CN106840370A - 一种光纤干涉式检波器共振频率测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤干涉式检波器共振频率测量装置及测量方法。该测量装置主要包括光源、隔离器、环形器、1×2光纤耦合器、光纤干涉型检波器、振动台、光电探测器、频域分析器。由光源发出的一束光，经过隔离器，从环形器的a端口进入，从环形器的b端口输出，进入一个1×2光纤耦合器，分成两束光，这两束光分别连接在光纤干涉型检波器内光纤干涉臂上。通过改变振动台的振动频率，带动光纤干涉型检波器以不同的频率振动。光纤干涉型检波器内光纤干涉臂反射光在耦合器中发生干涉，经过环形器的c端口输出，入射到光电探测器，然后进入频域分析器进行频谱分析。本发明测量速度快，提高了测量效率；测量精度高，动态响应范围大。

Description

一种光纤干涉式检波器共振频率测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于检测仪器领域，一种光纤干涉式检波器共振频率测量装置及测量方法。

背景技术

共振现象在日常生活、工业生产以及研究领域经常发生，共振频率是指一个物理系统在特定频率下，以最大振幅做振动的情形。换句话讲，共振频率是指发生共振现象时的频率。共振频率并不是固有频率。固有频率是某种物质特有的固定振动频率。所以，在达到最大振幅时，共振频率和固有频率才是相等的，但是两个概念却是不同的。

共振频率是检波器的一项重要性能指标，它的大小直接影响干涉仪的测量范围的大小，决定能检测信号的有效起始频率，所以测量检波器的共振频率是必要的。

为了测量光纤干涉式检波器的共振频率，通常采用的是测量灵敏度曲线的方法(N.Zeng,C.Z.Shi,et,al.A 3-component fiber-optic accelerometer for welllogging.Optics Communications 234(2004)153–162)，这种方法需要相位生成载波解调模块，并进行逐点扫描记录以获得整个灵敏度曲线，这种方式需要对解调模块进行调整，研发周期长且难度大，获取共振频率的耗时长。

发明内容

本发明目的在于提供一种光纤干涉式检波器共振频率测量装置及测量方法。本发明是针对光纤干涉式振动测量系统，提供一种快速准确测量光纤干涉型检波器共振频率装置及测量方法，从而达到确定其能检测信号的有效起始频率。

本发明之光纤干涉式检波器共振频率测量装置包括光源、隔离器、环形器、1×2光纤耦合器、光纤干涉型检波器、振动台、光电探测器和频域分析器，光源与隔离器连通，隔离器与环形器的a端口连通，环形器的b端口与1×2光纤耦合器连通，1×2光纤耦合器与光纤干涉型检波器连通，光纤干涉型检波器固定在振动台上；环形器的c端口与光电探测器连接，光电探测器与频域分析器连接。

开启光源，由光源发出的一束光，经过隔离器，从环形器的a端口进入，从环形器的b端口输出，进入一个1×2光纤耦合器，分成两束光，这两束光分别连接在光纤干涉型检波器内光纤干涉臂上；光纤干涉型检波器固定在振动台上，通过改变振动台的振动频率，带动光纤干涉型检波器以不同的频率振动，光纤干涉型检波器内光纤干涉臂反射光在1×2光纤耦合器中发生干涉，经过环形器的c端口输出，入射到光电探测器，然后进入频域分析器进行频谱分析。

