CN217384652U - 一种基于自混合干涉的全光纤式材料参数测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于自混合干涉的全光纤式材料参数测量系统，通过激励单元控制光纤传感单元随材料样品一起振动，并使光电探测单元发射使系统处于强反馈条件下的初始光信号给所述光纤传感单元；由光纤传感单元将所述初始光信号照射在处于谐振状态下的材料样品上，再由光纤传感单元采集处于谐振状态下的材料样品反射的强反馈光信号，使所述反馈光信号与所述初始光信号发生自混合干涉效应，生成与材料样品的谐振信号成正比、且无干涉条纹的自混合光信号；再由信号处理单元所述自混合信号中提取所述材料样品的材料参数，相比现有技术，本实用新型能提高测量系统的精度和速度。

Description

一种基于自混合干涉的全光纤式材料参数测量系统

技术领域

本实用新型涉及光学测量领域，尤其涉及一种基于自混合干涉的全光纤式材料参数测量系统。

背景技术

杨氏模量是描述固体材料抵抗变形的物理量，可用于抗压强度、抗弯强度，甚至孔隙率、织构、晶间相等相关的间接测量和研究，是材料应用和工程设计中常用的参数。传统的杨氏模量测量方法主要通过拉伸试验、弯曲试验等通过直接测量材料在已知力的作用下发生的变形来实现，但这些方法可能会导致材料疲劳和损伤，效率和精度较低，不适用当前的发展水平。内摩擦因子常被用来评价试样中振动能量的耗散情况，可作为除谐振频率外的过程控制信息。

激光自混合干涉法(SMI)是一种新兴的无损检测方法，它具有结构简单、易准直、低成本和高分辨率等特点。杨氏模量、内摩擦因子可以通过自混合干涉技术获得材料的共振频率和阻尼系数来测量，但由于自混合干涉条纹的存在，可能会阻碍共振频率和阻尼系数的确定。此外，在自混合信号中对自混合干涉条纹的处理也是一个复杂和耗时的过程。

因此，现有的激光自混合干涉法在测量材料的共振频率和阻尼系数时，由于自混合干涉条纹的存在导致测量材料的共振频率和阻尼系数的速度慢、准确度低已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型提供了一种基于自混合干涉的全光纤式材料参数测量系统，用于解决现有的激光自混合干涉法在测量材料的共振频率和阻尼系数时，由于自混合干涉条纹的存在导致测量材料的共振频率和阻尼系数的速度慢、准确度低的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：

一种基于自混合干涉的全光纤式材料参数测量系统，包括：样品台、激励单元、光纤传感单元、光电探测单元以及信号处理单元；所述信号处理单元与所述光电探测单元建立通信，所述光电探测单元与所述光纤传感单元连接，所述光纤传感单元的测量端对准所述样品台；所述光纤传感单元固定在所述样品台上；所述样品台用于放置所述材料样品；

所述激励单元用于控制所述样品台振动，使得固定在所述样品台上的光纤传感单元振动，并使得放置在所述样品台上的材料样品处于谐振状态；

所述光电探测单元用于发射使系统处于强反馈条件下的初始光信号给所述光纤传感单元；所述光电探测单元用于接收所述强反馈光信号，并使所述强反馈光信号与所述初始光信号与发生自混合干涉效应，生成与材料样品的谐振信号成正比、且无干涉条纹的自混合光信号；并将所述自混合光信号发送给所述信号处理单元；

所述光纤传感单元用于接收所述初始光信号，并将所述初始光信号照射在处于谐振状态下的材料样品上；并采集处于谐振状态下的材料样品反射的强反馈光信号，并将采集的反馈光信号发送给所述光电探测单元；

所述信号处理单元用于接收所述自混合信号，并从所述自混合信号中提取所述材料样品的材料参数。

优选的，所述光电探测单元包括：带尾纤的半导体激光器、光电接收器以及电流温度控制器；

所述半导体激光器的控制端与所述电流温度控制器的控制端连接，所述半导体激光器的尾纤与所述光纤传感单元连接；所述光电接收器的采集端与半导体激光器的谐振腔连接，所述光电接收器还与所述信号处理单元建立通信；

所述电流温度控制器用于控制半导体激光器的泵输入电流的工作温度；

所述半导体激光器发射的初始光信号通过谐振腔传输给所述光纤传感单元；所述光纤传感单元采集的强反馈光信号传递至所述谐振腔内，在所述谐振腔与所述初始光信号耦合成自混合信号；

