CN115307717A - 一种光纤加速度传感系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤加速度传感系统及方法，属于光纤传感技术领域。包括激光器、平衡式干涉仪、双路光电探测器、电源驱动及信号处理模块和扁平式马达。通过平衡式干涉仪将振动信号转变为光的相位变化，生成双路相位差为2π/3的干涉信号来实现振动加速度探测，大幅度降低光纤传感系统的成本；通过引入扁平式马达避免在光路中增加相位调制器，实现了光纤传感系统的低成本、低功耗和小型化；通过在光纤传感系统开始监测前，扁平式马达的振动主动引入相位变化不小于π/2，拟合用的椭圆弧度不小于1/4个圆弧的调制信号，促使光纤传感系统满足高精度椭圆拟合的监测条件，从而实现微振动信号的高精度解调的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别是一种光纤加速度传感系统及方法。
背景技术
光纤加速度传感系统以其灵敏度高，抗电磁干扰能力强，在工业及工程领域越来越受到关注和重视。基于光纤的传感机制正在一步步地发展起来，有望在多个领域替代现有的电传感机制。目前的光纤加速度传感系统一般都是基于Mach-Zehnder或者Michelson干涉仪结构构成。将干涉仪的一个臂或者两个臂绕在弹性体上，当干涉仪感受到外界振动时，两个臂上会产生相位差，对两个臂产生的干涉信号进行探测和解调，便可以将振动信号解调出来，系统一般用窄线宽半导体激光器或窄线宽光纤激光器，激光器线宽约1kHz量级。而基于空分复用、时分复用、波分复用等方式组成大规模阵列，组成阵列式时需要使用光缆连接，增加了系统的复杂度和成本，安装不够灵活简便。
光纤加速度传感系统大多是基于相位载波生成的方法或者外差法，以及常规的基于椭圆拟合的方法。基于相位载波生产的方法需要在光路中增加相位调制器，基于外差法的解调方案需要在光路中增加移频器，常规的基于椭圆拟合的方法为了实现高精度拟合也需要在光路中增加相位调制器。基于Mach-Zehnder或者Michelson光纤干涉仪结构，需要在激光器内部或者在干涉仪中的一个臂上加入相位调制器并要求非平衡干涉仪，这样就需要线宽很窄的激光器，而窄线宽的激光器将极大提高了整个系统价格。此外，基于外差法的解调方案，则需要在干涉仪的一个臂上加入移频器，会增加系统的复杂度和体积。
上述三种方案均不利于系统的小型化，且需要使用线宽很窄的激光器（约kHz量级），从而造成系统体积偏大，价格偏高的技术问题。
目前的光纤加速度传感系统，为了实现低的系统相位噪声及高振动分辨率，需要采用线宽为kHz量级的半导体激光器或者光纤激光器，解调方案多采用相位生成载波方法或者外差法，以及基于椭圆拟合方法的解调方案等。基于以上三种方案的光纤加速度传感系统均需要在激光内部或者传感光路中引入调制器，需要线宽很窄的激光器，一般线宽为kHz量级，这不仅会增加系统的复杂度，也会增加系统的成本和功耗，不利于系统的小型化集成。基于椭圆拟合方法的解调方案，为了实现高精度拟合，一般要求调制信号相位变化不小于π/2，拟合的椭圆弧度不小于1/4个圆弧，且需要调制频率是待测信号频率与幅度乘积的两倍以上。
为解决传统光纤加速度传感系统无法实现对微振动信号的高精度椭圆拟合及信号解调，同时相位调制器的引入提高了系统对窄线宽激光器的线宽需求（约kHz量级），不利于系统的低成本、低功耗和小型化的问题。本发明提供一种光纤加速度传感系统及方法，通过平衡式干涉仪将振动信号转变为光的相位变化，生成双路相位差为2π/3的干涉信号来实现振动加速度探测，在保证高精度测量的同时，极大的降低了光纤传感系统对窄线宽激光器的线宽需求，从而大幅度降低光纤传感系统的成本；通过引入扁平式马达避免在光路中增加相位调制器，在进一步降低光纤传感系统的成本及功耗的同时，实现系统的小型化；在光纤传感系统开始监测前，通过扁平式马达的振动主动引入相位变化不小于π/2，拟合用的椭圆弧度不小于1/4个圆弧的调制信号，促使光纤传感系统满足高精度椭圆拟合的监测条件，从而实现微振动信号的高精度拟合和解调；此外，本发明便于组成无线光纤振动监测阵列，不需要光缆施工，从而降低了施工难度和施工成本。
