CN105043526B - 一种基于光电振荡器的振动传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光电振荡器的振动传感装置，包括激光器、一分二的光耦合器、光移相器、传感头、偏振控制器、马赫‑增德尔调制器、二合一的光耦合器、储能光纤、光电探测器、带通滤波器、射频放大器、3dB功分器、参考振荡器、混频器、低通滤波器、模数转换器和上位机。本发明采用光纤马赫增德尔调制器的一臂作为传感头，能够提高振动信号检测的灵敏度，提高检测精度。与其他无源光纤传感器相比，本发明装置将振动信息编码在振荡信号的频率上而非强度上，因此对光源功率波动的影响不敏感；与基于光纤激光器的光纤传感器方案相比，本发明装置的灵敏度更高，且其灵敏度与振荡频率无关，可采用低成本的低频器件实现，实用性强。

Description

一种基于光电振荡器的振动传感装置

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光电振荡器的振动传感装置。

背景技术

光纤传感器具有信噪比高，灵敏度高，稳定性强，耐腐蚀等特点，广泛应用于应力，温度，振动，电场等参数的测量，特别是恶劣环境下传统传感器已经无法胜任的领域，如核电、矿井、油井，大型发电机组等强辐射与电磁干扰环境下的测量。

光纤传感器可分为无源与有源两大类。典型的无源传感器包括以光纤为传感元件和以光纤光栅为传感元件的传感器。前者原理为：外界物理量变化导致光纤折射率变化，从而使其内传输的光信号的参数(相位、偏振态等)发生变化，并通过干涉检测得到待求物理量。该类传感器灵敏度高，但易受外界环境与光源光强波动的干扰，一般需通过正交解调等技术来改善其稳定性；另外，该类传感器工作于其传递函数的正交点上，动态范围非常小。以光纤光栅为传感元件的传感器原理为：外界物理量变化导致光栅布拉格波长变化，通过解调光栅反射或者透射光谱即可得到待求物理量。该类传感器结构简单，易复用，但其长期漂移较大且解调系统复杂昂贵。

常见的有源光纤传感器如光电振荡器传感器，光纤激光器传感器等。该类传感器利用振荡器的谐振腔作为敏感元件，当施加在谐振腔上的物理量变化时，谐振腔光纤由于热光效应、弹光效应等，其折射率发生变化，即等效腔长发生变化，腔内固有模式间隔也相应地变化，通过解调其振荡频率即可得到待测物理量。不同于干涉型强度解调传感器，该类传感器将传感信号编码在振荡频率上，不受激光器光强波动的影响。其中基于光纤激光器的传感器因其振荡信号为光信号，为实现解调需要工作于多模状态并拍频，然而多模拍频信号在高频率处的信噪比不高，其灵敏度受到限制。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于光电振荡器的振动传感装置，能够实现对振动信号的高灵敏度，高动态范围的解调。

一种基于光电振荡器的振动传感装置，包括：激光器、一分二的光耦合器、光移相器、传感头、偏振控制器、马赫-增德尔调制器、二合一的光耦合器、储能光纤、光电探测器、带通滤波器、射频放大器、3dB功分器、参考振荡器、混频器、低通滤波器、模数转换器和上位机；其中：

