CN109029806B - 一种基于马赫泽德尔干涉结构的应力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种基于马赫泽德尔干涉结构的应力传感器属于光纤传感器技术领域。其主要结构有泵浦源(1)、第一光耦合器(2)、光波分复用器(3)等，本发明用正弦信号作为调制信号，不会产生高频干扰，具有工作更可靠、传感精度高、应用范围广等特点。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感器的技术领域，特别涉及一种基于马赫泽德尔干涉结构的应力传感器。
背景技术
布拉格光纤光栅(FBG)因具有抗电磁干扰、耐化学腐蚀、传输损耗小、体积小重量轻、便于大规模生产等优点，而广泛应用于传感技术领域。目前，应力传感器在工程技术领域具有广泛应用。特别是在纳米粒子相互作用，细胞力学等新兴领域，对于微应力传感器具有迫切需求，桥梁、隧道以及建筑物结构的安全监测更是离不开微应力传感器。而布拉格光纤光栅由于其上述优点使得其构成的应力传感器相比于其它传感器具有更高的可靠性，也更适合恶劣条件下的使用。
与本发明最接近的现有技术是大连理工大学李宏的硕士学位论文《分布式光纤Bragg光栅传感器解调技术的研究》，该文献提供了一种基于非平衡马赫泽德尔干涉法解调技术的布拉格光纤光栅应力传感系统(参见该文献的第5页图1.4)，该光纤传感系统采用马赫泽德尔干涉原理，在干涉仪两臂中的其中一臂上利用压电陶瓷(PZT)提供的调制信号改变该臂的长度，从而改变干涉仪输出光强，干涉仪输出光强随PZT调制信号的变化呈余弦函数规律，如果采用理想锯齿波作为PZT的调制信号，则光纤传感系统的输出直接为余弦波。光纤传感系统通过布拉格光栅感知测量点处应力的变化，并反映为反射光谱中心波长的变化，中心波长的变化经过上述马赫泽德尔干涉仪后体现为输出余弦波相位的变化，最后将余弦波的相位和锯齿波的相位相比较，即可反映出布拉格光纤光栅反射谱中心波长的变化，从而实现测量外界应力的变化。
在上述传感系统中，存在的最大问题是锯齿波不可能做到绝对的理想化，理想的锯齿波下降沿是垂直的，而实际的锯齿波的下降沿总是会有一定的坡度，从而会使后级输出的余弦波存在一个高频抖动，为了消除该高频抖动信号，一般在其后级解调电路中必须使用带通滤波器(BPF)，滤除直流分量和高频分量。但是，一方面该高频分量本身就会对余弦波的相位检测造成影响(过零点位置变化)；另一方面该高频抖动信号的频率受PZT驱动电路性能、PZT本身的迟滞特性(PZT的电特性相当于电容，其两端电压是不能跳变的，因此锯齿波的下降沿是做不到无限短的)以及光纤本身弹性等诸多因素影响，频率大小不定，很难滤除干净；而且，在使用滤波器时，除了会对输出信号的幅频特性产生影响外，还会同时对信号的相频特性产生影响，即滤波是在截止频率附近相位会受到影响，这对于依靠相位变化来测量应力变化的光纤传感器来说是十分不利的。因此，现有的布拉格光纤光栅应力传感器还需要进一步改进。
发明内容
为了克服现有的布拉格光纤光栅应力传感器存在的缺点，本发明提供一种使用正弦信号作为PZT驱动信号的一种基于马赫泽德尔干涉结构的应力传感器，从而避免了高频干扰信号的产生，且在对接收到的信号进行处理时无需使用滤波器，从而避免了滤波过程对相位产生的影响。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于马赫泽德尔干涉结构的应力传感器，其结构有，泵浦源1与第一光耦合器2的输入端相连，第一光耦合器2的90％输出端与光波分复用器3的980nm端相连，光波分复用器3的1550nm端与缠绕在第一压电陶瓷12上的光纤的一端相连，缠绕在第一压电陶瓷12上的光纤的另一端与第一光隔离器11的输入端相连，第一压电陶瓷12的控制端与第一PZT驱动电路13的输出端口相连，第一PZT驱动电路13的输入端与第一数模转换电路14的输出端口相连，第一数模转换电路14的输入端口与单片机20相连；第一光隔离器11的输出端与光滤波器10的光输入端相连，光滤波器10的电控制端与单片机20相连，光滤波器10的光输出端与光环形器8的第一端口相连，光环形器8的第二端口与布拉格光栅组9的一端相连，光环形器8的第三端口与第三光耦合器6的输入端相连，第三光耦合器6的90％输出端与第二光隔离器5的输入端相连，第二光隔离器5的输出端与掺铒光纤4的一端相连，掺铒光纤4的另一端与光波分复用器3的公共端相连；第三光耦合器6的10％输出端输出与第四光耦合器7的输入端相连，第四光耦合器7的一个输出端与第五光耦合器27的一个输入端相连，第四光耦合器7的另一个输出端与缠绕在第二压电陶瓷26上的光纤的一端相连，缠绕在第二压电陶瓷26上的光纤的另一端与第五光耦合器27的另一个输入端相连，第五光耦合器27的输出端与第二光电转换电路28的输入端相连；
