CN213932391U - 一种用于行星齿轮周向应变测量的光纤光栅波长解调装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于行星齿轮周向应变测量的光纤光栅波长解调装置，该解调系统使用梳状滤波器作为标准具对光纤光栅波长进行校正，改善了可调谐F‑P腔滤波器的非线性，提高了解调系统的精度；达到了保证驱动电压启动时间与上位机采集开始时间的同时性以及驱动电压的周期完整性的工作要求。所设计的FBG波长解调系统在低成本的基础下，在40nm的动态范围内最大误差不超过35pm，即解调系统具有在40nm的动态范围内不超过0.04nm的解调精度，最大调谐速度可达100HZ，满足工程实际的需要并且系统可进行集成化设计，使其能够更广泛的应用于工程实践。
Description
技术领域
本实用新型属于光纤布拉格光栅解调系统技术领域，具体涉及一种用于行星齿轮周向应变测量的光纤光栅波长解调装置。
背景技术
齿轮在实际使用过程中，由于制造误差、轮齿和轴的弹性变形等原因，齿根会产生很大附加动应力，影响齿轮的传动精度、产生有害的振动和噪声，严重时还会造成轮齿折断，因此有必要开发设计用于用于行星齿轮箱周向应变测量的光纤光栅波长解调系统，进行行星齿轮箱周向应变测量，提高齿轮的传动精度与效率，防止断齿事故发生。
光纤光栅解调装置是根据应变与Bragg波长变化量之间的关系，即应变模型，得到待测的应变值。它是一个集波长解调、信号处理和信号终端为一体的智能装置。
光纤光栅传感技术是伴随光纤通信技术而产生的一项重要发明，该技术釆用光信号调制方式。实际应用中，解调技术是光纤光栅传感应用的瓶颈，其性能的好坏直接影响整个光纤光栅传感监测系统的精度和灵敏度。
目前常见的光纤光栅解调技术包括有源解调技术(如可调谐滤波器解调技术，可调谐激光器解调技术，干涉仪解调技术等)和无源解调技术(如匹配光栅解调技术和边缘滤波器解调技术等)。其中，边缘滤波器法中滤波器的准直和稳定性会影响测试系统的精度，且便携性较差、分辨率不高；非平衡M-Z干涉法需采用特殊的隔离措施；而匹配光栅法存在难以保证传感光栅和参考光栅参数完全相同，存在只适用于静态或准静态测量等缺点。
可调谐F-P滤波器以体积小、响应速度快、信噪比和分辨率高、稳定性好等特性，被广泛应用于FBG传感器的波长解调方案中。然而，可调谐F-P 腔滤波器压电陶瓷(PZT)的非线性、迟滞性以及温度漂移等因素，导致了光纤光栅的反射波长峰值位置与实际波长之间的关系也是非线性，造成系统测量精度的严重下降，亟需建立稳定的光纤光栅波长监测解调系统。
实用新型内容
本实用新型提供一种用于行星齿轮周向应变测量的光纤光栅波长解调装置，利用高精度梳状滤波器作为标准具，提供多个间隔相同、幅值平稳的波长参考点，改善系统的非线性，提高系统测量精度，实现宽范围高精度的光纤光栅波长解调。
本实用新型所采用的技术方案是，一种用于行星齿轮周向应变测量的光纤光栅波长解调装置，利用可调谐法布里－珀罗滤波器的窄带滤波特性实现对宽带光源的线性扫描，采用高精度梳状滤波器作为实时参考，实时校准光纤光栅的反射波长，精确测得中心波长偏移量Δλ，获得稳定的光纤光栅波长监测解调系统。
本实用新型一种用于行星齿轮周向应变测量的光纤光栅波长解调装置，包括ASE宽带光源、3dB耦合器、传感光纤光栅阵列FBG、可调谐F-P滤波器、光隔离器、高精度梳状滤波器FFPI、光电探测器、高速同步采集卡、上位机；
