CN109798925B - 一种量程可调的匹配光栅解调装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光栅传感与解调领域，提出了一种量程可调的匹配光栅解调装置，包括光栅匹配核心装置、光电探测器和FPGA驱动与采集电路，光栅匹配核心装置包括聚偏氯乙烯/石墨烯复合振动器、U型支架和匹配光栅，U型支架为U型支架底座和上臂板结合而成，聚偏氯乙烯/石墨烯复合振动器设置在U型支架底座与上臂板之间，U型支架底座两侧设置有有导轨，光纤固定装置的底部设置在导轨内并可沿导轨滑动，上臂板上方设置有多个沿纵向排列的T型横槽，T型横槽用于放置轻质挡板，匹配光栅通过光纤固定装置设置在U型支架上方，并与轻质挡板无压接触。本发明可实现对光栅传感系统高精度、宽量程的解调，可广泛应用于光栅传感领域。

Description

一种量程可调的匹配光栅解调装置

技术领域

本发明涉及光栅传感与解调领域，特别涉及采用PVDF/石墨烯复合振动器的一种具有量程可调的匹配光栅解调装置。

背景技术

光纤光栅传感系统的解调本质上是对传感光栅反射谱进行实时监测，分析出编码波长。测量波长变化量的经典方法是采用光谱分析仪、单色仪进行测量，但这些仪器价格昂贵、体积大、不利于传感系统的集成。在集成性研究方面比较可取的是可调谐F-P腔解调法和匹配光栅解调法。可调谐F-P腔解调法主要通过压电陶瓷（PZT）驱动F-P腔实现光栅解调，其缺点是成本高；也可以采用将多片PZT与光栅简单地贴附在一起的方式进行匹配解调，但是其测量精度与准确性无法满足实际需要。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种一种具有量程可调的匹配光栅解调装置，以解决现有技术中采用PZT贴附光栅结构无法进行量程调节且精度较低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种量程可调的匹配光栅解调装置，包括光栅匹配核心装置、光电探测器和FPGA驱动与采集电路，所述光栅匹配核心装置包括聚偏氯乙烯/石墨烯复合振动器、U型支架和匹配光栅，所述U型支架为U型支架底座和上臂板结合而成，所述聚偏氯乙烯/石墨烯复合振动器设置在U型支架底座与上臂板之间并靠近U型支架弧形的一端，所述U型支架底座两侧设置有导轨，光纤固定装置的底部设置在导轨内并可沿所述导轨滑动，上臂板上方设置有多个沿纵向排列的T型横槽，所述T型横槽用于放置轻质挡板，所述匹配光栅通过光纤固定装置设置在所述U型支架上方，并与所述轻质挡板无压接触，所述匹配光栅用于接收传感光栅的反射信号，并反射至所述光电探测器，所述FPGA驱动与采集电路的输出端与所述所述聚偏氯乙烯/石墨烯复合振动器电连接，输入端与所述光电探测器连接，用于驱动所述聚偏氯乙烯/石墨烯复合振动器实现伸缩变化，还用于根据所述光电探测器的探测信号，实现传感信号的解调。

所述U型支架底座为不锈钢材料制成，固定设置在隔振底座上；所述上臂板为轻质刚体材料制成。

所述聚偏氯乙烯/石墨烯复合振动器包括半球体和贴合设置与半球体表面的PVDF/石墨烯复合材料薄膜，所述半球体底部与U型支架底座紧密连接，半球表面与U型支架的上臂板刚性接触。

所述匹配光栅为与传感光栅中心波长相近的光栅。

所述的一种量程可调的匹配光栅解调装置，还包括壳体，所述光栅匹配核心装置、光电探测器和FPGA驱动与采集电路均设置在所述壳体内，所述壳体上设置有光信号接口和电信号接口，所述匹配光栅的光输入端通过光纤与所述光信号接口连接，光输出端通过光纤与所述光电探测器连接。

匹配解调的方法为：调整PVDF/石墨烯复合振动器的驱动电压以及轻质挡板在U型支架的上臂板上固定的位置，直至光电探测器探测得到光通量最大时，采集驱动电压值，通过采集匹配成功时的驱动电压值，并根据驱动电压与匹配光栅中心波长偏移量的关系，可以得到传感光栅中心波长偏移量，进而根据传感光栅中心波长偏移量与外界待测信息的关系可以得到外界待测信息量实现解调。