发明内容
针对上述问题，提供一种光纤加速度传感系统及方法，包括光纤传感系统，所述光纤传感系统包括激光器、平衡式干涉仪、双路光电探测器、电源驱动及信号处理模块和扁平式马达。本发明通过平衡式干涉仪将振动信号转变为光的相位变化，生成双路相位差为2π/3的干涉信号来实现振动加速度探测，大幅度降低光纤传感系统的成本；通过引入扁平式马达避免在光路中增加相位调制器，实现了光纤传感系统的低成本、低功耗和小型化；通过在光纤传感系统开始监测前，扁平式马达的振动主动引入相位变化不小于π/2，拟合用的椭圆弧度不小于1/4个圆弧的调制信号，促使光纤传感系统满足高精度椭圆拟合的监测条件，从而实现微振动信号的高精度拟合和解调。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是。
一种光纤加速度传感系统，包括光纤传感系统，所述光纤传感系统包括激光器、平衡式干涉仪、双路光电探测器、电源驱动及信号处理模块和扁平式马达；所述平衡式干涉仪包括耦合器、法拉第旋转镜、上臂敏感光纤和下臂敏感光纤；所述上臂敏感光纤和下臂敏感光纤长度相等；所述扁平式马达用于在监测的微振动信号不足以实现高精度椭圆拟合解调时，在所述光纤传感系统开始监测前主动引入相位变化不小于π/2，拟合用的椭圆弧度不小于1/4个圆弧的调制信号，使得所述光纤传感系统满足高精度椭圆拟合的监测条件，从而实现微振动信号的解调。
优选的，所述电源驱动及信号处理模块在所述光纤传感系统启动时向扁平式马达输出电源信号，所述电源信号驱动扁平式马达产生振动信号，所述振动信号被所述平衡式干涉仪采集并输出高精度椭圆拟合的调制信号后，所述电源驱动及信号处理模块自动切断输出至扁平式马达的电源信号。
优选的，所述电源驱动及信号处理模块可对所述激光器输入的电源进行降噪处理，并为所述激光器提供低噪声电源和温度调控。
优选的，所述耦合器采用3×3光纤耦合器，所述激光器产生的激光通过耦合器的一个输入端，经所述耦合器的耦合输出至上臂敏感光纤、下臂敏感光纤和第三输出端，所述上臂敏感光纤和下臂敏感光纤输入的激光分别经法拉第旋转镜后返回至耦合器内，并输出双路光信号至双路光电探测器，由双路光电探测器将双路光信号转化为双路电信号输出至电源驱动及信号处理模块，并由电源驱动及信号处理模块进行矫正后解调，最终解调出待测信号。
优选的，所述第三输出端做消返处理。
优选的，所述上臂敏感光纤缠绕至弹性体上，所述下臂敏感光纤缠绕至振动不敏感的质量块上。
优选的，所述上臂敏感光纤与下臂敏感光纤分别缠绕至对应的两个弹性体上，并与质量块构成质量-弹簧系统。
优选的，所述平衡式干涉仪输出的双路光信号的相位差为2π/3，所述双路光信号经双路光电探测器转化为双路电信号，并输出至所述电源驱动及信号处理模块。
优选的，所述双路电信号通过电源驱动及信号处理模块矫正，得到相位差为π/2的双路正交信号，并由所述电源驱动及信号处理模块解调获取待测信号。
优选的，一种采用上述光纤传感系统获取微振动信号的方法，包括以下步骤。
S1：通过电源驱动及信号处理模块产生电源信号驱动扁平式马达产生振动信号，所述振动信号被所述平衡式干涉仪采集并输出高精度椭圆拟合的调制信号后，所述电源驱动及信号处理模块自动断开输出至扁平式马达的电源信号，上述光纤传感系统在断开电源信号后正式开展后续监测工作；所述调制信号为相位变化不小于π/2，拟合用的椭圆弧度不小于1/4个圆弧。