其中，ASE宽带光源发出的光经过3dB耦合器后，一路70％的光经过传感光纤光栅阵列FBG3，满足Bragg条件的光波信号被反射回来，反射信号经由3dB耦合器进入可调谐F-P滤波器中，F-P滤波器的腔长通过在与其连接的压电陶瓷上施加锯齿状的扫描电压，调整其腔间隔，当F-P滤波器的输出光谱与传感光纤光栅阵列FBG光谱重合时，滤波器的透射光光强最大；另外一路30％的光经光隔离器进入高精度梳状滤波器FFPI，传感光纤光栅阵列FBG的反射光信号和梳状滤波器FFPI的透射光信号分别同时进入F-P 滤波器，经信号调理电路调理后，由光电探测器探测到，光信号经放大后，由数据采集卡对两路信号调理电路输出的光信号进行实时数据采集，并输入处理单元上位机进行解调，基于信号调理电路，将光脉冲信号转化为时序电脉冲信号，再依据可调谐F-P滤波器的F-P腔透射波长与扫描电压的标定值，最后得出FBG波长值。
采用高精度梳状滤波器作为实时参考，提供多个间隔相同、幅值平稳的波长参考点；实时校准光纤光栅的反射波长，改善系统的非线性，提高系统测量精度。
Bragg条件是指透射波长和传感光纤光栅阵列FBG反射谱的中心波长一致，此时可调谐F-P腔滤波器输出光强最大。
本实用新型的特点在于，
采用的宽带光源的型号为HOYATER公司的ASE自发式光源，该光源输出稳定，受外界温度影响小，输出光功率高，平坦度好，价格适中，且尺寸小，适合系统集成化设计。参数为：输出光功率10.5dBm，光谱范围 1525nm-1567nm，带尾纤FC/APC封装。
采用的多端口输出输入光耦合器是2*2的3dB耦合器，其中一个输出端口输出70％的光源，另一端则输出输入光源的30％，其工作中心波长为 1550nm，插入损耗为0.3dB，偏振相关损耗小于0.1dB，带尾纤和FC/APC 接头。
选用的可调谐F-P滤波器是美国MOI公司的最新产品FFP-TF2，利用产品FFP-TF2滤波器的窄带滤波特性实现对宽带光源的线性扫描。其自由光谱范围为97.5nm，标准精细度是650，调谐速率800Hz/FSR，调谐电压 18V/FSR。
选用的高精度梳状滤波器是MOI公司的FFP-I，该梳状滤波器是作为解调系统的标准具，其标准波长已知。FFP-I滤波器在光源平坦带宽范围内将输出数条均匀的光谱，能改善可调谐F-P腔滤波器带来的系统非线性问题，满足设计要求。其精度为±0.1％，腔长0.8nm，中心波长1550nm，光谱范围为1520nm～1570nm。
数据采集卡，能对传感光纤光栅的反射光信号和梳状滤波器的透射光信号这两路信号进行光信号-电流信号-电压信号的同步转换。
Bragg条件是指透射波长和传感光纤光栅阵列FBG反射谱的反射光中心波长一致，此时可调谐F-P腔滤波器输出光强最大。
F-P滤波器包含2个高反射镜，其中一个固定，另一个在外力的作用下可移动，且背面贴有压电陶瓷；可调谐F-P滤波器透射出来的窄带光在锯齿波扫描电压的控制下发生周期性变化。
本实用新型的有益效果是，本实用新型的一种用于行星齿轮周向应变测量的光纤光栅波长解调装置，采用梳状滤波器FFPI作为解调系统的标准具，当已知驱动电压与可调谐F-P腔滤波器透射波长的关系并检测到FBG反射光谱在扫描电压周期中的位置时，通过与已知的梳状滤波器的标准波长及梳状滤波器在扫描电压周期中的位置进行数据拟合，精确得出FBG反射波长值，获得内齿圈齿根应变变化值。该FFPI光纤光栅波长解调装置确保了驱动电压启动时间与上位机采集开始时间的同时性及驱动电压的周期完整性，改善了F-P滤波器固有的非线性问题，能实时校正光纤光栅的反射波长，实现了宽范围高精度的光纤光栅波长解调。经实验测定，本实用新型设计的一种用于行星齿轮周向应变测量的光纤光栅波长解调装置，最大测量误差 34pm，分辨率1pm，测量范围40nm，最大调谐速度100HZ。
附图说明
图1是本实用新型的一种用于行星齿轮周向应变测量的光纤光栅波长解调装置可调谐F-P腔滤波器内部结构示意图；
图2是本实用新型一种用于行星齿轮周向应变测量的光纤光栅波长解调装置硬件结构图。