所述FPGA驱动与采集电路内设置有DAC模块和ADC模块，所述DAC模块用于生成锯齿波形的驱动电压驱动PVDF／石墨烯复合振动器；所述ADC模块用于通过时序编程生成采样电路完成光电探测器探测信号的实时采样。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明采用U型支架结构及PVDF/石墨烯复合振动器，可实现对光栅传感系统高精度、宽量程的解调，通过轻质挡板在不同“T”型槽的位置，可实现范围与精度的调节要求，为光栅传感系统的集成化和实用化提出了一种新的解决方案。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种光栅解调装置的工作原理示意图；

图2为本发明实施例提供的一种光栅解调装置的结构示意图；

图3本发明实施例中光栅解调核心装置的正视图；

图4本发明实施例中光栅解调核心装置的俯视图；

图5为本发明实施例中光栅解调核心装置的侧视图。

图中1为聚偏氯乙烯/石墨烯复合振动器，2为U型支架，3为匹配光栅，4为光电探测器，5为FPGA驱动与采集电路，6为壳体，7为隔振底座，8为U型支架底座，9为上臂板，10表示驱动电压，11表示导轨，12为光纤固定装置，13为T型横槽，14为轻质挡板，15为传感光栅，16为采样电路，17为电信号接口，18为光信号接口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1~5所示，本发明实施例提供了一种量程可调的匹配光栅解调装置，包括光栅匹配核心装置、光电探测器4和FPGA驱动与采集电路5，所述光栅匹配核心装置包括聚偏氯乙烯/石墨烯复合振动器1、U型支架2和匹配光栅3，所述U型支架2为U型支架底座8和上臂板9结合而成，所述聚偏氯乙烯/石墨烯复合振动器1设置在U型支架底座8与上臂板9之间并靠近U型支架2弧形的一端，所述U型支架底座8两侧设置有导轨11，光纤固定装置12的底部设置在导轨11内并可沿所述导轨11滑动，上臂板9上方设置有多个沿纵向排列的T型横槽13，所述T型横槽13用于放置轻质挡板14；所述匹配光栅3通过光纤固定装置12设置在所述U型支架2上方并与所述轻质挡板14无压接触，所述匹配光栅3用于接收传感光栅15的反射信号，并反射至所述光电探测器4，所述FPGA驱动与采集电路5的输出端与所述所述聚偏氯乙烯/石墨烯复合振动器1电连接，输入端与所述光电探测器4连接，用于驱动所述聚偏氯乙烯/石墨烯复合振动器1实现伸缩变化，还用于根据所述光电探测器的探测信号，实现传感信号的解调。

具体地，如图2所示，本实施例提供的一种量程可调的匹配光栅解调装置，还包括壳体6，所述光栅匹配核心装置、光电探测器4和FPGA驱动与采集电路5均设置在所述壳体6内，所述壳体6上设置有光信号接口18和电信号接口17，所述匹配光栅3的光输入端通过光纤与所述光信号接口18连接，光输出端通过光纤与所述光电探测器4连接。其中，壳体6采用具有防火、耐腐蚀以及不易变形的铸铁材料制成，形状为长方体；电信号接口用于输入电源和输出解调信号，传感光栅光信号通过FC/APC光纤接头与光信号接口18连接，将光信号传输至光栅解调装置内。所述U型支架底座8为不锈钢材料，固定设置在隔振底座7上；所述上臂板9为轻质刚体材料制成。本实施例中，U型支架底座8的侧壁设置有导轨，可实现匹配光栅所连光纤固定装置的安装和水平移动。U型支架底座为不锈钢材质，固定于隔振底座上；U型支架的上臂板为轻质刚体材料，上部加工有若干相同规格的“T”型横槽，振动器1振动后,U型支架上的轻质挡片会根据与轴的远近产生不同程度的位移,由于匹配光栅与轻质挡板初始为无压接触,且匹配光栅由光纤固定装置紧密固定,所以轻质挡板位移会传递到匹配光栅上。向不同横槽内插入轻质挡板，对应不同的振幅，则PVDF/石墨烯复合振动器起振后会产生不同的微位移量，从而现高精度或宽量程的光栅匹配检测。

具体地，本实施例中，如图3示，所述聚偏氯乙烯/石墨烯复合振动器1包括半球体和贴合设置与半球体表面的PVDF/石墨烯复合材料薄膜，所述半球体底部与U型支架底座8紧密连接，半球表面与U型支架的上臂板9刚性接触。聚偏氯乙烯（PVDF）与石墨烯的组合是一种潜在的新型压电材料，在电致伸缩方面性能出色，本实施例中，利用PVDF/石墨烯复合材料形成薄膜覆盖在半球体表面，形成了聚偏氯乙烯/石墨烯复合振动器1，该振动器可以在低电压下产生大形变量，响应速度快，通过将该振动器设置在U型支架2内，可以将振动器的形变传输到匹配光栅上。通过导电银胶将两根铜导线与聚偏氯乙烯/石墨烯复合振动器1上的薄膜连接，通过接线排将其连接至驱动电路，可以实现聚偏氯乙烯/石墨烯复合振动器1的可伸缩变化。

