CN106643834A - 一种高速大量程光纤法珀解调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高速大量程的光纤法珀解调系统，包括光源、通过第一光纤与光源连接的2×1光纤耦合器、通过第二光纤与光纤耦合器连接的法珀腔传感器、通过第三光纤与光纤耦合器连接的光纤接头；还包括与所述光纤接头对应的柱面镜、与所述光纤接头对应的光楔、与所述光楔对应的高速光电探测器阵列和与高速光电探测器阵列连接的信号处理装置。与现行的透射式非扫描相关解调系统相比，本发明能够适用于不同环境下对光纤法珀解调速度和解调量程较高的需求。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种高速大量程光纤法珀解调系统。特别适用于压水核反应堆蒸汽发生器传热管微动损伤监测。
背景技术
对压水核反应堆蒸汽发生器传热管的微动损伤监测，可以准确获悉传热管微动状态，预测其使用寿命，有利于优化压水核反应蒸汽发生器的设计，进而提高压水核反应堆的安全系数，具有重要意义。传热管微动损伤监测的关键是利用力传感器测试传热管和管座间的微动磨损，常用的力传感器因工作温度和体积的限制无法满足这一测试要求。光纤法珀传感器由于其本身特有的优势，如结构简单、耐高温、体积小、无电磁干扰，能够满足对压水核反应堆传热管的微动损伤监测的要求，并在航空航天、能源、建筑等工业和军事领域得到了广泛的应用。目前针对光纤法珀解调的方法主要包括强度解调和相位解调，相位解调中又包含条纹计数法、傅里叶变换法和相关解调方法。采用光楔取代扫描结构的非扫描式相关解调方法，不仅提高了扫描精度，同时也提高了解调的速度，现已被广泛应用。如CN106017519A提供了“一种光纤法珀传感器解调系统及方法”，所述光纤法珀传感器解调系统包括准直透镜组、光楔、会聚透镜、光电探测器阵列及信号处理装置。光纤法珀传感器的输出光信号经准直透镜组准直后入射到光楔，分别由光楔的上、下表面反射、经会聚透镜会聚到光电探测器阵列表面发生干涉后形成干涉条纹信号，经光电探测器转化为电信号。信号处理装置对该信号进行上凸波峰的分析处理后获得光纤法珀传感器的腔长。相对于现有透射式的解调系统，其实施例提供的光纤法珀传感器解调系统及方法，既能有效提高入射到光电探测器阵列的干涉信号的对比度，又能提升对光纤法珀传感器的腔长解调分辨力，还能提升腔长解调分辨力的精度。
现行透射式非扫描相关解调仪解调速度较慢，并且固定的光楔厚度限制了解调的量程，不适用于对解调速度和解调量程要求较高的系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速大量程的光纤法珀解调系统，其能够适用于不同环境下对光纤法珀解调速度和解调量程较高的需求。
本发明所述的一种高速大量程的光纤法珀解调系统，包括光源、通过第一光纤与光源连接的2×1光纤耦合器、通过第二光纤与光纤耦合器连接的法珀腔传感器、通过第三光纤与光纤耦合器连接的光纤接头；还包括与所述光纤接头对应的柱面镜、与所述光纤接头对应的光楔、与所述光楔对应的高速光电探测器阵列和与高速光电探测器阵列连接的信号处理装置。
进一步，所述光源是超辐射发光二极管(Super Luminescent Diode，SLD)光源或超连续谱光源(Super-continuum Source)。
进一步，所述光楔由上片镀膜玻璃、下片镀膜玻璃和设在上片镀膜玻璃、下片镀膜玻璃之间左右两端的压电陶瓷构成，在所述上片镀膜玻璃和下片镀膜玻璃之间有空气夹层，所述光楔的上片镀膜玻璃和下片镀膜玻璃之间的夹角θ，即为光楔的楔角。
进一步，所述柱面镜的柱面镜反射面为圆弧凹面。
本发明的光源发射出的光经2×1耦合器到达光纤法珀传感器，在光纤法珀传感器的法珀腔发生干涉，反射的光信号经柱面镜照射在压电陶瓷作用下可改变厚度的光楔上，发生干涉实现互相关运算，透射光照射到高速光电探测器上产生明显的干涉条纹，并转换为电信号，由相应的信号处理装置解调出法珀腔的腔长值。
一方面，所述光源是超辐射发光二极管光源或超连续谱光源：超辐射发光二极管光源采用宽光谱、高可靠、低相干性的超辐射发光二极管做为核心器件，具有输出功率大、稳定性高的优点；超连续谱光源是使超短脉冲激光耦合进高非线性光纤(通常为光子晶体光纤)，使得输出光的脉冲光谱展宽，从而实现超宽的光谱输出。系统所使用光源能一定程度减弱光谱信号存在毛刺噪声带来的影响，提高系统稳定性。
其次，柱面镜将光纤接头出射的高斯圆光斑转变成一维线光斑照射到高速探测器阵列上，充分利用了光信号能量，减少探测器积分时间，进一步提升了系统解调速度；
