CN112629640A - 基于光纤斐索干涉的自适应宽带测振系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤斐索干涉的自适应宽带测振系统，包括压电微位移控制器、光纤斐索干涉仪、光电转换模块、可调放大电路、FPGA模块和压电位移控制模块，光纤斐索干涉仪包括激光器、隔离器和耦合器，能够实现稳定的激光输出、干涉及探测；压电微位移控制器实现微小位移控制，自动寻找最佳工作点；双路的光电转换模块分别处理低频和高频信号；本发明能够在很宽频带内测量物体表面的振动情况，实现从DC到50MHz带宽内的离面位移检测，并具备可拓展到近GHz频带的能力。本发明具有自适应和宽频带、高灵敏度、高稳定性、方便集成、可拓展等优点。

Description

基于光纤斐索干涉的自适应宽带测振系统

技术领域

本发明涉及光声探测领域，特别是一种光纤斐索干涉的自适应宽带测振系统。

背景技术

近年来，随着电子、材料、安防等相关行业的发展，测振系统在机械加工、光学、工业监测、材料检测等行业领域愈发重要。

传统的测振方法主要分为电学和光学两大类，在电学方法中常采用各种换能器探测表面振动信号，包括接触式的压电换能器、非接触式的电磁或电容式换能器等。光学方法包括偏转法、干涉法、激光多普勒法等，能够实现较高频率的非接触式探测。各种类型的光纤干涉仪将光纤的稳定易用与干涉的高灵敏度结合，形成体积小、质量轻、灵敏度高、响应快且可用于测量微小振动的装置。而斐索干涉由于测量臂和参考臂是同一个光路，外界环境干扰对两路光影响相同不会产生额外相位差，具有抗外界干扰的优点。将光纤传感与斐索干涉结合，可以较好地进行振动监测，还能拓展到表面形貌探测等相关领域。

但是，目前的光纤斐索干涉仪探头与待测样品表面的距离在不同测试条件下具有一定的随机性，即光纤斐索干涉仪探头的工作点具有一定的随机性，导致测量信号质量无法保证，无法自动精确定位工作点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光纤斐索干涉的自适应宽带测振系统。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于光纤斐索干涉的自适应宽带测振系统，包括压电微位移控制器、光纤斐索干涉仪、光电转换模块、可调放大电路、FPGA模块和压电位移控制模块；

所述压电微位移控制器、光纤斐索干涉仪、光电转换模块依次连接，光电转换模块用于采集光纤斐索干涉仪的干涉信号并将光信号转换为电信号，所述可调放大电路用于将电信号放大并输出到FPGA模块的接收端，由FPGA模块将接收的信号进行储存并传输至压电位移控制模块，压电位移控制模块根据FPGA模块接收端的电信号反馈调整压电微位移控制器进行位置控制；

所述压电微位移控制器包括压电微位移平台和压电致动器；压电微位移平台包括载物台、定位台、预紧铰链、传送铰链、压电致动器凹槽和预紧螺丝凹槽；压电致动器包括压电陶瓷和压电陶瓷供电模块；所述定位台为U型结构，被预紧铰链、传送铰链分割为三部分，分别用于固定放置载物台、压电致动器和预紧螺钉；其中载物台用于放置光纤探头，预紧铰链、传送铰链为平板柔性铰链结构；预紧铰链将预紧螺钉的轴向位移传递到压电陶瓷上；载物台被过盈配合放置于传动铰链上；通过压电陶瓷膨胀产生水平位移由传送铰链传递到载物台上。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明通过压电微位移控制器结合FPGA实现光纤斐索干涉工作点的自适应定位，具有方便易用、体积小、质量轻、灵敏度高、响应快、方便集成且抗外界干扰等优点；(2)通过反馈控制结合位移台和FPGA实时信号处理实现扫查；(3)使用PIN光电二极管和雪崩二极管双路探测，实现高低频信号同时探测；(4)本发明可用于3D打印材料在线监测：通过探测光敏树脂中的声表面波评估其成型状态，传统方法难以在此类材料表面激发和探测声表面波；(5)元件级构建，性能优良，成本低廉，易于拓展，应用面广，可以根据客户要求以及使用场所定制个性化产品。

