CN108957096B - 基于微气泡腔机械模式频率调谐的直流电压信号检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于微气泡腔机械模式频率调谐的直流电压信号检测系统，本发明的信号发生器与可调谐激光器的电压调谐端口连接，可调谐激光器的光输出端依次连接光隔离器、衰减器、偏振控制器，偏振控制器输出端连接光纤锥输入端，光纤锥中的光场通过倏逝波耦合进出谐振腔，光纤锥的输出端与光电探测器的接收端相连。探测器输出的电压信号送入谱仪输入端。本发明解决了现有的光学谐振腔利用光学模式解调电压信号时精度不高的问题，通过利用机械模式频率变化来检测直流电压信号，可以获得更高的精度。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种基于微气泡腔机械模式可调谐特性的微弱直流电压信号检测系统，具体涉及一种通过电压调谐瓶状微腔的机械模式频率的传感系统，属于光学领域。
背景技术
微弱电压信号检测在电学信号处理中具有很重要的作用，电学系统一般输出的信号都是电压信号，微弱电压信号检测能力会影响传感系统的工作性能。电压传感器的灵敏度决定了各种输出电压信号的传感系统的性能，高灵敏度的电压检测系统可以提升传感系统的精度，为传感器的应用提供更多选择。基于光学谐振腔的电压传感器具有易集成、功耗低、灵敏度高、抗电磁干扰等天然优势，为高精度电压检测提供了技术手段。目前光学手段进行的直流电压检测多数是基于谐振腔的光学模式的调谐特性进行的，在电压作用下，腔的光学谐振频率发生变化，进而解调所施加的电压值。为满足高精度电压检测需求，我们提出了一种基于微气泡腔机械模式可调谐特性的微弱直流电压信号检测系统，利用该系统进行电压检测时，可以检测到比利用光学谐振腔光学模式调谐特性的直流电压检测系统更弱的电压信号。
发明内容
本发明的目的在于，提出了一种基于微气泡腔机械模式可调谐特性的微弱直流电压信号检测系统，可用于高精度的直流电压信号检测。
基于微气泡腔机械模式频率调谐的直流电压信号检测系统，包括信号发生器、可调谐激光器、隔离器、衰减器、偏振控制器、光纤锥、微气泡腔、电致伸缩介质、电极、胶水、光电探测器、谱仪；所述的信号发生器输出的电压信号送入可调谐激光器的电压调谐端口，可调谐激光器的出射端与隔离器的输入端连接，隔离器的输出端与衰减器的输入端连接，衰减器的输出端与光纤锥输入端之间的光纤上设置有偏振控制器；光纤锥输出的光场通过倏逝波耦合的方式进入微气泡腔内，微气泡腔的两端用胶水固定在电致伸缩介质上，电致伸缩介质两端装有电极；微气泡腔内光场经过光纤锥耦合输出至光电探测器的接收端，光电探测器输出的信号进入谱仪；传感系统中可调谐激光器、隔离器、衰减器、偏振控制器、光纤锥、光电探测器之间的连接均采用光纤连接；信号发生器与可调谐激光器的电压调谐端口、光电探测器与谱仪之间使用两端口通用的电学线缆连接。
作为优选，所述的微气泡腔的材料为二氧化硅。
作为优选，所述的微气泡腔的壁厚保证光在其内传输时会有倏逝波存在于谐振腔的外表面。
作为优选，所述的电致伸缩介质可以是PZT或其它在电压信号作用下会发生形变的介质，并保证微气泡腔的机械模式发生变化即可。
作为优选，所述的可调谐激光器的调谐范围要满足探测需求，波段选用通讯波段，且与光电探测器的接收波段相匹配。
作为优选，所述的偏振控制器的偏振状态要保证腔模式的光学品质因数最高，使得更多的光局域在腔内。
作为优选，所述的谱仪的分辨率选择要保证能分辨出腔的机械模式。
本发明中的电压信号检测系统在进行电压信号检测时，相比利用谐振腔光学模式频率变化的电压信号检测，在同样的条件下具有更高的灵敏度。同时，光纤与微气泡腔的耦合系统尺寸较小，易于集成。
附图说明
图1为发明的一种基于微气泡腔机械模式可调谐特性的微弱直流电压信号检测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施方式：