S2：所述电源驱动及信号处理模块对所述激光器输入的电源进行降噪处理，并为所述激光器提供低噪声电源和温度调控，所述激光器产生的激光经3×3光纤耦合器的一个输入端耦合进入平衡式干涉仪内部。
S3：所述激光经耦合器的耦合后输出至上臂敏感光纤、下臂敏感光纤和第三输出端；所述第三输出端做消返处理，所述上臂敏感光纤和下臂敏感光纤分别缠绕至对应弹性体上；或所述上臂敏感光纤缠绕至弹性体上，所述下臂敏感光纤缠绕至质量块上；所述上臂敏感光纤与下臂敏感光纤的长度相等；所述上臂敏感光纤与下臂敏感光纤输入的激光经法拉第旋转镜后返回至耦合器内，并输出相位差2π/3的双路光信号。
S4：所述双路光信号经双路光电探测器后，将双路光信号转化为相位差2π/3的双路电信号；并输出至电源驱动及信号处理模块。
S5：所述电源驱动及信号处理模块对相位差2π/3的双路电信号进行矫正，得到相位差为π/2的双路正交信号，并由所述电源驱动及信号处理模块解调，最终获取精确的微振动待测信号。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果。
1.本发明通过平衡式干涉仪将振动信号转变为光的相位变化，生成双路相位差为2π/3的干涉信号来实现振动加速度探测，平衡式干涉仪的传感臂与参考臂等长；在保证高精度测量的同时，极大降低了光纤传感系统对窄线宽激光器的线宽要求，大幅度降低光纤传感系统的成本。
2.本发明通过引入扁平式马达避免了在光路中增加相位调制器，在进一步降低光纤传感系统的成本及功耗的同时，实现系统的小型化。
3.本发明在光纤传感系统开始监测前，通过扁平式马达的振动主动引入相位变化不小于π/2，拟合用的椭圆弧度不小于1/4个圆弧的调制信号，促使光纤传感系统满足高精度椭圆拟合的监测条件，从而实现微振动信号的高精度拟合和解调。
4. 本发明便于组成无线光纤振动监测阵列，不需要光缆施工，从而降低了施工难度和施工成本。
附图说明
以下对本发明优选实施例的制作和应用进行详细讨论。但应理解的是，本发明提供了许多可应用的发明构思，其可以体现在各种特定的环境中。所讨论的具体实施例仅是为了说明制造和使用本本发明的具体方式，并不限制本发明的范围，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的扁平式马达振动下双路电信号的李萨如图。
具体实施方式
以下对本发明优选实施例的制作和应用进行详细讨论。但应理解的是，本发明提供了许多可应用的发明构思，其可以体现在各种特定的环境中。所讨论的具体实施例仅是为了说明制造和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围。
实施例1
如图1所示的一种光纤加速度传感系统的结构示意图，包括激光器、平衡式干涉仪、双路光电探测器、电源驱动及信号处理模块和扁平式马达；所述平衡式干涉仪包括耦合器、法拉第旋转镜、上臂敏感光纤和下臂敏感光纤；所述上臂敏感光纤和下臂敏感光纤长度相等；所述扁平式马达用于在监测的微振动信号不足以实现高精度椭圆拟合解调时，在所述光纤传感系统开始监测前主动引入相位变化不小于π/2，拟合用的椭圆弧度不小于1/4个圆弧的调制信号，使得所述光纤传感系统满足高精度椭圆拟合的监测条件，从而实现微振动信号的解调。如图2所示，所述扁平式马达产生的振动信号使得李萨如闭合，使得光纤传感产生的调制信号满足高精度椭圆拟合的监测条件，比传统的光纤传感系统的监测精度更高，同时可实现微振动信号的精确解调。
所述电源驱动及信号处理模块在所述光纤传感系统启动时向扁平式马达输出电源信号，所述电源信号驱动扁平式马达产生振动信号，所述振动信号被所述平衡式干涉仪采集并输出高精度椭圆拟合的调制信号后，所述电源驱动及信号处理模块自动切断输出至扁平式马达的电源信号。