其特征在于，结构还有，第二光电转换电路28的输出端与函数变换电路29的输入端相连，函数变换电路29的输出端与自适应幅度归一电路30的一个输入端相连，基准电压电路32的输出端与自适应幅度归一电路30的另一个输入端相连，自适应幅度归一电路30的输出端与相位比较电路31的一个输入端相连；第二数模转换电路23的输入端与单片机20相连，输出端与可控频率源24的输入端相连，可控频率源24的输出端与相位比较电路31的另一个输入端相连，相位比较电路31的输出端与单片机20相连；可控频率源24的输出端还与第二PZT驱动电路25的输入端相连，第二PZT驱动电路25的输出端与第二压电陶瓷26的控制端相连；第一光耦合器2的10％输出端与第二光耦合器17的一个输入端相连，第二光耦合器17的另一个输入端与无水乙醇填充光子晶体光纤16的一端相连，无水乙醇填充光子晶体光纤16的另一端与第二光耦合器17的一个输出端相连，第二光耦合器17的另一个输出端与第一光电转换电路18的输入端相连，第一光电转电路18的输出端与模数转换电路19的输入端相连，模数转换电路19的输出端与单片机20相连；单片机20还分别与输入按键15、串口通信模块21、显示屏22相连；
所述的函数变换电路29的结构为,电容C3的一端与三角函数转换器U1的管脚12及电阻R2的一端相连，电容C3的另一端作为函数变换电路29的输入端，记为端口ACOS_in，与第二光电转换电路28的输出端相连；电阻R2的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚2、3、4、5、8、11、13接地，管脚9、10与电容C2的一端及-12V电源相连，电容C2的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚6与管脚7相连，管脚16与+12V电源及电容C1的一端相连，电容C1的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚1与滑动变阻器W1的滑动端相连，滑动变阻器W1的一端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与三角函数转换器U1的管脚14相连，滑动变阻器W1的滑动端作为函数变换电路29的输出端，记为端口ACOS_out，与自适应幅度归一电路30的输入端相连；所述的三角函数转换器U1的型号为AD639；
所述的自适应幅度归一电路30的结构为，电容C11的一端与电阻R21的一端及芯片U2的管脚3相连，电阻R21的另一端接地，电容C11的另一端作为自适应幅度归一电路30的输入端，记为端口ADAPT_in，与函数变换电路29的端口ACOS_out相连；芯片U2的管脚1、管脚7、管脚8、管脚14均接地，管脚2与管脚4均与+5V电源相连，管脚11与管脚12相连并与电容C5的一端及+5V电源相连，电容C5的另一端接地；芯片U2的管脚13与电容C4的一端相连，电容C4的另一端接地；芯片U2的管脚9与电容C6的一端相连，电容C6的另一端接地；芯片U2的管脚5与电阻R20及电阻R19的一端相连，电阻R20的另一端接地，电阻R19的另一端与运放U8的输出端及电阻R17的一端相连，运放U8的正电源端接+5V电源，负电源端接地；电阻R17的另一端与电阻R15的一端及电阻R16的一端相连，并接到运放U8的反相输入端；运放U8的同相输入端与电阻R18的一端相连，电阻R18的另一端与+2.5V电源相连；电阻R15的另一端与电容C10的一端相连，并接到运放U7的输出端；运放U7的正电源端接+5V电源，负电源端接地；电容C10的另一端与滑动变阻器W3的一端及滑动端相连，并接到运放U7的反相输入端；运放U7的同相输入端与电阻R14的一端相连，电阻R14的另一端与+2.5V电源相连；滑动变阻器W3的另一端与电阻R13的一端相连；电阻R16的另一端与滑动变阻器W2的滑动端及运放U6的输出端相连，滑动变阻器W2的一端与电阻R11的一端相连；电阻R11的另一端与电阻R10的一端相连，并接到运放U6的反相输入端；运放U6的正电源端接+5V电源，负电源端接地；运放U6的同相输入端与电阻R12的一端相连，电阻R12的另一端与+2.5V电源相连；电阻R10的另一端与电阻R13的另一端及电阻R7的一端相连，并接到运放U5的输出端；电阻R7的另一端与电阻R6的一端相连，并接到运放U5的反相输入端；电阻R6的另一端接运放U4的输出端，运放U5的正电源端接+5V电源，负电源端接地；电阻R8的一端与电阻R9的一端相连，并接到运放U5的同相输入端，电阻R9的另一端与+2.5V电源相连；电阻R8的另一端作为自适应幅度归一电路30的参考电压端，与基准电压电路32的参考电压输出端相连；芯片U2的管脚10作为自适应幅度归一电路30的输出端，记为端口ADAPT_out，与相位比较电路31的一个输入端相连；芯片U2的管脚10与电容C7的一端相连，电容C7的另一端与电阻R22的一端及运放U3的同相输入端相连，电阻R22的另一端接地；电阻R3的一端与电容C8的一端及二极管D1的正极相连，并接到运放U3的反相输入端，运放U3的衬底(即管脚8)接到运放U3的反相输入端；运放U3的正电源端接+5V电源，负电源端接-5V电源；电容C8的另一端与二极管D1的负极及二极管D2的正极相连，并接到运放U3的输出端；电阻R3的另一端与电阻R4的一端及运放U4的反相输入端相连，电阻R4的另一端与二极管D2的负极及场效应管Q1的栅极相连，场效应管Q1的源极与电容C9的一端及电阻R5的一端相连，电容C9的另一端与电阻R5的另一端相连并接地；场效应管Q1的源极与场效应管Q1的漏极相连，并接到运放U4的同相输入端；运放U4的反相输入端与运放U4的衬底及运放U4的输出端相连；运放U3的正电源端接+5V电源，负电源端接-5V电源；所述的芯片U2是可变增益放大器芯片，型号是AD8367；