附图说明

图1是本发明基于光纤斐索干涉的自适应宽带测振系统原理框图。

图2是本发明的压电微位移平台俯视图。

图3是本发明的光纤斐索干涉仪图。

图4是系统整体详细框架图。

图5是本发明的具体探测示意图。

图6是光敏树脂的声表面波波速图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于光纤斐索干涉的自适应宽带测振系统，包括压电微位移控制器1、光纤斐索干涉仪2、光电转换模块3、可调放大电路4、FPGA模块5和压电位移控制模块6；

所述压电微位移控制器1、光纤斐索干涉仪2、光电转换模块3依次连接，光电转换模块3用于采集光纤斐索干涉仪2的干涉信号并将光信号转换为电信号，所述可调放大电路4用于将电信号放大并输出到FPGA模块5的接收端，由FPGA模块5将接收的信号进行储存并传输到压电位移控制模块6，压电位移控制模块6用于根据FPGA模块5的接收端的电信号反馈调整压电微位移控制器1进行精确的位置控制，以实现寻找最佳工作点；

所述压电微位移控制器1包括压电微位移平台和压电致动器；压电微位移平台包括载物台7、定位台8、预紧铰链9、传送铰链10、压电致动器凹槽11和预紧螺丝凹槽12；压电致动器包括压电陶瓷和压电陶瓷供电模块；所述定位台8为U型结构，被预紧铰链9、传送铰链10分割为三部分，分别用于固定放置载物台7、压电致动器和预紧螺钉；其中载物台7用于放置光纤探头，预紧铰链9、传送铰链10为平板柔性铰链结构；预紧铰链9对压电致动器起保护作用，可将预紧螺钉的轴向位移传递到压电陶瓷上，在实现预紧的同时避免了预紧螺钉旋进对压电致动器的表面产生破坏；传动铰链10用于载物台7传递压电陶瓷的输出位移；载物台7被过盈配合放置于传动铰链10上；通过压电陶瓷膨胀产生水平位移由传送铰链10传递到载物台7上，实现固定在载物台7上的光纤精确水平位移。

所述光线斐索干涉仪2包括激光器、隔离器、耦合器和光纤探头；激光器产生激光光束，激光光束经过隔离器和耦合器到达光纤探头，光纤探头处形成的干涉光再次经过耦合器在光路内部传播后由光电转换模块的光电二极管与雪崩二极管探测。

所述光电转换模块3包括光电二极管、雪崩二极管和IV转换电路。采用双路探测，同时使用PIN光电二极管和雪崩二极管，低频信号通过PIN光电二极管探测，高频信号通过雪崩二极管探测，双路探测可同时探测高低频振动，结合压电微位移控制器能够更为准确全面地得到物体的振动信息，其中，100KHZ以上为高频信号，100KHZ以下为低频信号。

所述可调放大电路4包括12V电源板、5V电源板和信号放大与调理电路。其中12V电源板给功率放大器供电，5V电源板给放大电路供电。

所述FPGA模块5包括串口收发模块，AD采样模块与DA模块，以及时钟分频模块。串口收发模块用于接受控制信号以及DA信号。AD采样模块与DA模块分别处理所测信号与DA输出数据，当发送位移控制信号到DA模块，DA模块将FPGA中的储存信号发送至压电驱动器。AD采样模块接受到开始采样的控制信号后开始进行信号采集和储存。时钟模块内部有利用分频法产生的不同频率的时钟，为不同模块提供时钟信号。

根据权利要求1所述的基于光纤斐索干涉的自适应宽带测振系统，其特征在于，所述压电位移控制模块6具体程序分为采样数据分析模块与压电微位移平台控制模块，采样数据分析模块对采样数据进行比较并将比较结果发送给压电微位移控制平台控制模块，压电微位移平台控制模块根据处理结果结合PID算法控制压电微位移控制器令光纤探头处于最佳工作点。

光纤斐索干涉仪探测的信号包括了高频与低频信号，通过多路耦合器将探测信号发给光电探测模块的PIN光电二极管与雪崩二极管探测实现高低频信号探测。因此提出了自动精确定位工作点覆盖高低频的光纤斐索干涉振动测量方案。

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种基于光纤斐索干涉的自适应宽带测振系统，包括压电微位移控制器1、光纤斐索干涉仪2、光电转换模块3、可调放大电路4、FPGA模块5和压电位移控制模块6；压电微位移控制器1、光纤斐索干涉仪2、光电转换模块3依次连接，光电转换模块3用于采集到光纤斐索干涉仪2的光信号并将光信号转换为电信号，可调放大电路4用于将电信号经过放大并输出到FPGA模块5的接收端，由FPGA模块5和信号发送接收将接收到信号进行处理并传输到压电位移控制模块6，压电位移控制模块6用于根据FPGA模块5处理后的振动信号反馈调整压电微位移控制器1进行微小移动，以实现寻找最佳工作点。