所述电源驱动及信号处理模块可对所述激光器输入的电源进行降噪处理，并为所述激光器提供低噪声电源和温度调控。所述耦合器采用3×3光纤耦合器，所述激光器产生的激光通过耦合器的一个输入端，经所述耦合器的耦合输出至上臂敏感光纤、下臂敏感光纤和第三输出端，所述上臂敏感光纤和下臂敏感光纤输入的激光分别经法拉第旋转镜后返回至耦合器内，并输出双路光信号至双路光电探测器，由双路光电探测器将双路光信号转化为双路电信号输出至电源驱动及信号处理模块，并由电源驱动及信号处理模块进行矫正后解调，最终解调出待测信号。所述第三输出端做消返处理。
所述平衡式干涉仪包含上臂敏感光纤和下臂敏感光纤，所述上臂敏感光纤缠绕至振动不敏感的质量块上，所述下臂敏感光纤缠绕至弹性体上，所述弹性体以一定预应力与质量块固定相连。振动物体产生的振动引起质量块产生惯性振动，所述质量块通过预应力带动弹性体发生振动，使得弹性体发生形变，从而引起缠绕在弹性体上的敏感光纤发生长度变化；而缠绕在质量块上的敏感光纤由于质量块为振动不敏感元件，振动很小或几乎不发生形变，从而使得两条等长的敏感光纤产生长度差，使得双路光信号产生相位变化并形成干涉信号，最终将所述干涉信号采集后输出双路光信号至双路光电探测器。
所述平衡式干涉仪输出的双路光信号的相位差为2π/3，所述双路光信号经双路光电探测器转化为双路电信号，并输出至所述电源驱动及信号处理模块。所述双路电信号通过电源驱动及信号处理模块矫正，得到相位差为π/2的双路正交信号，并由所述电源驱动及信号处理模块解调获取待测信号。
本实施例通过在平衡式光纤监测前引入扁平式马达，使得光纤传感系统主动引入相位变化不小于π/2，拟合用的椭圆弧度不小于1/4个圆弧的调制信号，从而使得所述光纤传感系统满足高精度椭圆拟合的监测条件，最终实现对微小振动的高精度监测；平衡式干涉仪可将振动信号转变为双路相位差2π/3的干涉信号来实现振动加速度探测，在保证高精度测量的同时，极大的降低了光纤传感系统对窄线宽激光器的线宽需求，从而大幅度降低光纤传感系统的成本，此外，由于引入了扁平式马达，从而避免了在干涉光路中增加相位调制器，最终实现光纤传感系统的低成本、低功耗和小型化。
本发明所述电源驱动及信号处理模块产生电源信号驱动扁平式马达产生振动信号，所述振动信号被所述平衡式干涉仪采集并输出高精度椭圆拟合的调制信号后，所述电源驱动及信号处理模块自动断开输出至扁平式马达的电源信号。所述调制信号为相位变化不小于π/2，拟合用的椭圆弧度不小于1/4个圆弧。根据所述调制信号拟合计算出椭圆参数，后续监测微小振动时可根据拟合计算出的椭圆参数进行椭圆拟合，即可求得双路正交信号，然后运用微分交叉相乘算法或者反正切算法即可得到精确的微振动信号；此时，所述光纤传感系统在得到椭圆参数后断开电源信号，正式开展后续监测工作。
所述扁平马达在正式开始监测前产生振动对平衡式干涉仪进行调制，根据平衡式干涉仪产生的调制信号得到椭圆参数的原理如下。
所述耦合器输出双路干涉信号强度可以用下式表示：
上式中, 
和
是双路信号的直流分量；b1和b2是双路干涉信号的条纹对
比度；L为传感光纤的长度；
是干涉信号的初始相位，
为双路干涉信号的初始相位
差，在3×3光纤耦合器中该值为2π/3，
为外界振动信号引起干涉臂和传感臂产生的相
位差，l为外界振动信号引起干涉臂和传感臂产生的光纤长度差。
根据一般的椭圆公式，方程（1）可以表达为：
针对两组数据V 1和V 2，对上式运用求特征向量法处理，椭圆参数A，B,C,D,E将计算出来，而根据计算出的椭圆参数，即可求得双路正交信号，然后运用微分交叉相乘算法或者反正切算法即可得到精确的微振动信号。