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的基于微气泡腔机械模式可调谐特性的微弱直流电压信号检测系统包括信号发生器1、可调谐激光器2、隔离器3、衰减器4、偏振控制器5、光纤锥6、微气泡腔7、电致伸缩介质8、电极9、胶水10、光电探测器11、谱仪12。其中，信号发生器1输出的电压信号送入可调谐激光器2的电压调谐端口，可调谐激光器2的出射端与隔离器3的输入端连接，隔离器3的输出端与衰减器4的输入端连接，衰减器4的输出端与光纤锥6输入端之间的光纤上设置有偏振控制器5。光纤锥6输出的光场通过倏逝波耦合的方式进入微气泡腔7内，腔内光场也可以经过光纤锥6耦合输出至光电探测器11的接收端，光电探测器11输出的信号进入谱仪12。传感系统中可调谐激光器2、隔离器3、衰减器4、偏振控制器5、光纤锥6、光电探测器11之间的连接均采用光纤连接；信号发生器1与可调谐激光器2的电压调谐端口、光电探测器11与谱仪12之间使用两端口通用的电学线缆连接。外界电压信号通过电极9施加在电致伸缩介质8上，使其发生形变，进而导致用胶水10粘结在电致伸缩介质8上的微气泡腔7的机械模式发生变化，因而谱仪12上测量的腔的透射场的频谱中将包含外加电压的信息，通过数据处理可以解调出外界电压信号。此外，所述的谱仪12也可以利用数据采集卡和数据处理软件来替代。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的基于微气泡腔机械模式可调谐特性的微弱直流电压信号检测系统的进一步限定。先将微气泡腔7两端通过三维调整架放置在电致伸缩介质8上，在保证腔7的中间部分不接触电致伸缩介质8的前提下，利用胶水10将二者接触的位置固定。其中，电致伸缩介质两端连接电极9。光纤锥6可将光场耦合进入微气泡腔7中。微气泡腔7可以替换为柱状微腔、或其它形状的微腔，只要保证机械模式的频率在电致伸缩介质形变时发生变化、且光源输出的光场在其内可以低损耗的传输，同时在腔外表面存在倏逝波即可。电致伸缩介质8的形状可以根据需求自由设计，只要保证能在施加电压信号时发生形变，并导致谐振腔的机械模式的频率发生变化即可。在检测电压信号时，将该电致伸缩介质两端的电极接入电压信号，通过谱仪11探测到的机械模式频率的变化可以解调出待测电压信号的变化。
Claims (7)
1.基于微气泡腔机械模式频率调谐的直流电压信号检测系统，包括信号发生器(1)、可调谐激光器(2)、隔离器(3)、衰减器(4)、偏振控制器(5)、光纤锥(6)、微气泡腔(7)、电致伸缩介质(8)、电极(9)、胶水(10)、光电探测器(11)、谱仪(12)；其特征在于，信号发生器(1)输出的电压信号送入可调谐激光器(2)的电压调谐端口，可调谐激光器(2)的出射端与隔离器(3)的输入端连接，隔离器(3)的输出端与衰减器(4)的输入端连接，衰减器(4)的输出端与光纤锥(6)输入端之间的光纤上设置有偏振控制器(5)；光纤锥(6)输出的光场通过倏逝波耦合的方式进入微气泡腔(7)内，微气泡腔(7)的两端用胶水(10)固定在电致伸缩介质(8)上，电致伸缩介质(8)两端装有电极(9)；微气泡腔内光场经过光纤锥(6)耦合输出至光电探测器(11)的接收端，光电探测器(11)输出的信号进入谱仪(12)；传感系统中可调谐激光器(2)、隔离器(3)、衰减器(4)、偏振控制器(5)、光纤锥(6)、光电探测器(11)之间的连接均采用光纤连接；信号发生器(1)与可调谐激光器(2)的电压调谐端口、光电探测器(11)与谱仪(12)之间使用两端口通用的电学线缆连接；在检测电压信号时，将该电致伸缩介质两端的电极接入电压信号，通过谱仪探测到的机械模式频率的变化解调出待测电压信号的变化。
2.根据权利要求1所述的基于微气泡腔机械模式频率调谐的直流电压信号检测系统，其特征在于：所述的微气泡腔的材料为二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的基于微气泡腔机械模式频率调谐的直流电压信号检测系统，其特征在于：所述的微气泡腔的壁厚保证光在其内传输时会有倏逝波存在于谐振腔的外表面。
4.根据权利要求1所述的基于微气泡腔机械模式频率调谐的直流电压信号检测系统，其特征在于：所述的电致伸缩介质可以是PZT或其它在电压信号作用下会发生形变的介质，并保证微气泡腔的机械模式发生变化即可。
5.根据权利要求1所述的基于微气泡腔机械模式频率调谐的直流电压信号检测系统，其特征在于：所述的可调谐激光器的调谐范围要满足探测需求，波段选用通讯波段，且与光电探测器的接收波段相匹配。
6.根据权利要求1所述的基于微气泡腔机械模式频率调谐的直流电压信号检测系统，其特征在于：所述的偏振控制器的偏振状态要保证腔模式的光学品质因数最高，使得更多的光局域在腔内。
7.根据权利要求1所述的基于微气泡腔机械模式频率调谐的直流电压信号检测系统，其特征在于：所述的谱仪的分辨率选择要保证能分辨出腔的机械模式。
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