所述的激光器用于产生激光；

所述一分二的光耦合器用于将所述的激光分为传感光路和参考光路；

所述的光移相器用于对所述传感光路的光载波进行移相；

所述的传感头用于拾取外部振动信息，从而对光移相器输出传感光路的光载波进行相位调制，得到含有振动信息的相移光载波信号；

所述的偏振控制器用于调节参考光路的偏振态；

所述的马赫-增德尔调制器用于将3dB功分器输出的一路振荡信号B调制到偏振控制器输出的参考光路的光载波上，得到抑制光载波的正负一阶边带光信号；

所述二合一的光耦合器用于将所述的相移光载波信号和正负一阶边带光信号合成为一路相移载波双边带调制光信号；

所述的储能光纤用于对所述的相移载波双边带调制光信号进行延时；

所述的光电探测器用于将延时后的相移载波双边带调制光信号转换成振荡信号A；

所述的带通滤波器用于对所述的振荡信号A进行带通滤波；

所述的射频放大器用于对滤波后的振荡信号A进行功率放大；

所述的3dB功分器用于将放大后的振荡信号A分为等功率的两路振荡信号B，一路送至马赫-增德尔调制器的射频输入口，另一路送至混频器；

所述的参考振荡器用于产生与振荡信号B频率相同的参考振荡信号；

所述的混频器用于使振荡信号B与参考振荡信号进行鉴相，输出一路低频的鉴相信号；

所述的低通滤波器用于对所述的鉴相信号进行低通滤波，得到解调电压信号；

所述的模数转换器用于对所述的解调电压信号进行模数转换，得到数字信号；

所述的上位机用于对所述的数字信号进行解析，提取得到振动信息。

进一步地，所述的激光器采用窄线宽半导体激光器；利用窄线宽半导体激光器所产生的激光具有较低的相对强度噪声，有利于降低光电振荡器的相位噪声。

进一步地，所述的储能光纤采用单模光纤；成本低廉，对于频率较高的待测振动信号具有较好的灵敏度。

进一步地，所述的低通滤波器采用有源低通滤波器，可提供大于20dB的增益，以保证锁相环路的锁定带宽。

进一步地，所述的光移相器利用所述的解调电压信号对传感光路的光载波进行移相。

进一步地，所述的马赫-增德尔调制器工作在预设的最小偏置点上，将3dB功分器输出的一路振荡信号B调制到偏振控制器输出的参考光路的光载波上，得到抑制载波的双边带信号与传感光路的相移载波拍频时其输出信号只有相位变化，没有强度变化，克服了普通铌酸锂马赫增德尔调制器的传输响应随偏置点变化的缺点。

进一步地，所述的激光器、一分二的光耦合器、光移相器、传感头、偏振控制器、马赫-增德尔调制器、二合一的光耦合器、储能光纤、光电探测器、带通滤波器、射频放大器和3dB功分器组成一光电振荡器；光电振荡器能够克服光纤激光器测振中所存在的灵敏度与信噪比之间的矛盾，且光电振荡器输出信号信噪比高，相位噪声低，能够提高测量分辨率。

进一步地，所述一分二的光耦合器与光移相器组成了一个Y波导相位调制器；外界振动信号会对传感光路进行移相，Y波导相位调制器对该相移进行补偿以使光电振荡器的振荡频率保持不变。

进一步地，所述的光电振荡器、参考振荡器、混频器和低通滤波器组成了一锁相环，其用于解调光电振荡器输出的调频信号。

进一步地，所述的带通滤波器采用窄带带通滤波器，其带宽小于光电振荡器的基模频率。

进一步地，所述参考振荡器的频率等于光电振荡器无传感信号时的自由振荡频率，在此条件下低通滤波器输出电压正比于瞬时振动量。

本发明通过Y波导相位调制器将光源的光分成传感光路与参考光路，振动信号调制传感光路的相位得到相移载波，该载波与参考光路的抑制载波双边带信号经光耦合器合路后构成了光纤马赫增德尔调制器，该调制器输出信号在光电探测器中拍频后得到相位随振动信息调制的射频信号，从而使光电振荡器的振荡信号被调频。该调频信号经过由参考振荡器，混频器，低通滤波器以及光电振荡器构成的锁相环鉴频后得到传感信号输出。

本发明采用光纤马赫增德尔调制器的一臂作为传感头，能够提高振动信号检测的灵敏度，提高检测精度。与其他无源光纤传感器相比，本发明装置将振动信息编码在振荡信号的频率上而非强度上，因此对光源功率波动的影响不敏感；与基于光纤激光器的光纤传感器方案相比，本发明装置的灵敏度更高，且其灵敏度与振荡频率无关，可采用低成本的低频器件实现，实用性强。

