，16为数据采集卡，17为计算机。

图2是本发明一种能产生小角度相移并能进行检测的系统精确测量相位角的示意图。

其中：E为减法器输入端一路输入信号的幅值，E₀为减法器输出信号的幅值，θ₁为减法器的两个输入信号间的相移，θ₂为减法器的一路输入信号与输出信号的相移。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不限于此。

实施例1：

本发明实施例1如图1所示，一种能产生小角度相移并能进行检测的系统，包括激光器1，1*2耦合器3，传感光纤A6和B9,光电探测器A7和B10，自增益模块A8和B11，减法器12，电压跟随器13，带通滤波器14，锁相放大器15，数据采集卡16和计算机17，其特征在于1*2耦合器3的1号端口2接激光器1；1*2耦合器3的2、3号端口分别连接传感光纤A6和B9,传感光纤A6和B9的输出端分别与光电探测器A7和光电探测器B10相连，光电探测器A7和B10的输出端分别连接到自增益模块A8和B11，自增益模块A8和B11的输出端分别与减法器12的两输入端相连，减法器12之后依次连接电压跟随器13、带通滤波器14、锁相放大器15、数据采集卡16和计算机17。

所述的激光器1为中心波长1370nm，输出功率10mw的激光器。

所述的1*2耦合器3为1:1的1*2耦合器。

所述的传感光纤A和B为FC/APC型0.14dB的传感光纤。

所述的光电探测器A和B为PIN型铟镓砷、响应度0.8安/瓦的单模光纤耦合光电探测器。

所述的自增益模块A和B为凌智电子生产的10M带宽的自增益模块。

所述的减法器12为ad8221芯片。

所述的电压跟随器13为3140芯片。

所述的带通滤波器14为uaf42芯片。

所述的锁相放大器15为ad630芯片组成的锁相放大器。

所述的数据采集卡16为150M单通道数据采集卡。

实施例2：

一种利用上述系统进行小角度相移检测的方法，包括相移的产生和相移的测量，该方法步骤如下：

1)相移的产生

a、将上述系统的光路和电路连接好，给激光器及各电路通电；

b、调整好光路，使激光器输出的激光入射到1*2耦合器的1号端口即输入端口，1*2耦合器的输出端口即2号端口连接长度为x₁的传感光纤，该传感光纤的另一端与光电探测器A相连；1*2耦合器的另一输出端口即3号端口连接长度为x₂的传感光纤，传感光纤x₂与光电探测器B相连；

c、两束激光分别经长度为x₁、x₂的传感光纤后分别到达光电探测器A、B的输入端，x₁、x₂两者间将会产生Δx＝x₁-x₂的光程差，由于石英的折射率为1.5，所以光在光纤中的传播速度为：其中v₀为光在真空种的传播速度，因此两路光信号产生相移的公式为： $\mathrm{\Δt}=\frac{\mathrm{\Δx}}{v}---\left(1\right),$

其中：Δt为两路激光信号分别经长度为x₁、x₂的传感光纤后产生的相移，v为激光在光纤中的传播速度，由公式(1)可得出Δt；

d、由于得出Δt，激光器的驱动信号频率为f，因此光电探测器A、B输出的两路电信号的相移为ΔT＝2πfΔt    (2)

其中：ΔT为光电探测器A、B输出的两路电信号的相移，将步骤c得出的Δt以及激光器的驱动信号频率f带入由公式(2)中即可得出相移为ΔT；

2)相移的测量

a、将光电探测器A、B的输出端分别连接到自增益模块A和B,由于1:1的耦合器很难做到精确地1:1分光，并且光电探测器的外围电路也很难做到放大倍数相等，从而使得光电探测器A、B两输出端的电信号幅值不相等，而自增益模块的作用就是不管输入信号幅值是多少其输出信号的幅值是定值，因此自增益模块A和B的输出端为具有相移且幅值相等的两路正弦电信号

b、自增益模块A和B的输出端分别送入减法器的两个输入端，两正弦信号经减法器相减之后还是正弦信号，由于两信号的相移非常小,接近为0，因而减法器的一路输入信号与输出信号的相移θ₂约为90°，减法器的两个输入信号的相移θ₁的正切表示为其中E为减法器的一路输入信号的幅值，E₀为减法器的输出信号的幅值，通过测量减法器输出端信号的幅值就能得到两信号的相移θ₁；

c、由于减法器的输出阻抗很大因此需要在减法器输出端加入电压跟随器，使其幅值不变输出阻抗减小，减法器输出端信号含有很大的高频和低频噪声，因此在电压跟随器之后接带通滤波器，带通滤波器将高、低频噪声滤除掉后便得到噪声很小的正弦信号；

d、带通滤波器输出的正弦信号送入锁相放大器，使交流信号转化成直流，得到的直流值就是E₀的有效值

e、为了精确得到直流值，锁相放大器之后与数据采集卡相连，然后数据采集卡与计算机相连，用计算机将数据采集卡多次采集到的数据求平均，得到E₀有效值E₁的精确直流值E₂，将得到的精确值代入下式中，通过公式由计算机计算即可得到相移。