所述的相位比较电路31的结构为，电容C12的一端与运放U9的同相输入端及电阻R23的一端相连，电容C12的另一端作为相位比较电路31的一个输入端，记为端口PHASE_in1，与自适应幅度归一电路30的端口ADAPT_out相连；电阻R23的另一端接地；运放U9的正电源端接+5V电源，负电源端接地，反相输入端接地，输出端接D触发器U10A的CLK端；D触发器U10A的D端口接地；电容C13一端接地，另一端接D触发器U10A的PR端；电阻R24一端接D触发器U10A的PR端，另一端接D触发器U10A的Q端；D触发器U10A的CLR端接+5V电源，D触发器U10A的Q非端接D触发器U12A的PR端；电容C14的一端与运放U11的同相输入端及电阻R25的一端相连，电容C14的另一端作为相位比较电路31的另一个输入端，记为端口PHASE_in2，与可控频率源24的端口SineM_out相连；电阻R25的另一端接地；运放U11的正电源端接+5V电源，负电源端接地，反相输入端接地，输出端接D触发器U10B的CLK端；D触发器U10B的D端口接地；电容C15一端接地，另一端接D触发器U10B的PR端；电阻R26一端接D触发器U10B的PR端，另一端接D触发器U10B的Q端；D触发器U10B的CLR端接+5V电源，D触发器U10B的Q非端接D触发器U12A的CLR端；D触发器U12A的D端和CLK端均接地，Q端作为相位比较电路31的输出端，记为端口PHASE_out；
所述的基准电压电路32的结构为，电阻R27的一端接+5V电源，另一端接运放U13的同相输入端，稳压二极管D3的正极接地，负极接运放U13同相输入端，运放U13的反相输入端与输出端相连，正电源端接+5V电源，负电源端接地，输出端为+2.5V电源，各模块中的+2.5V电源均由该输出端提供；滑动变阻器W4的一端接+2.5V电源，另一端接地，滑动端接运放U14的同相输入端；运放U14的反相输入端接其输出端，正电源端接+5V电源，负电源端接地，输出端作为基准电压电路32的输出端，记为端口Vref，与自适应幅度归一电路30的参考电压端相连。
所述的可控频率源24的结构为，滑动变阻器W5的一端接+12V电源，另一端和滑动端接三极管Q2的基极；电容C16的一端接三极管Q2的基极，另一端接地；电阻R28的一端接三极管Q2的基极，另一端接地；电阻R29的一端接+12V电源，另一端接三极管Q2的集电极；电阻R30的一端接三极管Q2的发射极，另一端接地；电容C17的一端接三极管Q2的发射极，另一端接三极管Q2的集电极；电容C18的一端接三极管Q2的发射极，另一端接地；三极管Q2的集电极作为可控频率源24的输出端，记为端口SineM_out；电容C19的一端接三极管Q2的集电极，另一端与电容C20的一端及电感L1的一端相连，电容C20的另一端接变容二极管D4负极，变容二极管D4的正极接地，电感L1的另一端接地；电容C21的一端接地，另一端作为可控频率源24的输入端，记为端口SineM_in；电阻R31的一端与端口SineM_in相连，另一端与变容二极管的负极相连。
所述的泵浦源1优选980nm激光光源。
所述的布拉格光栅组9优选由3个布拉格光栅构成，每个光栅的反射率均为90％，带宽均为0.6nm，中心波长分别为1550nm、1560nm和1630nm。
有益效果：
1、本发明用正弦信号作为调制信号，与现有技术使用锯齿波信号进行调制相比，不会产生高频干扰，使得传感系统工作更可靠。
2、本发明使用自适应幅度归一电路将解调后信号的幅度自动变换成适合相位比较电路进行比较的大小，使得相位检测误差更小，有效提高了整个传感系统的传感精度。
3、与现有技术相比，本发明的调制信号频率可调，使得本发明的传感系统应用场合更广。
4、本发明具有温度补偿功能，有效克服了环境温度对传感参数的影响。
附图说明
图1是本发明的整体原理框图。
图2是本发明使用的函数变换电路的原理电路图。
图3是本发明使用的自适应幅度归一电路的原理电路图。
图4是本发明使用的相位比较电路的原理电路图。
图5是本发明使用的基准电压电路的原理电路图。
图6是本发明使用的可控频率源的原理电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的工作原理进一步说明，应理解，附图中所标注的元器件参数为以下实施例使用的优选参数，而不是对本发明保护范围的限制。
实施例1本发明的整体结构