图3是本实用新型一种用于行星齿轮周向应变测量的光纤光栅波长解调装置原理图；
图4是本实用新型实施例测试得出的温度和波长的关系实验曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
本实用新型的一种可调谐F-P滤波器内部结构示意图如图1所示，在一定波长范围内，从光纤入射的光经透镜L1准直变成平行光进入F-P腔，在两个具有高反射率的平行反射镜之间产生多光束干涉。出射光经透镜L2聚焦汇聚到探测器上。构成F-P腔的两个高反射镜，其中一个固定，另一个在外力的作用下可以移动，且背面贴有压电陶瓷(PZT)。单个F-P腔产生的光谱是窄线宽、尖顶型的光谱。在谐振腔内总相移为零的那些波长可以用公式2nh/k＝λk来描述，式中n为折射率、k为干涉级数、h为F-P谐振腔的腔长。 F-P腔腔长的伸长量与所加驱动电压成正比。当给压电陶瓷施加一个锯齿波扫描电压时，压电陶瓷将产生伸缩，从而可以改变F-P腔的腔长，使F-P腔的透射光波长发生变化。如果F-P腔的透射波长λ1与FBG的反射波长λ吻合，则探测器探测到的光强I达到最大，此时给压电陶瓷施加的电压U就可以用来表征FBG的反射波长λ2。这样就能通过压电陶瓷施加的电压U来表征FBG的反射波长λ2。
如图2和图3所示，本实用新型的一种用于行星齿轮周向应变测量的光纤光栅波长解调装置结构图，包括ASE宽带光源1、3dB耦合器2、传感光纤光栅阵列FBG3、可调谐F-P滤波器4、光隔离器5、高精度梳状滤波器 FFPI 6、光电探测器7、高速同步采集卡8以及上位机9；
系统工作时，ASE宽带光源1发出的光经过耦合器2进行分光，一路光束(70％输出端)进入传感光纤光栅阵列FBG3，另一路光束(30％输出端) 通过光隔离器5、进入作为标准具的高精度梳状滤波器FFPI6，两路光束经反射后再次经过3dB耦合器2，耦合过的光束进入被锯齿波驱动的可调谐F-P 滤波器4进行扫描滤波，可调谐F-P滤波器4透射出来的窄带光在锯齿波扫描电压的控制下发生周期性变化。通过光电探测器7后，光纤光栅的反射光信号和梳状滤波器的透射光信号两路信号，同时被双通道高速同步采集卡8 采集到，并经光信号-电流信号-电压信号转换后，送至上位机9上进行数据处理。
同时，上位机通过数据采集卡输出周期性电压对F-P腔滤波器进行驱动，使其在特定的波长范围内进行扫描。周期性电压驱动可调谐F-P腔滤波器时，其中的压电陶瓷(PZT)会伸缩，可调谐F-P腔滤波器的腔长会改变，所以，通过可调谐F-P腔滤波器的波长λ1会发生变化。可调谐F-P腔滤波器输出光强I1最大时，是当透射波长和反射波长值一致的时候。F-P腔滤波器的透射波长λ1和腔长是逐一对应的关系，同时压电陶瓷上的驱动电压U与F-P腔滤波器腔长是逐一对应的关系，所以驱动可调谐F-P腔滤波器的周期性电压 U与透射波长λ1是逐一对应的关系，即当已知驱动电压与可调谐F-P腔滤波器透射波长λ1的关系并检测到FBG反射光谱在扫描电压周期中的位置时，通过与已知的梳状滤波器的标准波长λ0及梳状滤波器在扫描电压周期中的位置进行数据拟合，便可求得FBG反射波长变化值Δλ进而可求出行星齿轮内齿圈齿根应变变化值。
实验研究：
在恒温(室温20℃)下进行了解调系统性能实验：通过将参考光栅置于水中使其基本处于恒温状态，以提高波长测量精度。首先将传感光栅置于10℃的热水中并使其自然冷却，在水温缓慢下降的过程中，然后测量传感光栅的 Bragg波长，我们在50℃～10℃之间共测量了15个温度点的数据，最后得到温度和波长的关系曲线图，如图4所示。实验所用宽带光源的带宽为78.2nm，可调谐F-P滤波器的自由光谱范围为98.8nm，参考光栅的Bragg波长分别为λ＝1825nm。
