CN111504176A - 一种基于两级执行器结构的大光程闭环测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于两级执行器结构的大光程闭环测量系统，该系统由光电转换模块，数字控制模块，两级执行器模块组成；其中光电转换模块可与光纤干涉仪直连，完成光信号到电信号的转换，数字控制模块根据输入信号计算每一个控制周期的闭环反馈值给执行器模块。本文的两级执行器模块由两种性能互补的执行器组成，其中一级执行器选择中等光程高动态性能的执行器，如光纤用压电陶瓷，完成反馈值的补偿，同时由于光的干涉原理，一级执行器的输出具有不起作用的直流量部分，此部分使用动态性能一般但具有cm级行程的大行程执行器如电动光纤延时线进行慢补偿。本发明通过两级执行器的配合使用保证整个闭环系统驱动级高动态、大光程的闭环测量能力。

Description

一种基于两级执行器结构的大光程闭环测量系统

技术领域

本发明属于干涉仪闭环测量技术领域，尤其涉及一种基于两级执行器结构的大光程闭环测量系统。

背景技术

光纤传感技术是二十世纪70年代兴起的一门新兴传感技术光纤传感器作为传感器分支中新的一员，其有以下几点优势：敏感测量能力，能适应需要更高测量精度的检测领域；响应频带宽、可以响应甚低频、动态范围大、全光性；重量轻、体积小。因此光纤传感器便于安装埋设；绝缘性能、化学特性良好，不受电磁辐射影响；分布式检测，光纤本身即可作为传感器的一部分，因此长度足够的光纤能够完成大范围长时间的监测，拥有大范围感知能力。

随着光纤干涉仪向分布式、敏感测量等应用场景拓展，为提升检测范围和检测精度，干涉仪传感光纤长度逐渐增加。光纤传感器本身作为敏感元件用来检测外界的信息输入，其有着远超于传统传感技术的高灵敏度，高动态范围，但也深受这一特点带来的副作用：光纤的长度对环境干扰非常敏感，因此所有外界信号都将对输入信号的干涉相位产生大光程的漂移。

在一些分布式应用中，干涉仪光程差可达100mm甚至更大。对于闭环检测系统，其高动态范围的核心是基于闭环反馈的零偏检测，其反馈补偿量即闭环检测值，而当大光程高带宽的漂移超出闭环反馈的补偿能力时，整个闭环系统误差增大，测量精度降低，甚至使闭环系统失去稳定。因此在干涉仪面对大光程输入的测量环境中，如何补偿大光程漂移以提高闭环检测精度和系统的稳定性是光纤传感技术一直致力于研究的方向。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于两级执行器结构的大光程闭环测量系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于两级执行器结构的大光程闭环测量系统，该系统由光纤干涉仪、光电转换模块、数字控制模块和二级驱动模块组成；所述光纤干涉仪包括激光光源、干涉仪信号臂和干涉仪参考臂；所述光电转换模块包括光电转换器和模数转换电路；所述数字控制模块包括数字控制电路、第一数模转换电路、第二数模转换电路；所述二级驱动模块包括第一驱动放大电路、第二驱动放大电路、一级高动态执行器、二级大行程执行器；激光光源产生光源使干涉仪信号臂和干涉仪参考臂产生干涉，外界信号作用在干涉仪信号臂上，以光功率波动的形式附加在光路上；光功率输入光电转换器后转换为电压，再通过模数转换电路转换为电压的数字信号；电压的数字信号输入数字控制电路，通过数字控制电路中的控制算法得到反馈值并对固定时段内的反馈值求平均得到平均反馈值；反馈值通过第一数模转换电路转换成反馈值模拟信号，再通过第一驱动放大电路放大后输入一级高动态执行器，输出一级执行器补偿光程；平均反馈值通过第二数模转换电路转换成平均反馈值模拟信号，再通过第二驱动放大电路放大后输入二级大行程执行器，输出二级执行器补偿光程；所述一级高动态执行器、二级大行程执行器、干涉仪参考臂共用同一光路，一级执行器补偿光程、二级执行器补偿光程和干涉仪参考臂的光程叠加，完成交流光程和直流光程的补偿。