如图1所示，本发明的整体结构有，泵浦源1(980nm激光器，最大输出功率为1W)与第一光耦合器2(OZ-OPTICS公司生产，型号为FUSED-12-1064-7/125-90/10-3U-3mm，分光比为90:10)的输入端相连，第一光耦合器2的90％输出端与光波分复用器3(980/1550nm波分复用器)的980nm端相连，光波分复用器3的1550nm端与缠绕在第一压电陶瓷12(圆柱形压电陶瓷，外径50mm，内径40mm，高50mm)上的光纤的一端相连，缠绕在第一压电陶瓷12上的光纤的另一端与第一光隔离器11(1550nm偏振无关光隔离器)的输入端相连，第一压电陶瓷12的控制端与第一PZT驱动电路13的输出端口相连，第一PZT驱动电路13(本课题组自制的装置，具体结构见专利ZL200710055865.8)的输入端与第一数模转换电路14的输出端口相连，第一数模转换电路14的输入端口与单片机20(STC89C51单片机)相连；第一光隔离器11的输出端与光滤波器10的光输入端相连，光滤波器10(Micron Optics公司生产，型号为FFP-TF-1060-010G0200-2.0)的光输出端与光环形器8(THORLABS公司生产的PIOC3-158)的第一端口相连，光环形器8的第二端口与布拉格光栅组9(反射率均为90％，带宽均为0.6nm，中心波长分别为1550nm,1560nm,1630nm的三个布拉格光栅)的一端相连，光环形器8的第三端口与第三光耦合器6(OZ-OPTICS公司生产，型号为FUSED-12-1064-7/125-90/10-3U-3mm，分光比为90:10)的输入端相连，其中光环形器8的3个端口的关系是：第一端口进入的光只能从第二端口输出，第二端口进入的光只能从第三端口输出，第三端口进入的光只能从第一端口输出。第三光耦合器6的90％输出端与第二光隔离器5(1550nm偏振无关光隔离器)的输入端相连，第二光隔离器5(1550nm偏振无关光隔离器)的输出端与掺铒光纤4(美国Nufern公司生产的SM-ESF-7/125掺铒光纤)的一端相连，掺铒光纤4的另一端与波分复用器3的公共端相连。上述结构组成了光纤传感器的基本光源部分和传感部分。第三光耦合器6的10％输出端输出与第四光耦合器7(1×2标准单模光耦合器，分光比为50：50)的输入端相连，第四光耦合器7的一个输出端与第五光耦合器27(1×2标准单模光耦合器，分光比为50：50)的一个输入端相连，第四光耦合器7(1×2标准单模光耦合器，分光比为50：50)的另一个输出端与缠绕在第二压电陶瓷26上的光纤的一端相连，缠绕在第二压电陶瓷26(圆柱形压电陶瓷，外径50mm，内径40mm，高50mm)上的光纤的另一端与第五光耦合器27的另一个输入端相连，第五光耦合器27的输出端与第二光电转换电路28的输入端相连。上述第四光耦合器7、第五光耦合器27以及第二压电陶瓷26共同组成马赫泽德尔干涉结构。
本发明的结构还有，第二光电转换电路28的输出端与函数变换电路29的输入端相连，函数变换电路29的输出端与自适应幅度归一电路30的一个输入端相连，基准电压电路32的输出端与自适应幅度归一电路30的另一个输入端相连，自适应幅度归一电路30的输出端与相位比较电路31的一个输入端相连；第二数模转换电路23的输入端与单片机20相连，输出端与可控频率源24的输入端相连，可控频率源24的输出端与相位比较电路31的另一个输入端相连，相位比较电路31的输出端与单片机20相连；可控频率源24的输出端还与第二PZT驱动电路25(本课题组自制的装置，具体结构见专利ZL200710055865.8)的输入端相连，第二PZT驱动电路25的输出端与第二压电陶瓷26的控制端相连。上述结构组成了传感器的解调部分。第一光耦合器2的10％输出端与第二光耦合器17(2×2标准单模光耦合器，分光比为50：50)的一个输入端相连，第二光耦合器17的另一个输入端与无水乙醇填充光子晶体光纤16的一端相连，无水乙醇填充光子晶体光纤16(由NKT Photonics公司生产的PM-1550-01光子晶体光纤的空气孔填充无水乙醇构成)的另一端与第二光耦合器17的一个输出端相连，第二光耦合器17的另一个输出端与第一光电转换电路18的输入端相连，第一光电转电路18的输出端与模数转换电路19的输入端相连，模数转换电路19的输出端与单片机20相连。上述结构为本发明提供了温度补偿功能。单片机20还分别与输入按键15、串口通信模块21(MAX232)、显示屏22相连，用于设置参数、与计算机通信以及显示信息等功能。
实施例2函数变换电路
如图2所示，本发明所使用的函数变换电路29的结构为,电容C3的一端与三角函数转换器U1(AD639)的管脚12及电阻R2的一端相连，电容C3的另一端作为函数变换电路29的输入端，记为端口ACOS_in，与第二光电转换电路28的输出端相连；电阻R2的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚2、3、4、5、8、11、13接地，管脚9、10与电容C2的一端及-12V电源相连，电容C2的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚6与管脚7相连，管脚16与+12V电源及电容C1的一端相连，电容C1的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚1与滑动变阻器W1的滑动端相连，滑动变阻器W1的一端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与三角函数转换器U1的管脚14相连，滑动变阻器W1的滑动端作为函数变换电路29的输出端，记为端口ACOS_out，与自适应幅度归一电路30的输入端相连；所述的三角函数转换器U1的型号为AD639。该电路具有反余弦变换功能，将第二光电转换电路28输出的信号进行反余弦处理。
实施例3自适应幅度归一电路