所述光电接收器用于采集所述谐振腔内的自混合信号，并将所述自混合信号发送给所述信号处理单元。

优选的，所述半导体激光器包括激光二极管、电流调制器以及温度传感器；所述电流调制器的电源端与所述激光二极管的电源端连接，用于提供所述激光二极管工作所需的泵输入电流，所述电流调制器还与所述温度控制传感器建立通信，所述温度控制传感器还与所述温度传感器建立通信；所述温度传感器设置在所述半导体激光器内，用于采集所述半导体激光器内的实时温度，并将所述实时温度发送给所述温度控制传感器；所述温度控制传感器通过控制电流调制器的输出电流来控制泵输入电流的工作温度。

优选的，所述光电接收器包括封装在半导体激光器后端的光电二极管以及与所述光电二极管连接的放大滤波电路；

所述光电二极管用于采集所述谐振腔内的自混合信号，并将所述自混合信号由光信号转化为电信号，并将转化为电信号的自混合信号发送至放大滤波电路；

所述放大滤波电路用于对转化为电信号的自混合信号进行滤波、放大处理，并将滤波放大后的自混合信号发送给所述信号处理单元。

优选的，所述光纤传感单元为：高反射的FBG、光纤反射器、涂于光纤端面的高反射胶中的任意一种。

优选的，所述高反射的FBG的反射率达到50％以上，半峰宽大于0.5nm；所述半导体激光器的输出波长为1550nm±3nm，额定功率为2mW。

优选的，当所述光纤传感单元为高反射的FBG时，所述高反射的FBG通过第一光纤条与所述激光二极管的尾纤连接，所述FBG通过第二光纤条与材料样品连接。

优选的，所述材料样品的长度与厚度的比值要大于或等于20。

本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型中的基于自混合干涉的全光纤式材料参数测量系统，通过激励单元控制光纤传感单元随材料样品一起振动，并使光电探测单元发射使系统处于强反馈条件下的初始光信号给所述光纤传感单元；由光纤传感单元将所述初始光信号照射在处于谐振状态下的材料样品上，再由光纤传感单元采集处于谐振状态下的材料样品反射的强反馈光信号，使所述反馈光信号与所述初始光信号发生自混合干涉效应，生成与材料样品的谐振信号成正比、且无干涉条纹的自混合光信号；再由信号处理单元所述自混合信号中提取所述材料样品的材料参数，相比现有技术，本实用新型能提高测量系统的精度和速度。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是本实用新型优选实施例中的基于自混合干涉的全光纤式材料参数测量系统的结构示意图；

图2是本实用新型优选实施例中的基于自混合干涉的全光纤式材料参数测量系统的工作流程图；

图中标注：

1、样品台，2、激励单元；3、光纤传感单元；4、半导体激光器；5、电流温度控制器；6、光电接收器、7、信号处理单元。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例一：

如图1所示，本实施中公开了一种基于自混合干涉的全光纤式材料参数测量系统，包括：样品台1、激励单元2、光纤传感单元3、光电探测单元以及信号处理单元7；所述信号处理单元7与所述光电探测单元建立通信，所述光电探测单元与所述光纤传感单元3连接，所述光纤传感单元3的测量端对准所述样品台1；所述光纤传感单元3固定在所述样品台1上；所述样品台1用于放置所述材料样品；

所述激励单元2用于控制所述样品台1振动，使得固定在所述样品台1上的光纤传感单元3振动，并使得放置在所述样品台1上的材料样品处于谐振状态；

所述光电探测单元用于发射使系统处于强反馈条件下的初始光信号给所述光纤传感单元3；所述光电探测单元用于接收强反馈光信号，并使所述强反馈光信号与所述初始光信号与发生自混合干涉效应，生成与材料样品的谐振信号成正比、且无干涉条纹的自混合光信号；并将所述自混合光信号发送给所述信号处理单元7；

所述光纤传感单元3用于接收所述初始光信号，并将所述初始光信号照射在处于谐振状态下的材料样品上；并采集处于谐振状态下的材料样品反射的强反馈光信号，并将采集的反馈光信号发送给所述光电探测单元；