本发明之光纤干涉式检波器共振频率测量方法，包括以下三个阶段：实施受迫振动、记录光电探测信号频谱分量、测定共振频率。

一、实施受迫振动，把设定的频率正弦信号施加在振动台上带动光纤干涉型检波器以该频率实施受迫振动；

二、记录光电探测信号频谱分量，振动台的幅度将振动台的振动频率从低频扫描到高频，记录光电探测信号的频谱分量；

三、测定共振频率，测定出上述频谱分量最多时振动台振动的频率从而检测出最佳共振频率。

本发明的有益效果：

一、测量速度快，提高了测量效率。

二、运用光纤干涉测量原理，测量精度高，动态响应范围大。

三、不用外加传感器，直接应用干涉光路进行测量，简单便捷。

附图说明

图1为本发明的光纤干涉式检波器共振频率测量装置结构示意图。

图2是本发明的光纤干涉式检波器共振频率测量的方法流程图。

图3是振动台在不同频率振动时频域分析器所得的频谱信息图。

图4是随着振动台进行扫频振动时谐波分量信息图。

具体实施方式

如图1所示，本发明之光纤干涉式检波器共振频率测量装置包括光源1、隔离器2、环形器3、1×2光纤耦合器4、光纤干涉型检波器5、振动台6、光电探测器7和频域分析器8，光源1与隔离器2连通，隔离器2与环形器3的a端口连通，环形器3的b端口与1×2光纤耦合器4连通，1×2光纤耦合器4与光纤干涉型检波器5连通，光纤干涉型检波器5固定在振动台6上；环形器3的c端口与光电探测器7连接，光电探测器7与频域分析器8连接。

开启光源1，由光源1发出的一束光，经过隔离器2，从环形器的3的a端口进入，从环形器3的b端口输出，进入一个1×2光纤耦合器4，分成两束光，这两束光分别连接在光纤干涉型检波器5内光纤干涉臂上；光纤干涉型检波器5固定在振动台6上，通过改变振动台6的振动频率，带动光纤干涉型检波器5以不同的频率振动，光纤干涉型检波器5内光纤干涉臂反射光在1×2光纤耦合器4中发生干涉，经过环形器3的c端口输出，入射到光电探测器7，然后进入频域分析器8进行频谱分析。

如图2所示，本发明的光纤干涉式检波器共振频率测量方法，包括以下三个步骤：

一、实施受迫振动

打开振动台6电源，打开光源1，预热1个小时，通过振动台6的设定把一定频率正弦信号施加在振动台6上带动光纤干涉型检波器以该频率实施受迫振动，振动引起的干涉条纹变化表现为光纤输出光强的变化。此时的干涉信号光强为：

I(t)＝I₀+I₀kcos(φ(t)+φ₀)

这里，I₀为光源初始光强，k为干涉条纹可见度，φ(t)＝Ccosω_Ct为振动引起的干涉仪相位变化，φ₀为干涉仪初始相位差。

二、记录光电探测信号频谱分量

将振动台6的振动频率从低频扫描到高频，记录光电探测信号的频谱分量，光电探测器7探测的交流项进行频域展开有如下形式：

C为调制深度，J_m(C)为m阶第一类贝塞尔函数，ω_C为调制信号角频率。

三、测定共振频率

测定出上述频谱分量最多时振动台6振动的频率从而确定其最佳共振频率。从光电探测器7的交流项频域展开形式可知，信号的频域成分与调制深度C正相关，调制深度C越大，频谱分量越多，当振动台6的振动幅度不变而共振现象发生时，调制深度最大，干涉信号的频谱分量最多，从而检测出最佳共振频率。

图3是频域分析器所测频域信息，图3中的(a)、(b)、(c)分别是在200Hz、250Hz、300Hz振动频率下的频域测量结果。图(a)的频域分量最高为3000Hz，谐波数量为15阶谐波；图(b)的频域分量最高为4.15×10⁴Hz，谐波数量为166阶谐波；图(c)的频域分量最高为6300Hz，谐波数量为21阶谐波。

图4是在振动台进行从低到高的扫频测试时，各频率点的谐波分量数值，横坐标表示振动频率，纵坐标表示测量的谐波分量值，这个结果表明在振动频率从200Hz增加至300Hz过程中，频域分量先增加后减少，在250Hz振动时频域分量出现最多，因此250Hz就是光纤干涉式检波器5的共振频率测量结果。

Claims (3)