压电微位移控制器1，通过3D打印技术自制了双平板柔性铰链机构实现水平位移，其结构模型如图2所示。压电微位移控制器1主要由压电微位移平台两部分组成，其中压电微位移平台包括载物台7、定位台8、预紧铰链9、传送铰链10以及压电致动器件凹槽11；压电制动器包括压电陶瓷以及压电陶瓷供电模块。为实现结构紧凑，提高定位台的工作可靠性，定位台底座腔体被两个平板柔性铰链结构分割为三部分，分别用于固定放置载物台7、压电致动器和预紧螺钉。两个平板柔性铰链结构分别为预紧铰链9、传动铰链10。预紧铰链10对压电致动器起保护作用，可将预紧螺钉的轴向位移传递到压电致动器上，在实现预紧的同时避免了预紧螺钉旋进对压电致动器的表面产生破坏。传动铰链10用于向滑柱传递压电致动器的输出位移。载物台7被过盈配合放置于传动铰链10上。通过压电陶瓷膨胀产生水平位移由传送铰链10传递到载物台7上，实现固定在载物台7上的光纤精确水平位移。该一维位移平台的尺寸为50mm×50mm×10mm，采用的压电致动器尺寸为1.7mm×1.7mm×5mm，工作电压0—100v，自锁力1200—78000N。操作对象是光纤，步长20nm，位移控制范围3um。压电陶瓷驱动器，可以实现0-114V之间的供电电压，用来控制压电陶瓷形变来改变工作点位置。

光纤斐索干涉仪2原理如图3所示，端面处的反射和透射情况如图中虚线部分所示。激光光束经隔离器和光纤耦合器到达探测臂，在其端面处发生反射和透射，探测臂端面的反射光形成参考光，被测物体表面反射回来的光耦合进入探测臂内形成信号光，两束光发生干涉，干涉信号由光电探测器接收。可以通过相干光强变化来反应表面波的传播情况。参考光和信号光之间发生相干叠加，其光强为：

I_R和I_S分别表示参考光和信号光的光强，两束光之间的光程差改变了2d，其中d为光纤反射端口与被测物体表面的距离，故产生了Δφ相位差。

声表面波在被测物体表面传播时，造成物体表面的振动为Δx，引起的振幅为A，

为初相位则：

ω是激光在材料表面激发的声表面波的角频率，λ为激光波长。干涉光强的表达式为：

由公式可知，干涉光强是由直流部分和交流部分叠加形成的，交流部分包含了声表面波振动的信息，可以通过相干光强变化来反应表面波的传播情况，故光纤斐索干涉仪可以有效地检测微小振动。可以通过对干涉光强理论公式的反向推导，获得到材料表面的振动位移和激光激发的声表面波的角频率。

斐索干涉仪采用单臂光路，测量臂和参考臂是同一个光路，所以外界环境中的干扰信号对两路光的影响相同，不会产生额外的相位差，因此光纤斐索干涉仪更加稳定，可以通过较简易的结构方便实现振动信号的测量。

光电转换模块包括光电二极管、雪崩二极管和转换电路，连接于光纤斐索干涉仪信号输出端，光电二极管用于探测低频信号，雪崩二极管用来探测高频信号，整个探测系统可以检测到从DC到50MHz，甚至GHz的振动信号。

可调放大电路包括12V电源板、5V电源板和信号调理电路。两块电源板为各部分提供合适的供电电压。

FPGA模块的基本功能包括AD采样，DA输出,以及与计算机进行数据交换三个基本功能。同时与一维控制位移平台结合令光纤菲索干涉仪探头处于最佳工作点，令探测信号信噪比提高。具体程序分为5个模块，分别为串口收发模块，AD模块与DA模块，时钟分频模块以及位移控制模块。串口收发模块用于接受控制信号以及DA信号。AD采样模块与DA模块分别处理所测信号与DA输出数据，当发送位移控制信号到DA模块，DA模块将FPGA中的储存信号发送至压电驱动器。AD采样模块接受到开始采样的控制信号后开始进行信号采集和处理。时钟模块内部有利用分频法产生的不同频率的时钟，当对应的控制信号发送至时钟模块，时钟模块将不同的时钟接入对应的模块。位移平台控制模块通过将采样的数据进行分析处理，并将内部处理的结果作为信号，控制位移平台令光纤探头处于最佳工作点。