由于函数变换电路29输出的信号幅度较小，且受光路及电路中多个参数的影响，大小不定，因此本发明设计了自适应幅度归一电路30，用来将函数变换电路29输出的信号的幅度归一化成最佳大小，以进一步提高解调的精度。具体结构为，电容C11的一端与电阻R21的一端及芯片U2的管脚3相连，电阻21的另一端接地，电容C11的另一端作为自适应幅度归一电路30的输入端，记为端口ADAPT_in，与函数变换电路29的端口ACOS_out相连；芯片U2的管脚1、管脚7、管脚8、管脚14均接地，管脚2与管脚4均与+5V电源相连，管脚11与管脚12相连并与电容C5的一端及+5V电源相连，电容C5的另一端接地；芯片U2的管脚13与电容C4的一端相连，电容C4的另一端接地；芯片U2的管脚9与电容C6的一端相连，电容C6的另一端接地；芯片U2的管脚5与电阻R20及电阻R19的一端相连，电阻R20的另一端接地，电阻R19的另一端与运放U8的输出端及电阻R17的一端相连，运放U8的正电源端接+5V电源，负电源端接地；电阻R17的另一端与电阻R15的一端及电阻R16的一端相连，并接到运放U8的反相输入端；运放U8的同相输入端与电阻R18的一端相连，电阻R18的另一端与+2.5V电源相连；电阻R15的另一端与电容C10的一端相连，并接到运放U7的输出端；运放U7的正电源端接+5V电源，负电源端接地；电容C10的另一端与滑动变阻器W3的一端及滑动端相连，并接到运放U7的反相输入端；运放U7的同相输入端与电阻R14的一端相连，电阻R14的另一端与+2.5V电源相连；滑动变阻器W3的另一端与电阻R13的一端相连；电阻R16的另一端与滑动变阻器W2的滑动端及运放U6的输出端相连，滑动变阻器W2的一端与电阻R11的一端相连；电阻R11的另一端与电阻R10的一端相连，并接到运放U6的反相输入端；运放U6的正电源端接+5V电源，负电源端接地；运放U6的同相输入端与电阻R12的一端相连，电阻R12的另一端与+2.5V电源相连；电阻R10的另一端与电阻R13的另一端及电阻R7的一端相连，并接到运放U5的输出端；电阻R7的另一端与电阻R6的一端相连，并接到运放U5的反相输入端；电阻R6的另一端接运放U4的输出端，运放U5的正电源端接+5V电源，负电源端接地；电阻R8的一端与电阻R9的一端相连，并接到运放U5的同相输入端，电阻R9的另一端与+2.5V电源相连；电阻R8的另一端作为自适应幅度归一电路30的参考电压端，与基准电压电路32的参考电压输出端相连；芯片U2的管脚10作为自适应幅度归一电路30的输出端，记为端口ADAPT_out，与相位比较电路31的一个输入端相连；芯片U2的管脚10与电容C7的一端相连，电容C7的另一端与电阻R22的一端及运放U3的同相输入端相连，电阻R22的另一端接地；电阻R3的一端与电容C8的一端及二极管D1的正极相连，并接到运放U3的反相输入端，运放U3的衬底(即管脚8)接到运放U3的反相输入端；运放U3的正电源端接+5V电源，负电源端接-5V电源；电容C8的另一端与二极管D1的负极及二极管D2的正极相连，并接到运放U3的输出端；电阻R3的另一端与电阻R4的一端及运放U4的反相输入端相连，电阻R4的另一端与二极管D2的负极及场效应管Q1的栅极相连，场效应管Q1的源极与电容C9的一端及电阻R5的一端相连，电容C9的另一端与电阻R5的另一端相连并接地；场效应管Q1的源极与场效应管Q1的漏极相连，并接到运放U4的同相输入端；运放U4的反相输入端与运放U4的衬底及运放U4的输出端相连；运放U3的正电源端接+5V电源，负电源端接-5V电源；所述的芯片U2是可变增益放大器芯片，型号是AD8367。
实施例4相位比较电路
如图4所示，本发明使用的相位比较电路31的结构为，电容C12的一端与运放U9的同相输入端及电阻R23的一端相连，电容C12的另一端作为相位比较电路31的一个输入端，记为端口PHASE_in1，与自适应幅度归一电路30的端口ADAPT_out相连；电阻R23的另一端接地；运放U9的正电源端接+5V电源，负电源端接地，反相输入端接地，输出端接D触发器U10A的CLK端；D触发器U10A的D端口接地；电容C13一端接地，另一端接D触发器U10A的PR端；电阻R24一端接D触发器U10A的PR端，另一端接D触发器U10A的Q端；D触发器U10A的CLR端接+5V电源，D触发器U10A的Q非端接D触发器U12A的PR端；电容C14的一端与运放U11的同相输入端及电阻R25的一端相连，电容C14的另一端作为相位比较电路31的另一个输入端，记为端口PHASE_in2，与可控频率源24的端口SineM_out相连；电阻R25的另一端接地；运放U11的正电源端接+5V电源，负电源端接地，反相输入端接地，输出端接D触发器U10B的CLK端；D触发器U10B的D端口接地；电容C15一端接地，另一端接D触发器U10B的PR端；电阻R26一端接D触发器U10B的PR端，另一端接D触发器U10B的Q端；D触发器U10B的CLR端接+5V电源，D触发器U10B的Q非端接D触发器U12A的CLR端；D触发器U12A的D端和CLK端均接地，Q端作为相位比较电路31的输出端，记为端口PHASE_out。该电路将可控频率源24输出的标准正弦波与自适应幅度归一电路30输出的正弦波(其相位受布拉格光栅组9所探测的环境影响)进行相位比较，并将比较结果送入单片机20，单片机根据该相位差别，计算出布拉格光栅组9处的应力变化。