进一步地，所述光电转换模块还包括调理放大电路；光电转换器将输入的光功率转换成电流信号后通过调理放大电路转换为电压再输入模数转换电路。

进一步地，所述调理放大电路为一级放大电路。

进一步地，所述干涉仪参考臂与干涉仪信号臂的光路等长。

进一步地，所述一级高动态执行器的响应时间在μs量级以内，可补偿光程在100μm量级以内。

进一步地，所述二级大行程执行器的可补偿光程在mm量级以上。

进一步地，所述光电转换器为光电二极管。

进一步地，所述固定时段为1s。

本发明的有益效果是：本发明设计二级执行器结构，通过第一级高动态执行器保证闭环检测的动态性能，并以二级执行器对一级执行器一段时间内的直流量进行慢补偿来保证第一级执行器在长时间输出量趋近于一个交流值，保证闭环检测的有效大光程。相较传统的一级执行器的结构，这种二级执行器的结构使长时间的输出值中无效的直流量趋近于0，有效量程更大，且该执行器可与现有的干涉传感器以及闭环电路相结合，提供一种通用的大光程闭环检测系统方案。

附图说明

图1是本发明实施例的基于二级执行器结构的大光程闭环检测系统的组成框图；

图中：激光光源1，干涉仪信号臂2，干涉仪参考臂3，耦合器4，后级可扩展光路5，光电转换器6，调理放大电路7，模数转换电路8，数字控制电路9，第一数模转换电路10，第二数模转换电路11，第一驱动放大电路12，第二驱动放大电路13，一级高动态执行器14，二级大行程执行器15。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所述实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明保证闭环检测精度前提下提升了检测光程的执行器结构，并基于此提出一种可与大部分光纤干涉仪结合的具有通用性的大光程闭环检测系统方案。

如图1所示，本发明一种基于两级执行器结构的大光程闭环测量系统，该系统由光纤干涉仪、耦合器4、后级可扩展光路5、光电转换模块、数字控制模块、二级驱动模块组成。耦合器4将干涉光路进行50:50的光路分束，分为两路，其中一路用于本发明的闭环检测系统，另外一路用于后级可扩展光路5；其中，后级可扩展光路5不作限制，当应用场景需要时，可以在本发明的系统基础上扩展额外的光路结构，用于第二级测量或其它用途。

其中，光电转换模块可与光纤干涉仪直连，完成光信号到电信号的转换，数字控制模块根据输入信号计算每一个控制周期的闭环反馈值给执行器模块。本文的两级执行器模块由两种性能互补的执行器组成，其中一级执行器选择中等光程高动态性能的执行器，如光纤用压电陶瓷，完成反馈值的补偿，同时由于光的干涉原理，一级执行器的输出具有不起作用的直流量部分，此部分使用动态性能一般但具有cm级行程的大行程执行器如电动光纤延时线进行慢补偿。本发明通过两级执行器的配合使用保证整个闭环系统驱动级高动态、大光程的闭环测量能力。

所述光纤干涉仪包括激光光源1、干涉仪信号臂2、干涉仪参考臂3；本发明的大光程闭环测量系统与传感器的配合具有通用性，即光纤干涉仪为通用结构，其传感器部分可以是具有两光纤臂的任何光纤干涉仪结构，只需要保证信号输入在其中一臂上，而执行器反馈补偿在另外一臂上，即可达到闭环检测的目的；激光光源1产生指定波长的光源使干涉仪两臂产生干涉，外界信号作用在干涉仪信号臂2上以后改变了干涉的相位进而将信号以光功率波动的形式附加在光路上，再进入光电转换模块。

所述光电转换模块包括光电转换器6、调理放大电路7、模数转换电路8；光电转换模块将输入的光功率转换为电压的数字信号，作为数字控制模块的输入；光电转换模块为完成干涉传感器光信号到数字系统电信号的转换，对于光电转换器6和调理放大电路7的选择十分广泛；光电转换器6可使用光电二极管，转换后的微弱电流信号通常需要调理放大电路7(一级放大电路)放大为电压并经过模数转换电路8后进入数字控制模块，若光电转换器6可直接输出可测电压值也可以直接经过模数转换电路8进入数字控制模块。