附图说明

图1为本发明振动传感装置的结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明基于光电振荡器的振动传感装置，包括：光电振荡器、混频器14、微波信号源13、有源低通滤波器15、采集卡16以及计算机17等构成的锁相环解调装置。其中光电振荡器包括：激光器1、Y波导相位调制器2，3、传感头4、偏振控制器5、铌酸锂马赫增德尔调制器6、2X1光耦合器7、储能光纤8、光电探测器9、带通滤波器10、射频放大器11、3dB射频耦合器12。

本实施方式中，激光器1是具有3kHz线宽的半导体激光器，其输出光为相干光，具有很低的相对强度噪声与良好的抗环境干扰能力。激光器1的输出光经Y波导相位调制器后分成等功率的两路光，其中参考光路由偏振控制器5调整偏振态后进入铌酸锂马赫增德尔调制器6，以获得最小的偏振相关损耗。马赫增德尔调制器6为铌酸锂电光强度调制器，通过调节其偏置端口使其工作于最小输出点，可获得抑制载波的双边带调制。

传感光路经过光移相器3进入传感头4拾取振动信号，传感光路的光相位随振动信号变化。传感光路与参考光路经2×1光耦合器7合路后，进入储能光纤8延时，然后依次经过光电探测器9、带通滤波器10、射频放大器11与3dB射频耦合器12。储能光纤8为100m长的G.652单模光纤。采用更大长度的储能光纤，可以提高环路Q值，降低光电振荡器的相位噪声，提高传感器的检测分辨率。

3dB射频耦合器将12射频放大器11的输出的信号分为两路：一路送入铌酸锂马赫增德尔调制器6的射频输入端，构成光电振荡回路，产生振荡信号。另一路在混频器14中与射频信号源13的信号进行鉴相，然后经低通滤波器15后由采集卡16采集。射频放大器11为低噪声放大器，且能提供大于60dB的增益，以克服环路损耗，满足光电振荡器起振的阈值条件。

本实施方式中光电振荡器的振荡频率选择其基模频率的200倍，约400MHz。该振荡频率不宜选得太高，以降低传感器的成本，但也不能选得太低，否则会导致振荡阶数变化太敏感而无法起振。其中带通滤波器具有4MHz的3dB带宽，光移相器具有4π的移相范围，锁相环具有大于4MHz的锁定带宽。

本实施方式的工作原理如下：

外界振动信息改变光电振荡器环路的延时量，从而改变其振荡频率，通过锁相环技术解调其振荡频率，获得所需的振动信息。传统的基于光电振荡器的传感器是通过改变环路中储能光纤的参数，来进行传感的。但其灵敏度正比于光电振荡器的振荡频率，频率越高，灵敏度越高。受限于光电振荡器的振荡频率，其灵敏度远远小于光纤干涉仪的灵敏度。本发明使用由光纤干涉仪与其一臂上的子马赫增德尔干涉仪组成的相移载波双边带调制器来改变光电振荡器环路的附加相移，从而实现对其振荡频率的调制。该相移载波双边带调制器由外层的光纤马赫增德尔调制器与其一臂上的铌酸锂马赫增德尔调制器共同组成，其中光纤马赫增德尔调制器的另一臂被用于拾取传感信息，以改变光电振荡器腔内引入的相移。

本实施方式的光电振荡器工作于单模状态。当没有外界振动量时，其振荡频率为：

其中：N为模式的序数，取值为正整数，c为真空中的光速，n为光纤折射率，L为光电振荡器谐振腔的总长度，f_o为振荡器的振荡频率，FSR为其基模频率。

当采用光纤调制器的一臂进行传感时，系统对应力的灵敏度可表示为：

其中：ε是施加在传感光纤上的应变量，p_e为光纤的应变系数，n为光纤有效折射率，f_l为激光信号的振荡频率，L_h为传感头的长度，λ为激光器输出激光的波长。

传统的光电振荡器传感器，通过改变储能光纤参数进行传感时，其灵敏度可表示为：

比较以上二式可见，光电振荡器环路中的储能光纤引起的相移远远小于传感头的相位变化在环路中引起的相移，故外界环境对储能光纤部分的干扰可忽略不计。假设作用于传感头4上的振动信号为单频信号，该信号随时间t的变化可表示为：