所述信号处理单元7用于接收所述自混合信号，并从所述自混合信号中提取所述材料样品的材料参数。

本实用新型中的基于自混合干涉的全光纤式材料参数测量系统，通过激励单元2控制光纤传感单元3随材料样品一起振动，并使光电探测单元发射使系统处于强反馈条件下的初始光信号给所述光纤传感单元3；由光纤传感单元3将所述初始光信号照射在处于谐振状态下的材料样品上，再由光纤传感单元3采集处于谐振状态下的材料样品反射的强反馈光信号，使所述反馈光信号与所述初始光信号发生自混合干涉效应，生成与材料样品的谐振信号成正比、且无干涉条纹的自混合光信号；再由信号处理单元7所述自混合信号中提取所述材料样品的材料参数，相比现有技术，本实用新型能提高测量系统的精度和速度。

实施例二：

实施例二是实施例一的优选实施例，其与实施例一的不同之处在于，对基于自混合干涉的全光纤式材料参数测量系统的具体结构进行了细化：

在本实施例中，如图2所示，公开了一种基于自混合干涉的全光纤式材料参数测量系统，包括：样品台1、激励单元2、光纤传感单元3、光电探测单元以及信号处理单元7；所述信号处理单元7与所述光电探测单元建立通信，所述光电探测单元与所述光纤传感器单元与所述光纤传感单元3连接，所述光纤传感器单元的测量端对准所述样品台1；所述光纤传感单元3固定在所述样品台1上；所述样品台1用于放置所述材料样品；

其中，所述激励单元2用于控制所述样品台1振动，使得固定在所述光纤传感单元3振动，并使得放置在所述样品台1上的材料样品处于谐振状态；所述光纤传感单元3在光电探测单元和被测样品之间，用于激光器和材料样品之间的光传输，利用光纤的长度、高折射系数和低传输损耗特性，使自混合干涉系统工作在强反馈条件下，保证自混合信号与样品振动信号保持线性关系。所述光电探测单元基于自混合干涉原理，利用激光照射在样品后产生的反射或散射后，被测样品的信息通过光信号经反射或折射带回到激光谐振腔内，与初始光信号发生自混合干涉效应，调制半导体激光器4的输出光信号，产生自混合光信号。所述光电探测单元还具有光电转换，信号放大和噪声滤波功能。信号处理单元7由具有模数转换功能的单片机，DSP或者个人电脑构成，用于从所述自混合信号中提取所述材料样品的材料参数。其中，材料参数具体为材料样品的杨氏模量/内摩擦因子。

具体的，所述光电探测单元包括：带谐振腔的半导体激光器4、光电接收器6以及电流温度控制器5；所述半导体激光器4的控制端与所述电流温度控制器5的控制端连接，所述半导体激光器4的谐振腔与所述光纤传感单元3连接；所述光电接收器6的采集端与半导体激光器4的谐振腔连接，所述光电接收器6还与所述信号处理单元7建立通信；所述电流温度控制器5用于控制半导体激光器4的泵输入电流的工作温度；所述半导体激光器4发射的初始光信号通过谐振腔传输给所述光纤传感单元3；所述光纤传感单元3采集的强反馈光信号传递至所述谐振腔内，在所述谐振腔与所述初始光信号耦合成自混合信号；所述光电接收器6用于采集所述谐振腔内的自混合信号，并将所述自混合信号发送给所述信号处理单元7。

具体的，所述半导体激光器4包括激光二极管、电流调制器以及温度传感器；所述电流调制器的电源端与所述激光二极管的电源端连接，用于提供所述激光二极管工作所需的泵输入电流，所述电流调制器还与所述温度控制传感器建立通信，所述温度控制传感器还与所述温度传感器建立通信；所述温度传感器设置在所述半导体激光器4内，用于采集所述半导体激光器4内的实时温度，并将所述实时温度发送给所述温度控制传感器。

即所述激光二极管作为光源并提供谐振腔，用于光源发射和发生自混合干涉，半导体激光器4与电流调制器和温度传感器连接。所述电流调制器用于设置半导体激光器4的输入电流，通过设置半导体激光器4的合理输入电流保证半导体激光器4工作在稳定状态下。所述温度传感器用于监测和稳定半导体激光器4在测量过程中的温度，保证半导体激光器4的正常工作。