正式开始监测时，所述电源驱动及信号处理模块对所述激光器输入的电源进行降噪处理，并为所述激光器提供低噪声电源和温度调控，所述激光器产生的激光经3×3光纤耦合器的一个输入端耦合进入平衡式干涉仪内部。所述激光经耦合器的耦合后输出至上臂敏感光纤、下臂敏感光纤和第三输出端；所述第三输出端做消返处理；所述上臂敏感光纤缠绕至振动不敏感的质量块上，所述下臂敏感光纤缠绕至弹性体上，所述弹性体以一定预应力与质量块固定相连；此时，外界振动物体产生的振动信号通过惯性带动光纤传感系统中的质量块发生振动，进而通过预应力带动弹性体发生振动，最终带动缠绕在弹性体上的敏感光纤振动，使得敏感光纤产生长度变化；而缠绕在质量块上的敏感光纤由于质量块为振动不敏感元件，产生的形变很小或几乎不发生形变，从而使得两条等长的敏感光纤产生长度差，使得双路光信号产生相位变化并形成干涉信号，最终将所述干涉信号采集后经法拉第旋转镜后返回至耦合器内，并输出相位差2π/3的双路光信号至双路光电探测器。
所述双路光信号经双路光电探测器后，将双路光信号转化为相位差2π/3的双路电信号；并输出至电源驱动及信号处理模块。所述电源驱动及信号处理模块对相位差2π/3的双路电信号进行矫正，得到相位差为π/2的双路正交信号，并由所述电源驱动及信号处理模块通过微分交叉相乘算法或者反正切算法解调，最终获取精确的微振动待测信号。
实施例2
如图1所示的一种光纤加速度传感系统的结构示意图，包括激光器、平衡式干涉仪、双路光电探测器、电源驱动及信号处理模块和扁平式马达；所述平衡式干涉仪包括耦合器、法拉第旋转镜、上臂敏感光纤和下臂敏感光纤；所述上臂敏感光纤和下臂敏感光纤长度相等；所述扁平式马达用于在监测的微振动信号不足以实现高精度椭圆拟合解调时，在所述光纤传感系统开始监测前主动引入相位变化不小于π/2，拟合用的椭圆弧度不小于1/4个圆弧的调制信号，使得所述光纤传感系统满足高精度椭圆拟合的监测条件，从而实现微振动信号的解调。如图2所示，所述扁平式马达产生的振动信号使得李萨如闭合，使得光纤传感产生的调制信号满足高精度椭圆拟合的监测条件，比传统的光纤传感系统的监测精度更高，同时可实现微振动信号的精确解调。
所述电源驱动及信号处理模块在所述光纤传感系统启动时向扁平式马达输出电源信号，所述电源信号驱动扁平式马达产生振动信号，所述振动信号被所述平衡式干涉仪采集并输出高精度椭圆拟合的调制信号后，所述电源驱动及信号处理模块自动切断输出至扁平式马达的电源信号。
所述电源驱动及信号处理模块可对所述激光器输入的电源进行降噪处理，并为所述激光器提供低噪声电源和温度调控。所述耦合器采用3×3光纤耦合器，所述激光器产生的激光通过耦合器的一个输入端，经所述耦合器的耦合输出至上臂敏感光纤、下臂敏感光纤和第三输出端，所述上臂敏感光纤和下臂敏感光纤输入的激光分别经法拉第旋转镜后返回至耦合器内，并输出双路光信号至双路光电探测器，由双路光电探测器将双路光信号转化为双路电信号输出至电源驱动及信号处理模块，并由电源驱动及信号处理模块进行矫正后解调，最终解调出待测信号。所述第三输出端做消返处理。
所述上臂敏感光纤和下臂敏感光纤分别位于质量块两侧的弹性体上，呈上下对称结构，所述弹性体分别以一定预应力设置于所述质量块的上下两侧，所述上臂敏感光纤与下臂敏感光纤分别缠绕至对应上下两侧的弹性体上，并与质量块构成质量-弹簧系统，所述上臂敏感光纤与下臂敏感光纤的长度相等；当外界振动物体产生的振动信号通过惯性带动质量块产生振动后，所述质量块会通过预应力带动对应的左右两侧弹性体发生形变，即当质量块由于惯性向上运动时，会通过预应力压缩上侧弹性体，使得缠绕在上侧弹性体上的上臂敏感光纤变短，同时，所述质量块会通过预应力同步拉伸下侧弹性体，使得下侧弹性体伸长，且下侧弹性体的伸长量与上侧弹性体的压缩量相同，进而促使缠绕在下侧弹性体上的下臂敏感光纤与缠绕在上侧弹性体上的上臂敏感光纤产生等长、相反的形变（类似两根等长弹簧中间加入一质量块，质量块向上或向下会使得上下两侧的等长弹簧发生相同形变）；进而使得缠绕在上下两侧弹性体上的上臂敏感光纤与下臂敏感光纤发生相反、振幅相同的形变，从而使得两条等长的敏感光纤产生振幅相同、方向相反的干涉信号，最终将所述干涉信号采集后输出双路光信号至双路光电探测器。