具体地，本实施例中，所述FPGA驱动与采集电路5内设置有DAC模块和ADC模块，所述DAC模块用于生成锯齿波形的驱动电压10驱动PVDF／石墨烯复合振动器1；所述ADC模块用于通过时序编程生成采样电路16完成光电探测器4探测信号的实时采样。此外，FPGA驱动与采集电路5内还设置有恒压源和FPGA芯片，所述恒压源用于提供恒定电源，所述FPGA芯片用于完成数据处理与译码。

具体地，本实施例中，如图5所示，所述匹配光栅3为与传感光栅15中心波长相近的光纤光栅，光纤固定装置12为设置在U型支架2两侧的两根支柱，该光纤光栅两端的光纤分别固定在这两根支柱上。

如图1所示，本实施例的一种量程可调的匹配光栅解调装置的使用示意图，宽带光源固定输出1300nm~1600nm的光信号，通过光路连接至传感光栅15，当传感光栅未受外部作用时，其中心波长为其初始态。传感光栅15为具有95%反射率的1550.00nm光栅，选取与传感光栅中心波长相近的光栅作为解调装置的匹配光栅3，中心波长为1550.12nm。利用FC/APC接头将传感光栅的反射光信号通过壳体6上设置光信号接口18传输至光栅匹配解调装置。

本发明提出的一种量程可调的匹配光栅解调装置中，匹配光栅解调原理如下：

假设传感光栅的反射谱

可近似取高斯分布，即：

（1）

式中

分别为传感光纤光栅的中心波长和峰值反射率；

匹配光栅的反射谱为：

（2）

式中

分别为匹配光纤光栅的中心波长和峰值反射率；

传感光栅的反射光经过匹配光栅反射后，入射到光电探测器的光谱为：

（3）

由此可得到光电探测器接收到的光功率为：

（4）

当调谐匹配光栅时，

产生漂移，当调谐至

时，即匹配光纤光栅的中心波长与传感光栅的中心波长相等时，光电探测器输出最大值。因此，当对匹配光栅调谐，至光电探测器探测到最大光通量时，说明匹配光栅的中心波长与传感光栅相同。

使用时，将轻质挡板14插入上臂板9的第一个T型横槽13内（离聚偏氯乙烯/石墨烯复合振动器1最近的一个T型横槽），移动光纤固定装置12使匹配光栅3与轻质挡板14无压接触。打开电源供电，光栅解调装置工作，FPGA驱动与采集电路5驱动聚偏氯乙烯/石墨烯复合振动器1振动伸缩，光电探测器探测光强并发送至FPGA驱动与采集电路5，如果在一个驱动周期内，光电探测器能够输出最大电压值，则匹配成功。通过采集匹配成功时的驱动电压值，并根据驱动电压与匹配光栅3中心波长偏移量的关系，可以得到传感光栅中心波长偏移量，进而根据传感光栅中心波长偏移量与外界待测信息的关系可以得到外界待测信息量实现解调。此过程中，通过调谐匹配光栅3，可获得传感光栅15的中心波长偏移量。由FPGA驱动与采集电路5完成多次采集后进行数据平均处理。其中，驱动电压与匹配光栅3中心波长偏移量的关系，可以由其它仪器进行标定，例如通过光谱仪进行标定。

本实施例中，波长解调的方法如下：传感光栅15与波长偏移量的关系通过参数配置固化于FPGA驱动与采集电路5中的FPGA芯片程序中。经过FPGA内部算法实现后，对波长偏移量进行译码，完成波长解调。通过连接至PC机或者数显装置，可实时将解调结果显示给用户。

此外，如果轻质挡片设置在第一个T型横槽13内时，光电传感器4未能检测到最大光通量，或者最大电压值，则判定为传感光栅5中心波长偏移量超出T113位置处光栅解调装置量程。此时将轻质挡板14置于第二个T型横槽内，移动光纤固定装置12使匹配光栅3与轻质挡板14无压接触，重复上述操作，直至寻找到最大电压值。U型支架的上臂板9开有5个T型横槽13，满足不同的精度和量程需求。该装置的最大量程为第五个T型横槽处对应的匹配光栅中心波长偏移量。为保证匹配光栅3在工作过程中不受到损坏，本装置检测的最大范围为匹配光栅3中心波长最大偏移量的90%。