图4为系统整体详细框架图，系统探测了声表面波在光敏树脂材料表面传播时的引起的振动信号，选用150mm*20mm*10mm光敏树脂板作为被测样品。整个装置如图5所示，可分为激发和探测两个部分：激发装置采用Nd:YAG激光器，能产生波长为1064nm、脉宽7ns、重复频率为10Hz的脉冲激光。脉冲激光先后通过半波片、分光棱镜、滤波片以及柱面镜聚焦至样品表面，同时，在样品同侧采用光纤斐索干涉系统进行声表面波引起的振动信号检测。通过调节半波片可以控制入射激光的能量。通过柱面镜将激光光束聚焦成线光源，利用线光源激发产生声表面波。激发时激光能量分布在整个线长范围内，使入射激光能量密度较小，激光能量控制在以热弹机制激发超声波的范围内；且线光源具有方向性和较好的波前，故在实验上采用线光源激发产生声表面波。利用光纤斐索干涉进行声表面波引起的振动的检测，光电探测器将振动信号转换为电流信号经IV放大后进行AD转换获得振动信号。通过移动探测点位置，改变探测点与激发点之间的距离，对样品表面进行扫查。每次移动0.05mm，总共获得40组数据，根据采集到的数据可以得到样品表面的声表面波波速，如图6所示。该图说明本发明测振系统能检测到微小的高频振动，为材料性质检测、探伤提供了基础和依据。

Claims (4)

1.一种基于光纤斐索干涉的自适应宽带测振系统，其特征在于，包括压电微位移控制器(1)、光纤斐索干涉仪(2)、光电转换模块(3)、可调放大电路(4)、FPGA模块(5)和压电位移控制模块(6)；

所述压电微位移控制器(1)、光纤斐索干涉仪(2)、光电转换模块(3)依次连接，光电转换模块(3)用于采集光纤斐索干涉仪(2)的干涉信号并将光信号转换为电信号，所述可调放大电路(4)用于将电信号放大并输出到FPGA模块(5)的接收端，由FPGA模块(5)将接收的信号进行储存并传输至压电位移控制模块(6)，压电位移控制模块(6)根据FPGA模块(5)接收端的电信号反馈调整压电微位移控制器(1)进行位置控制；

所述压电微位移控制器(1)包括压电微位移平台和压电致动器；压电微位移平台包括载物台(7)、定位台(8)、预紧铰链(9)、传送铰链(10)、压电致动器凹槽(11)和预紧螺丝凹槽(12)，压电致动器包括压电陶瓷和压电陶瓷供电模块；所述定位台(8)为U型结构，被预紧铰链(9)、传送铰链(10)分割为三部分，分别用于固定放置载物台(7)、压电致动器和预紧螺钉；其中载物台(7)用于放置光纤探头，预紧铰链(9)、传送铰链(10)为平板柔性铰链结构；预紧铰链(9)将预紧螺钉的轴向位移传递到压电陶瓷上；载物台(7)被过盈配合放置于传动铰链(10)上；通过压电陶瓷膨胀产生水平位移由传送铰链(10)传递到载物台(7)上。

2.根据权利要求1所述的基于光纤斐索干涉的自适应宽带测振系统，其特征在于，所述光线斐索干涉仪(2)包括激光器、隔离器、耦合器和光纤探头，激光器产生激光光束，激光光束经过隔离器和耦合器到达光纤探头，光纤探头处形成的干涉光再次经过耦合器在光路内部传播后由光电转换模块(3)的光电二极管与雪崩二极管探测。

3.根据权利要求1所述的基于光纤斐索干涉的自适应宽带测振系统，其特征在于，所述光电转换模块(3)采用双路探测，同时使用PIN光电二极管和雪崩二极管，低频信号通过PIN光电二极管探测，高频信号通过雪崩二极管探测。

4.根据权利要求1所述的基于光纤斐索干涉的自适应宽带测振系统，其特征在于，所述压电位移控制模块(6)包括采样数据分析模块与压电微位移平台控制模块，采样数据分析模块对采样数据进行比较并将比较结果发送给压电微位移控制平台控制模块，压电微位移平台控制模块根据处理结果结合PID算法控制压电微位移控制器令光纤探头处于最佳工作点。

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