所述数字控制模块包括数字控制电路9、第一数模转换电路10、第二数模转换电路11；数字控制模块通过数字控制电路9中的高性能控制算法算得输入数字信号的两个反馈值分别通过第一数模转换电路10和第二数模转换电路11转换成模拟信号输出给二级驱动模块；大光程的闭环检测系统输入信号幅值较大，因此数字控制模块需要保证更高的相对控制精度来达到同样的绝对控制精度，因此数字控制电路9中的控制算法在数字控制模块的基础上必须解决闭环系统中存在的纯延时和相位滞后的影响，可以使用结合纯延时补偿算法和相位超前校正补偿的数字控制器设计方法来保证控制精度。

所述二级驱动模块包括第一驱动放大电路12、第二驱动放大电路13、一级高动态执行器14、二级大行程执行器15。数字控制模块输出的两个反馈值的模拟信号分别通过第一驱动放大电路12和第二驱动放大电路13放大后，由一级高动态执行器14完成反馈量的输出，二级大行程执行器15对一级高动态执行器14输出的直流量进行慢补偿，最终完成交流光程和直流光程的补偿。闭环测量系统的执行器包括一级高动态执行器14和二级大行程执行器15，为两级执行器结构，其中一级高动态执行器14需要为高动态中等行程的执行器，保证响应时间在μs量级以内，一级高动态执行器14可补偿光程在100μm量级以内；二级大行程执行器15补偿光程在mm量级以上。

本闭环检测系统基于零偏检测原理，由一级高动态执行器14和二级大行程执行器15完成干涉仪信号臂2和干涉仪参考臂3的光程差补偿，因此需要将一级高动态执行器14和二级大行程执行器15提前包含在干涉仪参考臂3中，即三者共用同一光路，并保证加入一级高动态执行器14和二级大行程执行器15的干涉仪参考臂3与干涉仪信号臂2光路等长，保证初始干涉功率最大，并且对于零偏检测的控制点应选择光功率变换最敏感的点，干涉功率为正弦曲线，可选择控制点在正弦曲线的零点处，此时斜率最大，检测灵敏度最高。

光纤干涉仪具有周期干涉的特性，其传感器传递函数可写为：

由上式可知，对于执行器的大光程需求不只是绝对光程，而应该是交流量的大光程，如果只选择大光程的执行器依然存在问题：执行器存在一定的响应时间且反馈量可能存在一定的超调量，可能在复杂扰动的时刻下瞬时的反馈量经过执行器后补偿的光程会超过几个波长周期，而根据上面的周期干涉函数可知，超过固定个波长周期的光纤拉伸量是无效的，即对于检测输入来说是不可见的，而对于反馈量的计算都是基于检测输入和设定值的差值的，若拉伸量对于检测输入不可见，则这个拉伸量对应的反馈值将会变成一个直流量，永远存在于反馈值中，而对于光纤光程补偿整数个周期也没有实际意义。因此最终的输出补偿相位将会是一个“直流量+交流量”，如下所示：

_Δλ＝λ_AC+λ_DC＝λ_AC+2πλ

代入光纤干涉仪传感器传递函数公式中：

若只有交流相位用于补偿干扰信号，而直流相位没有作用，因此若一味通过增大执行器光程补偿能力并不能线性对应补偿光程，当直流量不停累积时，执行器有效输出动态范围被压缩，此时输出行程不等于动态范围，因此最终要实现的目的是保证有效动态范围增大，需要对直流量进行补偿，保证瞬时输出值是一个有效的交流量。

一级高动态执行器14可以为压电陶瓷，二级大行程执行器15可以为电动光纤延时线。二级大行程执行器15为电动光纤延时线，反向补偿直流量，电动延时线行程可达cm级，可以补偿大光程直流量，作为闭环检测大光程的保障，而一级高动态执行器14压电陶瓷具有高动态性能与不俗的光程补偿范围，作为闭环检测动态性保障。