所述平衡式干涉仪输出的双路光信号的相位差为2π/3，所述双路光信号经双路光电探测器转化为双路电信号，并输出至所述电源驱动及信号处理模块。所述双路电信号通过电源驱动及信号处理模块矫正，得到相位差为π/2的双路正交信号，并由所述电源驱动及信号处理模块解调获取待测信号。
本实施例通过在平衡式光纤监测前引入扁平式马达，使得光纤传感系统主动引入相位变化不小于π/2，拟合用的椭圆弧度不小于1/4个圆弧的调制信号，从而使得所述光纤传感系统满足高精度椭圆拟合的监测条件，最终实现对微小振动的高精度监测；平衡式干涉仪可将振动信号转变为双路相位差2π/3的干涉信号来实现振动加速度探测，在保证高精度测量的同时，极大的降低了光纤传感系统对窄线宽激光器的线宽需求，从而大幅度降低光纤传感系统的成本，此外，由于引入了扁平式马达，从而避免了在干涉光路中增加相位调制器，最终实现光纤传感系统的低成本、低功耗和小型化。
本发明所述电源驱动及信号处理模块产生电源信号驱动扁平式马达产生振动信号，所述振动信号被所述平衡式干涉仪采集并输出高精度椭圆拟合的调制信号后，所述电源驱动及信号处理模块自动断开输出至扁平式马达的电源信号，所述调制信号为相位变化不小于π/2，拟合用的椭圆弧度不小于1/4个圆弧，并根据所述调制信号拟合计算出椭圆参数，后续监测微小振动时可根据拟合计算出的椭圆参数进行椭圆拟合，即可求得双路正交信号，然后运用微分交叉相乘算法或者反正切算法即可得到精确的微振动信号，此时，所述光纤传感系统在得到椭圆参数后断开电源信号，正式开展后续监测工作。
所述扁平马达在正式开始监测前产生振动对平衡式干涉仪进行调制，根据平衡式干涉仪产生的调制信号得到椭圆参数的原理如下。
所述耦合器输出双路干涉信号强度可以用下式表示：
上式中, 
和
是双路信号的直流分量；b1和b2是双路干涉信号的条纹对
比度；L为传感光纤的长度；
是干涉信号的初始相位，
为双路干涉信号的初始相位
差，在3×3光纤耦合器中该值为2π/3，
为外界振动信号引起干涉臂和传感臂产生的相
位差，l为外界振动信号引起干涉臂和传感臂产生的光纤长度差。
根据一般的椭圆公式，方程（1）可以表达为：
针对两组数据V 1和V 2，对上式运用求特征向量法处理，椭圆参数A，B,C,D,E将计算出来，而根据计算出的椭圆参数，即可求得双路正交，接着运用微分交叉相乘算法或者反正切算法即可得到精确的微振动信号。
正式开始监测时，所述电源驱动及信号处理模块对所述激光器输入的电源进行降噪处理，并为所述激光器提供低噪声电源和温度调控，所述激光器产生的激光经3×3光纤耦合器的一个输入端耦合进入平衡式干涉仪内部。所述激光经耦合器的耦合后输出至上臂敏感光纤、下臂敏感光纤和第三输出端；所述第三输出端做消返处理。
所述上臂敏感光纤和下臂敏感光纤分别位于质量块两侧的弹性体上，呈上下对称结构，所述弹性体分别以一定预应力设置于所述质量块的上下两侧，所述上臂敏感光纤与下臂敏感光纤分别缠绕至对应上下两侧的弹性体上，并与质量块构成质量-弹簧系统，所述上臂敏感光纤与下臂敏感光纤的长度相等；此时，当外界振动物体产生的振动信号通过惯性带动质量块产生振动后，所述质量块会通过预应力带动对应的左右两侧弹性体发生形变，即当质量块由于惯性向上运动时，会通过预应力压缩上侧弹性体，使得缠绕在上侧弹性体上的上臂敏感光纤变长，同时，所述质量块会通过预应力同步拉伸下侧弹性体，使得下侧弹性体伸长，且下侧弹性体的伸长量与上侧弹性体的压缩量相同，进而促使缠绕在下侧弹性体上的下臂敏感光纤与缠绕在上侧弹性体上的上臂敏感光纤产生等长、相反的形变（类似两根等长弹簧中间加入一质量块，质量块向上或向下会使得上下两侧的等长弹簧发生相同形变）；进而使得缠绕在上下两侧弹性体上的上臂敏感光纤与下臂敏感光纤发生相反、振幅相同的形变，从而使得两条等长的敏感光纤内的光产生相位差而形成干涉信号，最终将所述干涉信号采集后经法拉第旋转镜后返回至耦合器内，并输出相位差2π/3的双路光信号至双路光电探测器。