PVDF与石墨烯的组合是一种潜在的新型压电材料，在电致伸缩方面性能出色。本发明提出利用PVDF/石墨烯复合材料构建一种新型的具有量程可调的匹配光栅解调装置。该材料可以在低电压下产生大形变量，响应速度快，具有良好的应用前景。光栅匹配解调的关键是设计出一定范围内振动可调谐的器件结构，相对于将多片PZT与光栅进行直接贴附的解调方式，U型支架具有良好的振幅放大作用，对其进行开槽设计可以使在支架内侧的微弱振幅对应距离准确放大，从而提高测量精度。将U型支架与PVDF/石墨烯复合材料结合构成新型光栅解调装置，可在满足精度和量程要求的前提下有效提高光栅传感系统的集成化和实用化。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种量程可调的匹配光栅解调装置，其特征在于，包括光栅匹配核心装置、光电探测器（4）和FPGA驱动与采集电路（5），所述光栅匹配核心装置包括聚偏氯乙烯/石墨烯复合振动器（1）、U型支架（2）和匹配光栅（3），所述U型支架（2）为U型支架底座（8）和上臂板（9）结合而成，所述聚偏氯乙烯/石墨烯复合振动器（1）设置在U型支架底座（8）与上臂板（9）之间并靠近U型支架（2）弧形的一端，所述U型支架底座（8）两侧设置有导轨（11），光纤固定装置（12）的底部设置在导轨（11）内并可沿所述导轨（11）滑动，上臂板（9）上方设置有多个沿纵向排列的T型横槽（13），所述T型横槽（13）用于放置轻质挡板（14），所述匹配光栅（3）通过光纤固定装置（12）设置在所述U型支架（2）上方，并与所述轻质挡板（14）无压接触，所述匹配光栅（3）用于接收传感光栅（15）的反射信号，并反射至所述光电探测器（4），所述FPGA驱动与采集电路（5）的输出端与所述聚偏氯乙烯/石墨烯复合振动器（1）电连接，输入端与所述光电探测器（4）连接，用于驱动所述聚偏氯乙烯/石墨烯复合振动器（1）实现伸缩变化，还用于根据所述光电探测器的探测信号，实现传感信号的解调。

2.根据权利要求1所述的一种量程可调的匹配光栅解调装置，其特征在于，所述U型支架底座（8）为不锈钢材料制成，固定设置在隔振底座（7）上；所述上臂板（9）为轻质刚体材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种量程可调的匹配光栅解调装置，其特征在于，所述聚偏氯乙烯/石墨烯复合振动器（1）包括半球体和贴合设置与半球体表面的PVDF/石墨烯复合材料薄膜，所述半球体底部与U型支架底座（8）紧密连接，半球表面与U型支架的上臂板（8）刚性接触。

4.根据权利要求1所述的一种量程可调的匹配光栅解调装置，其特征在于，所述匹配光栅（3）为与传感光栅（15）中心波长相近的光栅。

5.根据权利要求1所述的一种量程可调的匹配光栅解调装置，其特征在于，还包括壳体（6），所述光栅匹配核心装置、光电探测器（4）和FPGA驱动与采集电路（5）均设置在所述壳体（6）内，所述壳体（6）上设置有光信号接口（18）和电信号接口（17），所述匹配光栅（3）的光输入端通过光纤与所述光信号接口（18）连接，光输出端通过光纤与所述光电探测器（4）连接。

6.根据权利要求1所述的一种量程可调的匹配光栅解调装置，其特征在于，匹配解调的方法为：调整聚偏氯乙烯/石墨烯复合振动器（1）的驱动电压以及轻质挡板（14）在U型支架的上臂板（9）上固定的位置，直至光电探测器（4）探测得到光通量最大时，采集驱动电压值，通过采集匹配成功时的驱动电压值，并根据驱动电压与匹配光栅（3）中心波长偏移量的关系，得到传感光栅中心波长偏移量，进而根据传感光栅中心波长偏移量与外界待测信息的关系得到外界待测信息量实现解调。

7.根据权利要求1所述的一种量程可调的匹配光栅解调装置，其特征在于，所述FPGA驱动与采集电路（5）内设置有DAC模块和ADC模块，所述DAC模块用于生成锯齿波形的驱动电压（10）驱动聚偏氯乙烯／石墨烯复合振动器（1）；所述ADC模块用于通过时序编程生成采样电路（16）完成光电探测器（4）探测信号的实时采样。

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