ε＝a_s cos(2πf_st)

其中：a_s为光纤上的最大应变量，f_s为所施加单频信号的频率。

令从光电探测器9输出的信号为：

其中：A_s是最终从光电探测器输出信号的幅度，α是最大频偏，S(t)是一个调频信号，其瞬时频率受传感头上的振动信号调制，该调频信号由光电振荡器，鉴相器以及低通滤波器组成的锁相环解调输出，得到所需振动信息。为保证该传感器具有大的动态范围，光移相器3应具有较大的相移量，同时锁相环的设计带宽应足够大，以保证振动信息较大时锁相环仍可以工作于锁定状态，实现有效地解调。

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于光电振荡器的振动传感装置，其特征在于，包括：激光器、一分二的光耦合器、光移相器、传感头、偏振控制器、马赫-增德尔调制器、二合一的光耦合器、储能光纤、光电探测器、带通滤波器、射频放大器、3dB功分器、参考振荡器、混频器、低通滤波器、模数转换器和上位机；其中：

所述的激光器用于产生激光；

所述一分二的光耦合器用于将所述的激光分为传感光路和参考光路；

所述的光移相器利用解调电压信号对所述传感光路的光载波进行移相；

所述的传感头用于拾取外部振动信息，从而对光移相器输出传感光路的光载波进行相位调制，得到含有振动信息的相移光载波信号；

所述的偏振控制器用于调节参考光路的偏振态；

所述的马赫-增德尔调制器用于将3dB功分器输出的一路振荡信号B调制到偏振控制器输出的参考光路的光载波上，得到抑制光载波的正负一阶边带光信号；

所述二合一的光耦合器用于将所述的相移光载波信号和正负一阶边带光信号合成为一路相移载波双边带调制光信号；

所述的储能光纤用于对所述的相移载波双边带调制光信号进行延时；

所述的光电探测器用于将延时后的相移载波双边带调制光信号转换成振荡信号A；

所述的带通滤波器用于对所述的振荡信号A进行带通滤波；

所述的射频放大器用于对滤波后的振荡信号A进行功率放大；

所述的3dB功分器用于将放大后的振荡信号A分为等功率的两路振荡信号B，一路送至马赫-增德尔调制器的射频输入口，另一路送至混频器；

所述的参考振荡器用于产生与振荡信号B频率相同的参考振荡信号；

所述的混频器用于使振荡信号B与参考振荡信号进行鉴相，输出一路低频的鉴相信号；

所述的低通滤波器用于对所述的鉴相信号进行低通滤波，得到解调电压信号；

所述的模数转换器用于对所述的解调电压信号进行模数转换，得到数字信号；

所述的上位机用于对所述的数字信号进行解析，提取得到振动信息；

所述的激光器、一分二的光耦合器、光移相器、传感头、偏振控制器、马赫-增德尔调制器、二合一的光耦合器、储能光纤、光电探测器、带通滤波器、射频放大器和3dB功分器组成一光电振荡器；所述的光电振荡器、参考振荡器、混频器和低通滤波器组成了一锁相环，其用于解调光电振荡器输出的调频信号；参考振荡器的频率等于光电振荡器无传感信号时的自由振荡频率；带通滤波器采用窄带带通滤波器，其带宽小于光电振荡器的基模频率；

所述一分二的光耦合器与光移相器组成了一个Y波导相位调制器。

2.根据权利要求1所述的振动传感装置，其特征在于：所述的激光器采用窄线宽半导体激光器。

3.根据权利要求1所述的振动传感装置，其特征在于：所述的储能光纤采用单模光纤。

4.根据权利要求1所述的振动传感装置，其特征在于：所述的低通滤波器采用有源低通滤波器。

5.根据权利要求1所述的振动传感装置，其特征在于：所述的马赫-增德尔调制器工作在预设的最小偏置点上，将3dB功分器输出的一路振荡信号B调制到偏振控制器输出的参考光路的光载波上。