本发明的一种基于二级执行器结构的大光程闭环检测系统的实施例为：

所述的激光光源1产生1550nm波长的激光，经过光纤干涉仪两臂2，3干涉以后形成光功率，光功率经过光电转换器6为光电二极管，转换为微弱电流信号，再经过调理放大电路7转换为可量测的电压信号，转换关系如下式：

其中，P为光功率，η为二极管响应系数，A为调理放大电路增益，λ为光波长，

为基础相位，

为补偿相位。

所述的电压V经过模数转换器8进入数字控制模块，数字控制模块将采样到的电压代入带有纯延时补偿和相位补偿算法的数字控制电路9后得到反馈补偿电压_ΔV_DC+_ΔV_AC和_ΔV_DC，分别交给两路不同数模转换器(第一数模转换电路10、第二数模转换电路11)，其中

所述的两路反馈补偿电压再经过第一驱动放大电路12、第二驱动放大电路13后完成对各自执行器的驱动，其中一级高动态执行器14压电陶瓷输出补偿光程λ_DC+λ_AC，二级大行程执行器15电动光纤延时线输出补偿光程λ_DC，即二级大行程执行器15输出值为一级高动态执行器14一段时间(1s)内输出的均值，两级执行器的光路均与干涉仪参考臂3光路直接相连，可直接改变干涉仪两臂的光程差，且二级大行程执行器15为正反馈，因此一段时间内一级高动态执行器14输出值的直流量将会被补偿从而趋近于0，所有量程均为有效的交流量程。

本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权力要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于两级执行器结构的大光程闭环测量系统，其特征在于，该系统由光纤干涉仪、光电转换模块、数字控制模块和二级驱动模块等组成。所述光纤干涉仪包括激光光源、干涉仪信号臂和干涉仪参考臂；所述光电转换模块包括光电转换器和模数转换电路。所述数字控制模块包括数字控制电路、第一数模转换电路、第二数模转换电路。所述二级驱动模块包括第一驱动放大电路、第二驱动放大电路、一级高动态执行器、二级大行程执行器。其中，激光光源产生光源使干涉仪信号臂和干涉仪参考臂产生干涉，外界信号作用在干涉仪信号臂上，以光功率波动的形式附加在光路上；光功率输入光电转换器后转换为电压，再通过模数转换电路转换为电压的数字信号；电压的数字信号输入数字控制电路，通过数字控制电路中的控制算法得到反馈值并对固定时段内的反馈值求平均得到平均反馈值；反馈值通过第一数模转换电路转换成反馈值模拟信号，再通过第一驱动放大电路放大后输入一级高动态执行器，输出一级执行器补偿光程；平均反馈值通过第二数模转换电路转换成平均反馈值模拟信号，再通过第二驱动放大电路放大后输入二级大行程执行器，输出二级执行器补偿光程；所述一级高动态执行器、二级大行程执行器、干涉仪参考臂共用同一光路，一级执行器补偿光程、二级执行器补偿光程和干涉仪参考臂的光程叠加，完成交流光程和直流光程的补偿。

2.如权利要求1所述基于两级执行器结构的大光程闭环测量系统，其特征在于，所述光电转换模块还包括调理放大电路；光电转换器将输入的光功率转换成电流信号后通过调理放大电路转换为电压再输入模数转换电路。

3.如权利要求2所述基于两级执行器结构的大光程闭环测量系统，其特征在于，所述调理放大电路为一级放大电路。

4.如权利要求1所述基于两级执行器结构的大光程闭环测量系统，其特征在于，所述干涉仪参考臂与干涉仪信号臂的光路等长。

5.如权利要求1所述基于两级执行器结构的大光程闭环测量系统，其特征在于，所述一级高动态执行器的响应时间在μs量级以内，可补偿光程在100μm量级以内。

6.如权利要求1所述基于两级执行器结构的大光程闭环测量系统，其特征在于，所述二级大行程执行器的可补偿光程在mm量级以上。

7.如权利要求1所述基于两级执行器结构的大光程闭环测量系统，其特征在于，所述光电转换器为光电二极管。

8.如权利要求1所述基于两级执行器结构的大光程闭环测量系统，其特征在于，所述固定时段为1s。

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