实施例5基准电压电路
所述的基准电压电路32的结构为，电阻R27的一端接+5V电源，另一端接运放U13的同相输入端，稳压二极管D3的正极接地，负极接运放U13同相输入端，运放U13的反相输入端与输出端相连，正电源端接+5V电源，负电源端接地，输出端为+2.5V电源，为自适应幅度归一电路30提供+2.5V电源；滑动变阻器W4的一端接+2.5V电源，另一端接地，滑动端接运放U14的同相输入端；运放U14的反相输入端接其输出端，正电源端接+5V电源，负电源端接地，输出端作为基准电压电路32的输出端，记为端口Vref，与自适应幅度归一电路30的参考电压端相连，为自适应幅度归一电路30提供参考电压，以控制自适应幅度归一电路30的输出正弦波的幅度。
实施例6可控频率源
如图6所示，本发明所使用的可控频率源24的结构为，滑动变阻器W5的一端接+12V电源，另一端和滑动端接三极管Q2的基极；电容C16的一端接三极管Q2的基极，另一端接地；电阻R28的一端接三极管Q2的基极，另一端接地；电阻R29的一端接+12V电源，另一端接三极管Q2的集电极；电阻R30的一端接三极管Q2的发射极，另一端接地；电容C17的一端接三极管Q2的发射极，另一端接三极管Q2的集电极；电容C18的一端接三极管Q2的发射极，另一端接地；三极管Q2的集电极作为可控频率源24的输出端，记为端口SineM_out；电容C19的一端接三极管Q2的集电极，另一端与电容C20的一端及电感L1的一端相连，电容C20的另一端接变容二极管D4负极，变容二极管D4的正极接地，电感L1的另一端接地；电容C21的一端接地，另一端作为可控频率源24的输入端，记为端口SineM_in；电阻R31的一端与端口SineM_in相连，另一端与变容二极管的负极相连。该模块受第二数模转换电路23的控制，输出频率可调的标准正弦波，为本发明的解调部分提供所需的正弦信号。
实施例7本发明的工作原理
结合上述各实施例及各附图，说明本发明的工作原理。工作时，将布拉格光纤光栅组9放置在需要监测应力变化的各个位置(如桥梁、建筑物承重柱等)，由掺铒光纤4、光隔离器5等组成的光纤激光器环形腔为布拉格光纤光栅组9提供宽带光源，每个布拉格光纤光栅会有一个特定的反射光谱，不同的光栅，反射谱的峰值波长不同，当某个被测对象应力发生变化时，该处的布拉格光纤光栅的反射光谱峰值波长会发生相应的偏移，反射光进入由第四光耦合器7、第二压电陶瓷26、第五光耦合器27构成的马赫泽德尔干涉仪中，同时可控频率源24为马赫泽德尔干涉仪提供一个控制信号sin(ωt)，该信号在干涉仪中受布拉格光纤光栅反射的光的影响，再经第二光电转换电路28转换成电信号并由函数变换电路29的反余弦变换之后得到sin(ωt+Δθ)，该信号经自适应幅度归一电路30后幅度被调节到一个合适的大小(受基准电压电路32控制)，此时的信号与可控频率源24产生正弦信号sin(ωt)相比，相位发生了变化，通过相位比较电路31将两者的相位差检测出来并送入单片机20，该相位差实际反应了被测点的应力变化，最终实现了对被测点应力的检测。本发明在调制与解调过程中没有使用锯齿波，从而避免了锯齿波下降沿带来的高频抖动信号，在解调电路中也就不需要使用带通滤波器进行滤波，避免了对输出信号的幅频特性和相频特性产生影响。本发明利用标准正弦波信号作为PZT调制信号，在对已调制信号进行解调时，巧妙地使用函数变换电路29和自适应幅度归一电路30，将已调制信号恢复出相位受布拉格光栅组9控制的且幅度合适的正弦信号，使得在相位比较电路31中进行相位比较时，可以非常精确地比较出受控信号与原始信号的相位差，从而精确地反应传感头(即布拉格光栅组9)所探测的环境参数。
由于光纤激光器环形腔在工作时易受环境温度(一般与布拉格光纤光栅组9传感探头不在同一位置)的影响，因此本发明还设计了温度补偿功能，由无水乙醇填充光子晶体光纤16、第二光耦合器17、第一光电转换电路18、模数转换电路19构成。无水乙醇填充光子晶体光纤16是温度敏感器件，当环境温度改变时会引起通过它的激光的相位产生变化，进而改变第一光电转换电路的输出电流，再经模数转换电路19转换成数字信号输入单片机20，用于补偿光纤激光器环形腔所处的环境温度的变化给测量结果带来的误差。
Claims (3)
1.一种基于马赫泽德尔干涉结构的应力传感器，其结构有，泵浦源(1)与第一光耦合器(2)的输入端相连，第一光耦合器(2)的90％输出端与光波分复用器(3)的980nm端相连，光波分复用器(3)的1550nm端与缠绕在第一压电陶瓷(12)上的光纤的一端相连，缠绕在第一压电陶瓷(12)上的光纤的另一端与第一光隔离器(11)的输入端相连，第一压电陶瓷(12)的控制端与第一PZT驱动电路(13)的输出端口相连，第一PZT驱动电路(13)的输入端与第一数模转换电路(14)的输出端口相连，第一数模转换电路(14)的输入端口与单片机(20)相连；第一光隔离器(11)的输出端与光滤波器(10)的光输入端相连，光滤波器(10)的电控制端与单片机(20)相连，光滤波器(10)的光输出端与光环形器(8)的第一端口相连，光环形器(8)的第二端口与布拉格光栅组(9)的一端相连，光环形器(8)的第三端口与第三光耦合器(6)的输入端相连，第三光耦合器(6)的90％输出端与第二光隔离器(5)的输入端相连，第二光隔离器(5)的输出端与掺铒光纤(4)的一端相连，掺铒光纤(4)的另一端与光波分复用器(3)的公共端相连；第三光耦合器(6)的10％输出端与第四光耦合器(7)的输入端相连，第四光耦合器(7)的一个输出端与第五光耦合器(27)的一个输入端相连，第四光耦合器(7)的另一个输出端与缠绕在第二压电陶瓷(26)上的光纤的一端相连，缠绕在第二压电陶瓷(26)上的光纤的另一端与第五光耦合器(27)的另一个输入端相连，第五光耦合器(27)的输出端与第二光电转换电路(28)的输入端相连；