具体的，所述光电接收器6包括封装在半导体激光器4后端的光电二极管以及与所述光电二极管连接的放大滤波电路；所述光电二极管用于采集所述谐振腔内的自混合信号，并将所述自混合信号由光信号转化为电信号，并将转化为电信号的自混合信号发送至放大滤波电路；所述放大滤波电路用于对转化为电信号的自混合信号进行滤波、放大处理，并将滤波放大后的自混合信号发送给所述信号处理单元7。

具体的，所述光纤传感单元3为：高反射的FBG、光纤反射器、涂于光纤端面的高反射胶中的任意一种。

具体的，所述样品台1包括支撑轴1和支撑轴2以及由支撑轴1、2支撑起的存放板，所述材料样品和光纤传感单元3均固定在存放板上，所述激励单元2和存放板机械连接，用于敲击所述存放板使固定在存放板上的材料样品和光纤传感单元3振动。

在优选方案中，所述的光纤传感单元3，整体由光纤组成，一端带有FBG(光纤布拉格光栅)并固定在样品上，另一端直接与光电探测单元的尾纤相连。光纤本身具有的长度和低传输损耗，使自混合干涉测量系统工作在强反馈条件下，整个测量系统处于线性传感状态，测量系统得到的自混合信号与被测信号保持线性关系。FBG光纤布拉格光栅，反射率达到50％，半峰宽(FWHM)大于0.5nm。光纤布拉格光栅随着样品一同振动，反射光电探测单元的出射光，较大的半峰宽保证系统工作时的光反馈因子保持不变。

在本应用实例中，工作过程如图2所示，光电探测单元的半导体激光器4发出初始光信号，初始光信号进入光纤传感单元3的光纤并传输到与样品固定的光纤布拉格光栅，激励单元2对材料样品产生激励使样品振动，使与样品接触的传感光纤发生形变，光纤布拉格光栅把带有样品运动信息的反馈光信号经光纤反射回半导体激光器4的谐振腔内，与初始光信号发生自混合干涉效应，光电接收器6实时检测自混合信号，信号处理单元7通过转换计算得到样品的杨氏模量和内摩擦因子。在本实施例中，信号处理单元7的处理方式可采用常规处理方式，并非本实用新型的重点，在此不做限定。

需要说明的是本应用实例的自混合干涉系统是稳定工作在强反馈条件下，即使自混合干涉测量系统的光反馈因子(Optical Feedback Factor,C)稳定在一个较高的数值，保证测量系统工作在线性测量状态。

在本应用实例中，与样品接触固定的光纤长为10cm,它与光纤布拉格光栅组成自混合干涉系统的外部目标，反映材料样品的运动状态。光纤布拉格光栅的反射率为50％，半峰值(FWHM)大于0.5nm，以保证系统工作时的光反馈因子保持稳定。光纤布拉格光栅起反射光信号的作用，在其他应用实例中，可以由反射镜或高反射率的反射胶所替代，本实用新型对此不作限定。

在本应用实例中，光纤总长为100cm，光纤的长度即自混合干涉测量系统的外腔长度，较长的外腔长度和光纤本身具有低传输损耗特性保证光反馈因子在高水平并使测量系统工作在强反馈条件下。

在本应用实例中，光电接收器6为光电二极管(Photo Diode,PD)，在其他应用实例也可以是其他相似的光电转换元器件，本实用新型对此不作限定。

在本应用实例中，半导体激光器4的输出波长为1550nm，额定功率为2mW,在其他应用实例也可以是其他相似的激光器，本实用新型对此不作限定。

在本应用实例中，为保证半导体激光器4的正常工作，电流温度控制器5对半导体激光器4的泵输入电流为25mA，半导体激光器4的工作温度控制在25±0.1℃。在其他应用实例也可以是根据实际使用的半导体激光器4选择的电流温度控制器5，本实用新型对此不作限定。

在本应用实例中，材料样品为特定尺寸的矩形材料样品，其长度与厚度之比应大于等于20。

综上所述，本实用新型中的一种基于自混合干涉的全光纤式材料参数测量系统，通过在强反馈条件下，测量系统工作在线性传感状态，自混合信号近似于被测信号，利用工作在线性传感状态下自混合干涉测量系统得到的自混合信号获取共振频率和阻尼系数并得到杨氏模量和内摩擦因子，不用对自混合信号边缘进行处理，消除了自混合条纹对测量的影响，以提高测量效率。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于自混合干涉的全光纤式材料参数测量系统，其特征在于，包括：样品台、激励单元、光纤传感单元、光电探测单元以及信号处理单元；所述信号处理单元与所述光电探测单元建立通信，所述光电探测单元与所述光纤传感单元连接，所述光纤传感单元的测量端对准所述样品台；所述光纤传感单元固定在所述样品台上；所述样品台用于放置材料样品；