1.一种光纤干涉式检波器共振频率测量装置，其特征在于：包括光源(1)、隔离器(2)、环形器(3)、1×2光纤耦合器(4)、光纤干涉型检波器(5)、振动台(6)、光电探测器(7)和频域分析器(8)，光源(1)与隔离器(2)连通，隔离器(2)与环形器(3)的a端口连通，环形器(3)的b端口与1×2光纤耦合器(4)连通，1×2光纤耦合器(4)与光纤干涉型检波器(5)连通，光纤干涉型检波器(5)固定在振动台(6)上；环形器(3)的c端口与光电探测器(7)连接，光电探测器(7)与频域分析器(8)连接；

开启光源(1)，由光源(1)发出的一束光，经过隔离器(2)，从环形器的(3)a端口进入，从环形器(3)的b端口输出，进入一个1×2光纤耦合器(4)，分成两束光，这两束光分别连接在光纤干涉型检波器(5)内光纤干涉臂上；光纤干涉型检波器(5)固定在振动台(6)上，通过改变振动台(6)的振动频率，带动光纤干涉型检波器(5)以不同的频率振动，光纤干涉型检波器(5)内光纤干涉臂反射光在1×2光纤耦合器(4)中发生干涉，经过环形器(3)的c端口输出，入射到光电探测器(7)，然后进入频域分析器(8)进行频谱分析。

2.一种权利要求1所述光纤干涉式检波器共振频率测量装置的测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

一、实施受迫振动，把设定的频率正弦信号施加在振动台(6)上带动光纤干涉型检波器(5)以该频率实施受迫振动；

二、记录光电探测信号频谱分量，振动台(6)的幅度将振动台(6)的振动频率从低频扫描到高频，记录光电探测信号的频谱分量；

三、测定共振频率，测定出上述频谱分量最多时振动台(6)振动的频率从而检测出最佳共振频率。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特在在于：具体步骤如下：

一、实施受迫振动

打开振动台(6)电源，打开光源(1)，预热1个小时，通过振动台(6)的设定把一定频率正弦信号施加在振动台(6)上带动光纤干涉型检波器(5)以该频率实施受迫振动，振动引起的干涉条纹变化表现为光纤输出光强的变化，此时的干涉信号光强为：

I(t)＝I₀+I₀kcos(φ(t)+φ₀)

这里，I₀为光源初始光强，k为干涉条纹可见度，φ(t)＝Ccosω_Ct为振动引起的干涉仪相位变化，φ₀为干涉仪初始相位差；

(2)记录光电探测信号频谱分量

将振动台(6)的振动频率从低频扫描到高频，记录光电探测信号的频谱分量，光电探测器(7)探测的交流项进行频域展开有如下形式：

$\begin{array}{c}{I}_{0}k\cos \left(\mathrm{\φ}\right(t)+{\mathrm{\φ}}_0)=I_{0}k\{J_0\left(C\right)+2\underset{m=1}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\Σ}}{(-1)}^m{J}_{2m}\left(C\right)\cos 2{\mathrm{m\ω}}_{C}t\}{\mathrm{cos\φ}}_0\\ +I_{0}k\left\{2\underset{m=1}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\Σ}}{(-1)}^m{J}_{2m-1}\left(C\right)\cos 2(m-1){\mathrm{\ω}}_{C}t\right\}{\mathrm{sin\φ}}_0\end{array}$

C为调制深度，C为调制深度，J_m(C)为m阶第一类贝塞尔函数，ω_C为调制信号角频率。

(3)测定共振频率

测定出上述频谱分量最多时振动台(6)振动的频率从而确定其最佳共振频率，从光电探测器(7)的交流项频域展开形式可知，信号的频域成分与调制深度C正相关，调制深度C越大，频谱分量越多，当振动台(6)的振动幅度不变而共振现象发生时，调制深度C最大，干涉信号的频谱分量最多，从而检测出最佳共振频率。