其特征在于，结构还有，第二光电转换电路(28)的输出端与函数变换电路(29)的输入端相连，函数变换电路(29)的输出端与自适应幅度归一电路(30)的一个输入端相连，基准电压电路(32)的输出端与自适应幅度归一电路(30)的另一个输入端相连，自适应幅度归一电路(30)的输出端与相位比较电路(31)的一个)输入端相连；第二数模转换电路(23)的输入端与单片机(20)相连，输出端与可控频率源(24)的输入端相连，可控频率源(24)的输出端与相位比较电路(31)的另一个输入端相连，相位比较电路(31)的输出端与单片机(20)相连；可控频率源(24)的输出端还与第二PZT驱动电路(25)的输入端相连，第二PZT驱动电路(25)的输出端与第二压电陶瓷(26)的控制端相连；第一光耦合器(2)的10％输出端与第二光耦合器(17)的一个输入端相连，第二光耦合器(17)的另一个输入端与无水乙醇填充光子晶体光纤(16)的一端相连，无水乙醇填充光子晶体光纤(16)的另一端与第二光耦合器(17)的一个输出端相连，第二光耦合器(17)的另一个输出端与第一光电转换电路(18)的输入端相连，第一光电转电路(18)的输出端与模数转换电路(19)的输入端相连，模数转换电路(19)的输出端与单片机(20)相连；单片机(20)还分别与输入按键(15)、串口通信模块(21)、显示屏(22)相连；
所述的函数变换电路(29)的结构为,电容C3的一端与三角函数转换器U1的管脚12及电阻R2的一端相连，电容C3的另一端作为函数变换电路(29)的输入端，记为端口ACOS_in，与第二光电转换电路(28)的输出端相连；电阻R2的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚2、3、4、5、8、11、13接地，管脚9、10与电容C2的一端及-12V电源相连，电容C2的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚6与管脚7相连，管脚16与+12V电源及电容C1的一端相连，电容C1的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚1与滑动变阻器W1的滑动端相连，滑动变阻器W1的一端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与三角函数转换器U1的管脚14相连，滑动变阻器W1的滑动端作为函数变换电路(29)的输出端，记为端口ACOS_out，与自适应幅度归一电路(30)的输入端相连；所述的三角函数转换器U1的型号为AD639；
所述的自适应幅度归一电路(30)的结构为，电容C11的一端与电阻R21的一端及芯片U2的管脚3相连，电阻R21的另一端接地，电容C11的另一端作为自适应幅度归一电路(30)的输入端，记为端口ADAPT_in，与函数变换电路(29)的端口ACOS_out相连；芯片U2的管脚1、管脚7、管脚8、管脚14均接地，管脚2与管脚4均与+5V电源相连，管脚11与管脚12相连并与电容C5的一端及+5V电源相连，电容C5的另一端接地；芯片U2的管脚13与电容C4的一端相连，电容C4的另一端接地；芯片U2的管脚9与电容C6的一端相连，电容C6的另一端接地；芯片U2的管脚5与电阻R20及电阻R19的一端相连，电阻R20的另一端接地，电阻R19的另一端与运放U8的输出端及电阻R17的一端相连，运放U8的正电源端接+5V电源，负电源端接地；电阻R17的另一端与电阻R15的一端及电阻R16的一端相连，并接到运放U8的反相输入端；运放U8的同相输入端与电阻R18的一端相连，电阻R18的另一端与+2.5V电源相连；电阻R15的另一端与电容C10的一端相连，并接到运放U7的输出端；运放U7的正电源端接+5V电源，负电源端接地；电容C10的另一端与滑动变阻器W3的一端及滑动端相连，并接到运放U7的反相输入端；运放U7的同相输入端与电阻R14的一端相连，电阻R14的另一端与+2.5V电源相连；滑动变阻器W3的另一端与电阻R13的一端相连；电阻R16的另一端与滑动变阻器W2的滑动端及运放U6的输出端相连，滑动变阻器W2的一端与电阻R11的一端相连；电阻R11的另一端与电阻R10的一端相连，并接到运放U6的反相输入端；运放U6的正电源端接+5V电源，负电源端接地；运放U6的同相输入端与电阻R12的一端相连，电阻R12的另一端与+2.5V电源相连；电阻R10的另一端与电阻R13的另一端及电阻R7的一端相连，并接到运放U5的输出端；电阻R7的另一端与电阻R6的一端相连，并接到运放U5的反相输入端；电阻R6的另一端接运放U4的输出端，