所述相位差2π/3的双路光信号经双路光电探测器后，转化为相位差2π/3的双路电信号；并输出至电源驱动及信号处理模块。所述电源驱动及信号处理模块对相位差2π/3的双路电信号进行矫正，得到相位差为π/2的双路正交信号，并由所述电源驱动及信号处理模块通过微分交叉相乘算法或者反正切算法解调，最终获取精确的微振动待测信号。
实施例3
一种采用上述光纤传感系统获取微振动信号的方法，包括以下步骤。
S1：所述电源驱动及信号处理模块产生电源信号驱动扁平式马达产生振动信号，所述振动信号被所述平衡式干涉仪采集并输出高精度椭圆拟合的调制信号后，所述电源驱动及信号处理模块自动断开输出至扁平式马达的电源信号，所述光纤传感系统在断开电源信号后正式开展后续监测工作；所述调制信号为相位变化不小于π/2，拟合用的椭圆弧度不小于1/4个圆弧。
S2：所述电源驱动及信号处理模块对所述激光器输入的电源进行降噪处理，并为所述激光器提供低噪声电源和温度调控，所述激光器产生的激光经3×3光纤耦合器 的一个输入端耦合进入平衡式干涉仪内部。
S3：所述激光经耦合器的耦合后输出至上臂敏感光纤、下臂敏感光纤和第三输出端；所述第三输出端做消返处理，所述上臂敏感光纤和下臂敏感光纤分别缠绕至对应弹性体上；或所述上臂敏感光纤缠绕至弹性体上，所述下臂敏感光纤缠绕至质量块上；所述上臂敏感光纤与下臂敏感光纤的长度相等；所述上臂敏感光纤与下臂敏感光纤输入的激光经法拉第旋转镜后返回至耦合器内，并输出相位差2π/3的双路光信号。
S4：所述双路光信号经双路光电探测器后，将双路光信号转化为相位差2π/3的双路电信号；并输出至电源驱动及信号处理模块。
S5：所述电源驱动及信号处理模块对相位差2π/3的双路电信号进行矫正，得到相位差为π/2的双路正交信号，并由所述电源驱动及信号处理模块解调，最终获取精确的微振动待测信号。
所述扁平马达在光纤传感系统正式开始监测前产生的振动信号对平衡式干涉仪进行调制，根据平衡式干涉仪产生的调制信号得到椭圆参数的原理以及光纤干涉仪对微小振动信号精确监测的原理、流程和步骤根据上述实施例1和实施例2中的相关描述开展。
尽管说明书已经作了详细描述，但是应该理解的是，在不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出多种改变、替换和变更。此外，所描述的具体实施例并不用于限定本发明的范围，本领域普通技术人员基于本发明能够容易理解，当前存在的或以后待开发的处理、机器、制造、物质组成、手段、方法、或者步骤可执行与本发明实施例实质相同的功能或获得实质相同的结果。因此，所附权利要求旨在将此类过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包括在其范围内。
Claims (10)
1.一种光纤加速度传感系统，其特征在于：包括光纤传感系统，所述光纤传感系统包括激光器、平衡式干涉仪、双路光电探测器、电源驱动及信号处理模块和扁平式马达；所述平衡式干涉仪包括耦合器、法拉第旋转镜、上臂敏感光纤和下臂敏感光纤；所述上臂敏感光纤和下臂敏感光纤长度相等；所述扁平式马达用于在监测的微振动信号不足以实现高精度椭圆拟合解调时，在所述光纤传感系统开始监测前主动引入相位变化不小于π/2，拟合用的椭圆弧度不小于1/4个圆弧的调制信号，使得所述光纤传感系统满足高精度椭圆拟合的监测条件，从而实现微振动信号的解调。