从图4温度和波长的关系曲线，通过数据拟合，可以得到测量数据的线性相关系数R＝0.998，说明传感光栅的中心波长和温度之间具有良好的线性关系。实验中，测量了一个传感光栅，测量精度能够达到±0.3℃。
Claims (10)
1.一种用于行星齿轮周向应变测量的光纤光栅波长解调装置，其特征在于，包括ASE宽带光源(1)、3dB耦合器(2)、传感光纤光栅阵列FBG(3)、可调谐F-P滤波器(4)、光隔离器(5)、梳状滤波器FFPI(6)、光电探测器(7)、高速同步数据采集卡(8)、上位机(9)；
其中，ASE宽带光源(1)发出的光经过3dB耦合器(2)后按7:3分两路，70％的一路光经过传感光纤光栅阵列FBG(3)，满足Bragg条件的光波信号被反射回来，反射光信号再次经由3dB耦合器(2)进入可调谐F-P滤波器(4)中；另外30％的一路光经光隔离器(5)进入梳状滤波器FFPI(6)，传感光纤光栅阵列FBG(3)的反射光信号和梳状滤波器FFPI(6)的透射光信号分别同时进入F-P滤波器(4)，经信号调理电路调理后，由光电探测器(7)探测到，光信号经放大后，由数据采集卡(8)对两路信号调理电路输出的光信号进行实时数据采集，并输入处理单元上位机(9)进行解调。
2.根据权利要求1所述的一种用于行星齿轮周向应变测量的光纤光栅波长解调装置，其特征在于，所述ASE宽带光源(1)的型号为HOYATER公司的ASE光源，其输出光功率为10.5dBm，光谱范围为1525nm-1567nm，带尾纤FC/APC封装。
3.根据权利要求1所述的一种用于行星齿轮周向应变测量的光纤光栅波长解调装置，其特征在于，所述3dB耦合器(2)是多输入输出2*2的耦合器，其中一个输出端口输出70％的光源，另一端则输出输入光源的30％，其工作中心波长为1550nm，插入损耗为0.3dB，偏振相关损耗小于0.1dB，带尾纤和FC/APC接头。
4.根据权利要求1所述的一种用于行星齿轮周向应变测量的光纤光栅波长解调装置，其特征在于，所述可调谐F-P滤波器(4)的型号FFP-TF2，自由光谱范围为97.5nm，标准精细度是650，调谐速率800Hz/FSR，调谐电压18V/FSR。
5.根据权利要求1所述的一种用于行星齿轮周向应变测量的光纤光栅波长解调装置，其特征在于，所述梳状滤波器FFPI(6)的型号为FFP-I，其精度为±0.1％，腔长0.8nm，中心波长1550nm，光谱范围为1520nm～1570nm。
6.根据权利要求1所述的一种用于行星齿轮周向应变测量的光纤光栅波长解调装置，其特征在于，所述Bragg条件是指透射波长和传感光纤光栅阵列FBG反射谱的中心波长一致。
7.根据权利要求1所述的一种用于行星齿轮周向应变测量的光纤光栅波长解调装置，其特征在于，所述F-P滤波器(4)包含2个高反射镜，其中一个固定，另一个在外力的作用下可移动，且背面贴有压电陶瓷。
8.根据权利要求1所述的一种用于行星齿轮周向应变测量的光纤光栅波长解调装置，其特征在于，所述数据采集卡(8)能对传感光纤光栅的反射光信号和梳状滤波器FFPI的透射光信号两路信号，进行光信号-电流信号-电压信号的同步转换。
9.根据权利要求1所述的一种用于行星齿轮周向应变测量的光纤光栅波长解调装置，其特征在于，所述梳状滤波器FFPI(6)作为标准具，提供多个间隔相同、幅值平稳的波长参考点。
10.根据权利要求1所述的一种用于行星齿轮周向应变测量的光纤光栅波长解调装置，其特征在于，所述F-P滤波器(4)透射出来的窄带光在锯齿波扫描电压的控制下发生周期性变化。
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