运放U5的正电源端接+5V电源，负电源端接地；电阻R8的一端与电阻R9的一端相连，并接到运放U5的同相输入端，电阻R9的另一端与+2.5V电源相连；电阻R8的另一端作为自适应幅度归一电路(30)的参考电压端，与基准电压电路(32)的参考电压输出端相连；芯片U2的管脚10作为自适应幅度归一电路(30)的输出端，记为端口ADAPT_out，与相位比较电路(31)的一个输入端相连；芯片U2的管脚10与电容C7的一端相连，电容C7的另一端与电阻R22的一端及运放U3的同相输入端相连，电阻R22的另一端接地；电阻R3的一端与电容C8的一端及二极管D1的正极相连，并接到运放U3的反相输入端，运放U3的衬底接到运放U3的反相输入端；运放U3的正电源端接+5V电源，负电源端接-5V电源；电容C8的另一端与二极管D1的负极及二极管D2的正极相连，并接到运放U3的输出端；电阻R3的另一端与电阻R4的一端及运放U4的反相输入端相连，电阻R4的另一端与二极管D2的负极及场效应管Q1的栅极相连，场效应管Q1的源极与电容C9的一端及电阻R5的一端相连，电容C9的另一端与电阻R5的另一端相连并接地；场效应管Q1的源极与场效应管Q1的漏极相连，并接到运放U4的同相输入端；运放U4的反相输入端与运放U4的衬底及运放U4的输出端相连；运放U3的正电源端接+5V电源，负电源端接-5V电源；所述的芯片U2是可变增益放大器芯片，型号是AD8367；
所述的相位比较电路(31)的结构为，电容C12的一端与运放U9的同相输入端及电阻R23的一端相连，电容C12的另一端作为相位比较电路(31)的一个输入端，记为端口PHASE_in1，与自适应幅度归一电路(30)的端口ADAPT_out相连；电阻R23的另一端接地；运放U9的正电源端接+5V电源，负电源端接地，反相输入端接地，输出端接D触发器U10A的CLK端；D触发器U10A的D端口接地；电容C13一端接地，另一端接D触发器U10A的PR端；电阻R24一端接D触发器U10A的PR端，另一端接D触发器U10A的Q端；D触发器U10A的CLR端接+5V电源，D触发器U10A的Q非端接D触发器U12A的PR端；电容C14的一端与运放U11的同相输入端及电阻R25的一端相连，电容C14的另一端作为相位比较电路(31)的另一个输入端，记为端口PHASE_in2，与可控频率源(24)的端口SineM_out相连；电阻R25的另一端接地；运放U11的正电源端接+5V电源，负电源端接地，反相输入端接地，输出端接D触发器U10B的CLK端；D触发器U10B的D端口接地；电容C15一端接地，另一端接D触发器U10B的PR端；电阻R26一端接D触发器U10B的PR端，另一端接D触发器U10B的Q端；D触发器U10B的CLR端接+5V电源，D触发器U10B的Q非端接D触发器U12A的CLR端；D触发器U12A的D端和CLK端均接地，Q端作为相位比较电路(31)的输出端，记为端口PHASE_out；
所述的基准电压电路(32)的结构为，电阻R27的一端接+5V电源，另一端接运放U13的同相输入端，稳压二极管D3的正极接地，负极接运放U13同相输入端，运放U13的反相输入端与输出端相连，正电源端接+5V电源，负电源端接地，输出端为+2.5V电源，各模块中的+2.5V电源均由该输出端提供；滑动变阻器W4的一端接+2.5V电源，另一端接地，滑动端接运放U14的同相输入端；运放U14的反相输入端接其输出端，正电源端接+5V电源，负电源端接地，输出端作为基准电压电路(32)的输出端，记为端口Vref，与自适应幅度归一电路(30)的参考电压端相连；
所述的可控频率源(24)的结构为，滑动变阻器W5的一端接+12V电源，另一端和滑动端接三极管Q2的基极；电容C16的一端接三极管Q2的基极，另一端接地；电阻R28的一端接三极管Q2的基极，另一端接地；电阻R29的一端接+12V电源，另一端接三极管Q2的集电极；电阻R30的一端接三极管Q2的发射极，另一端接地；电容C17的一端接三极管Q2的发射极，另一端接三极管Q2的集电极；电容C18的一端接三极管Q2的发射极，另一端接地；三极管Q2的集电极作为可控频率源(24)的输出端，记为端口SineM_out；电容C19的一端接三极管Q2的集电极，另一端与电容C20的一端及电感L1的一端相连，电容C20的另一端接变容二极管D4负极，变容二极管D4的正极接地，电感L1的另一端接地；电容C21的一端接地，另一端作为可控频率源(24)的输入端，记为端口SineM_in；电阻R31的一端与端口SineM_in相连，另一端与变容二极管的负极相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于马赫泽德尔干涉结构的应力传感器，其特征在于，所述的泵浦源(1)是980nm激光光源。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于马赫泽德尔干涉结构的应力传感器，其特征在于，所述的布拉格光栅组(9)是由3个布拉格光栅构成，每个光栅的反射率均为90％，带宽均为0.6nm，中心波长分别为1550nm、1560nm和1630nm。
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