2.如权利要求1所述的一种光纤加速度传感系统，其特征在于：所述电源驱动及信号处理模块在所述光纤传感系统启动时向扁平式马达输出电源信号，所述电源信号驱动扁平式马达产生振动信号，所述振动信号被所述平衡式干涉仪采集并输出高精度椭圆拟合的调制信号后，所述电源驱动及信号处理模块自动切断输出至扁平式马达的电源信号。
3.如权利要求2所述的一种光纤加速度传感系统，其特征在于：所述电源驱动及信号处理模块可对所述激光器输入的电源进行降噪处理，并为所述激光器提供低噪声电源和温度调控。
4.如权利要求1所述的一种光纤加速度传感系统，其特征在于：所述耦合器采用3×3光纤耦合器，所述激光器产生的激光通过耦合器的一个输入端，经所述耦合器的耦合输出至上臂敏感光纤、下臂敏感光纤和第三输出端，所述上臂敏感光纤和下臂敏感光纤输入的激光分别经法拉第旋转镜后返回至耦合器内发生干涉，并输出双路光信号至双路光电探测器，由双路光电探测器将双路光信号转化为双路电信号输出至电源驱动及信号处理模块，并由电源驱动及信号处理模块进行矫正后解调，最终解调出待测信号。
5.如权利要求4述的一种光纤加速度传感系统，其特征在于：所述第三输出端做消返处理。
6.如权利要求4所述的一种光纤加速度传感系统，其特征在于：所述上臂敏感光纤缠绕至弹性体上，所述下臂敏感光纤缠绕至振动不敏感的质量块上。
7.如权利要求6所述的一种光纤加速度传感系统，其特征在于：所述上臂敏感光纤与下臂敏感光纤分别缠绕至对应的两个弹性体上，并与质量块构成质量-弹簧系统。
8.如权利要求4的一种光纤加速度传感系统，其特征在于：所述平衡式干涉仪输出的双路光信号的相位差为2π/3，所述双路光信号经双路光电探测器转化为双路电信号，并输出至所述电源驱动及信号处理模块。
9.如权利要求8所述的一种光纤加速度传感系统，其特征在于：所述双路电信号通过电源驱动及信号处理模块矫正，得到相位差为π/2的双路正交信号，并由所述电源驱动及信号处理模块解调获取待测信号。
10.一种采用权利要求1-9任一权利要求所述的光纤传感系统获取振动信号的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：通过电源驱动及信号处理模块产生电源信号驱动扁平式马达产生振动信号，所述振动信号被平衡式干涉仪采集并输出高精度椭圆拟合的调制信号后，所述电源驱动及信号处理模块自动断开输出至扁平式马达的电源信号，上述光纤传感系统在断开电源信号后正式开展后续监测工作；所述调制信号使得双路干涉光的相位变化不小于π/2，拟合用的椭圆弧度不小于1/4个圆弧；
S2：所述电源驱动及信号处理模块对激光器输入的电源进行降噪处理，并为所述激光器提供低噪声电源和温度调控，所述激光器产生的激光经3×3光纤耦合器的一个输入端耦合进入平衡式干涉仪内部；
S3：所述激光经耦合器的耦合后输出至上臂敏感光纤、下臂敏感光纤和第三输出端；所述第三输出端做消返处理，所述上臂敏感光纤和下臂敏感光纤分别缠绕至对应弹性体上；或所述上臂敏感光纤缠绕至弹性体上，所述下臂敏感光纤缠绕至质量块上；所述上臂敏感光纤与下臂敏感光纤的长度相等；所述上臂敏感光纤与下臂敏感光纤输入的激光经法拉第旋转镜后返回至耦合器内，并输出相位差2π/3的双路光信号；
S4：所述双路光信号经双路光电探测器后，将双路光信号转化为相位差2π/3的双路电信号；并输出至电源驱动及信号处理模块；
S5：所述电源驱动及信号处理模块对相位差2π/3的双路电信号进行矫正，得到相位差为π/2的双路正交信号，并由所述电源驱动及信号处理模块解调，最终获取精确的微振动待测信号。
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