所述激励单元用于控制所述样品台振动，使得固定在所述样品台上的光纤传感单元振动，并使得放置在所述样品台上的材料样品处于谐振状态；

所述光电探测单元用于发射使系统处于强反馈条件下的初始光信号给所述光纤传感单元；所述光电探测单元用于接收强反馈光信号，并使所述强反馈光信号与所述初始光信号与发生自混合干涉效应，生成与材料样品的谐振信号成正比、且无干涉条纹的自混合光信号；并将所述自混合光信号发送给所述信号处理单元；

所述光纤传感单元用于接收所述初始光信号，并将所述初始光信号照射在处于谐振状态下的材料样品上；并采集处于谐振状态下的材料样品反射的强反馈光信号，并将采集的反馈光信号发送给所述光电探测单元；

所述信号处理单元用于接收所述自混合信号，并从所述自混合信号中提取所述材料样品的材料参数；

所述光纤传感单元为：高反射的FBG、光纤反射器、涂于光纤端面的高反射胶中的任意一种。

2.根据权利要求1所述的基于自混合干涉的全光纤式材料参数测量系统，其特征在于，所述光电探测单元包括：带尾纤的半导体激光器、光电接收器以及电流温度控制器；

所述半导体激光器的控制端与所述电流温度控制器的控制端连接，所述半导体激光器的谐振腔与所述光纤传感单元连接；所述光电接收器的采集端与半导体激光器的谐振腔连接，所述光电接收器还与所述信号处理单元建立通信；

所述电流温度控制器用于控制半导体激光器的泵输入电流的工作温度；

所述半导体激光器发射的初始光信号通过尾纤传输给所述光纤传感单元；所述光纤传感单元采集的强反馈光信号传递至半导体激光器的谐振腔内，在所述谐振腔与所述初始光信号耦合成自混合信号；

所述光电接收器用于采集所述谐振腔内的自混合信号，并将所述自混合信号发送给所述信号处理单元。

3.根据权利要求2所述的基于自混合干涉的全光纤式材料参数测量系统，其特征在于，所述半导体激光器包括激光二极管、电流调制器以及温度传感器；所述电流调制器的电源端与所述激光二极管的电源端连接，用于提供所述激光二极管工作所需的泵输入电流，所述电流调制器还与所述温度控制传感器建立通信，所述温度控制传感器还与所述温度传感器建立通信；所述温度传感器设置在所述半导体激光器内，用于采集所述半导体激光器内的实时温度，并将所述实时温度发送给所述温度控制传感器，所述温度控制传感器通过控制电流调制器的输出电流来控制泵输入电流的工作温度。

4.根据权利要求3所述的基于自混合干涉的全光纤式材料参数测量系统，其特征在于，所述光电接收器包括封装在半导体激光器后端的光电二极管以及与所述光电二极管连接的放大滤波电路；

所述光电二极管用于采集所述谐振腔内的自混合信号，并将所述自混合信号由光信号转化为电信号，并将转化为电信号的自混合信号发送至放大滤波电路；

所述放大滤波电路用于对转化为电信号的自混合信号进行滤波、放大处理，并将滤波放大后的自混合信号发送给所述信号处理单元。

5.根据权利要求4所述的基于自混合干涉的全光纤式材料参数测量系统，其特征在于，所述高反射的FBG的反射率达到50％以上，半峰宽大于0.5nm，所述半导体激光器的输出波长为1550nm±3nm，额定功率为2mW。

6.根据权利要求5所述的基于自混合干涉的全光纤式材料参数测量系统，其特征在于，当所述光纤传感单元为高反射的FBG时，所述高反射的FBG通过第一光纤条与所述激光二极管的尾纤连接，所述FBG通过第二光纤条与材料样品连接。

7.根据权利要求5所述的基于自混合干涉的全光纤式材料参数测量系统，其特征在于，所述材料样品的长度与厚度的比值要大于或等于20。

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