本发明实施例2所产生的小角度相移为0.01°，采用激光器的驱动信号为0.5v，频率为40khz的正弦信号。分别带入公式(1)、(2)得因此两路光纤长度相差13.9cm，由本发明系统精确测量出小角度相移即为0.01°。

Claims (6)

1.一种能产生小角度相移并能进行检测的系统，包括激光器，1*2耦合器，传感光纤A和B,光电探测器A和B，自增益模块A和B，减法器，电压跟随器，带通滤波器，锁相放大器，数据采集卡和计算机，其特征在于1*2耦合器的1号端口接激光器；1*2耦合器的2、3号端口分别连接传感光纤A和B,传感光纤A和B的输出端分别与光电探测器A和光电探测器B相连，光电探测器A和B的输出端分别连接到自增益模块A和B，自增益模块A和B的输出端分别与减法器的两输入端相连，减法器之后依次连接电压跟随器、带通滤波器、锁相放大器、数据采集卡和计算机。

2.如权利要求1所述的一种能产生小角度相移并能进行检测的系统，其特征在于所述的激光器为中心波长1370nm、输出功率10mw的激光器；所述的耦合器为1:1的1*2耦合器；所述的传感光纤A和B为FC/APC型0.14dB的传感光纤。

3.如权利要求1所述的一种能产生小角度相移并能进行检测的系统，其特征在于所述的光电探测器A和B为PIN型铟镓砷、响应度0.8安/瓦的单模光纤耦合光电探测器。

4.如权利要求1所述的一种能产生小角度相移并能进行检测的系统，其特征在于所述的自增益模块A和B为凌智电子生产的10M带宽的自增益模块；所述的减法器为ad8221芯片；所述的电压跟随器为3140芯片；所述的带通滤波器为uaf42芯片。

5.如权利要求1所述的一种能产生小角度相移并能进行检测的系统，其特征在于所述的锁相放大器为ad630芯片组成的锁相放大器；所述的数据采集卡为150M单通道数据采集卡。

6.一种利用权利要求1所述系统进行小角度相移检测的方法，包括相移的产生和相移的测量，该方法步骤如下：

1)相移的产生

a、将上述系统的光路和电路连接好，给激光器及各电路通电；

b、调整好光路，使激光器输出的激光入射到1*2耦合器的1号端口即输入端口，1*2耦合器的输出端口即2号端口连接长度为x₁的传感光纤，该传感光纤的另一端与光电探测器A相连；1*2耦合器的另一输出端口即3号端口连接长度为x₂的传感光纤，传感光纤x₂与光电探测器B相连；

c、两束激光分别经长度为x₁、x₂的传感光纤后分别到达光电探测器A、B的输入端，x₁、x₂两者间将会产生Δx＝x₁-x₂的光程差，由于石英的折射率为1.5，所以光在光纤中的传播速度为：其中v₀为光在真空种的传播速度，因此两路光信号产生相移的公式为： $\mathrm{\Δt}=\frac{\mathrm{\Δx}}{v}---\left(1\right),$

其中：Δt为两路激光信号分别经长度为x₁、x₂的传感光纤后产生的相移，v为激光在光纤中的传播速度，由公式(1)可得出Δt；

d、由于得出Δt，激光器的驱动信号频率为f，因此光电探测器A、B输出的两路电信号的相移为ΔT＝2πfΔt         (2)

其中：ΔT为光电探测器A、B输出的两路电信号的相移，将步骤c得出的Δt以及激光器的驱动信号频率f带入由公式(2)即可得出相移为ΔT；

2)相移的测量

a、将光电探测器A、B的输出端分别连接到自增益模块A和B,由于1:1的耦合器很难做到精确地1:1分光，并且光电探测器的外围电路也很难做到放大倍数相等，从而使得光电探测器A、B两输出端的电信号幅值不相等，而自增益模块的作用就是不管输入信号幅值是多少其输出信号的幅值是定值，因此自增益模块A和B的输出端为具有相移且幅值相等的两路正弦电信号

b、自增益模块A和B的输出端分别送入减法器的两个输入端，两正弦信号经减法器相减之后还是正弦信号，由于两信号的相移非常小,接近为0，因而减法器的一路输入信号与输出信号的相移θ₂约为90°，减法器的两个输入信号的相移θ₁的正切表示为其中E为减法器的一路输入信号的幅值，E₀为减法器的输出信号的幅值，通过测量减法器输出端信号的幅值就能得到两信号的相移θ₁；

c、由于减法器的输出阻抗很大因此需要在减法器输出端加入电压跟随器，使其幅值不变输出阻抗减小，减法器输出端信号含有很大的高频和低频噪声，因此在电压跟随器之后接带通滤波器，带通滤波器将高、低频噪声滤除掉后便得到噪声很小的正弦信号；

d、带通滤波器输出的正弦信号送入锁相放大器，使交流信号转化成直流，得到的直流值就是E₀的有效值

e、为了精确得到直流值，锁相放大器之后与数据采集卡相连，然后数据采集卡与计算机相连，用计算机将数据采集卡多次采集到的数据求平均，得到E₀有效值E₁的精确直流值E₂，将得到的精确值代入下式中，通过公式由计算机计算即可得到相移。