另一方面，在所述光楔空气夹层的左右两端处分别设有压电陶瓷，当对压电陶瓷施加电压，压电陶瓷则在上片镀膜玻璃和下片镀膜玻璃的方向产生机械变形，光楔上片镀膜玻璃和下片镀膜玻璃的距离增加，由此可以提高解调系统测量范围。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是2×1光纤耦合器示意图；
图3是柱面镜左视图；
图4是光楔的正视图；
图5是光楔的示意图；
图6是信号处理装置接收到的干涉信号光强分布曲线图。
图中：1－光源；
2－2×1光纤耦合器，21－第一光纤，22－第二光纤，23－第三光纤，24－光纤接头；
3－光纤法珀传感器；
4－柱面镜，41－柱面镜反射面；
5－光楔，51－上片镀膜玻璃，52－下片镀膜玻璃，53－空气夹层，54－压电陶瓷。
6－高速光电探测器阵列；
7－信号处理装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。
参见图1、图2、图3和图4所示的一种高速大量程的光纤法珀解调系统，包括光源1、通过第一光纤21与光源连接的2×1光纤耦合器2、通过第二光纤22与光纤耦合器连接的法珀腔传感器3、通过第三光纤23与光纤耦合器连接的光纤接头24，其实质性特点是：还包括与所述光纤接头对应的柱面镜4、与所述光纤接头对应的光楔5、与所述光楔对应的高速光电探测器阵列6和与高速光电探测器阵列连接的信号处理装置7。
所述光源1是超辐射发光二极管光源(如选择超连续谱光源，即构成另一实施例)。
所述光楔5由上片镀膜玻璃51、下片镀膜玻璃52和设在上片镀膜玻璃51、下片镀膜玻璃52之间左右两端的压电陶瓷54构成，在所述上片镀膜玻璃51和下片镀膜玻璃52之间有空气夹层53，所述光楔5的上片镀膜玻璃51和下片镀膜玻璃52之间的夹角θ，即为光楔5的楔角。
所述柱面镜4的柱面镜反射面41为圆弧凹面。
光源1发出的光束经第一光纤21、光纤耦合器2、第二光纤22入射至法珀腔传感器3，由法珀腔端面反射的携带法珀腔传感器3的腔长信息的光信号沿第二光纤22、光纤耦合器2传输至第三光纤23，并由第三光纤23端口上的光纤接头24出射；出射光的高斯圆光斑由柱面镜4的反射面41整理为一维线光斑，经光楔5的上片镀膜玻璃51透射入光楔中产生互相光运算，并从光楔下片镀膜玻璃52透射至高速光电探测器阵列6上产生明显干涉条纹，高速光电探测器阵列6将所述干涉条纹转换成电信号，并发送至信号处理装置7。柱面镜将光纤接头出射的高斯圆光斑转变成一维线光斑照射到高速探测器阵列上，充分利用了光信号能量，减少探测器积分时间，进一步提升了系统解调速度。
信号处理装置7对所述电信号进行分析处理，得到光纤法珀传感器3的腔长值。当光纤法珀传感器3的法珀腔有大范围的变动时，对压电陶瓷54施以电压产生机械变形，使光楔的厚度发生改变，从而使所述解调系统能够解调出更大量程的法珀腔腔长值。
参见图5，图中横坐表示光楔的长度x，θ为光楔的楔角，纵坐标表示光楔的厚度为x·tanθ。在光纤法珀非扫描式解调方法中光楔5的楔角θ非常小，一般为0.05～0.1度，因此可以用平行平板的多光束干涉模型来分析光楔5。所述光楔5充当了一个连续变化的法珀腔阵列，当光信号经光纤法珀传感器3反射再照射到光楔5上，在光楔中某处的厚度与所测量光纤法珀传感器3的腔长值相等时就会出现强度最大的相关信号，实现腔长匹配的互相关运算。
其中，由光纤接头24出射的光信号，即光纤法珀传感器3反射的光信号，其强度表达式IR(λ)为：
公式(1)中，[λmin，λmax]为光源1的波长范围，I0(λ)为入射到法珀腔的光束的光强，R为光纤法珀传感器3的法珀腔两端面的反射率，L为法珀腔的腔长值，λ为入射到法珀腔的光束的波长值。
由光楔的下片镀膜玻璃52透射出的光信号形成的干涉条纹的强度表达式Iout(x)为：
公式(2)中，A(x)为光纤接头24出射光经过柱面镜反射到光楔上沿x轴方向的分布函数，[λmin，λmax]为光源1的波长范围，I0(λ)为入射到法珀腔的光束的光强，R为光纤法珀传感器3的法珀腔两端面的反射率，L为法珀腔的腔长值，R1为光楔内表面的反射率，x为光楔5上任意点的横坐标，θ为光楔5的楔角，λ为入射到法珀腔的光束的波长值。
高速探测器阵列6将出射的光强分布信号Iout(x)转换成相应的电信号，再传送至信号处理装置，对信号的上凸波峰分析处理后获得光纤法珀传感器的腔长值。
图6示出了接收到的信号结果，如图所示，在20um(微米)附近产生了一个极大信号，表明所测量的法珀腔腔长值约为20um(微米)。
Claims (4)
1.一种高速大量程的光纤法珀解调系统，包括光源(1)、通过第一光纤(21)与光源连接的2×1光纤耦合器(2)、通过第二光纤(22)与光纤耦合器连接的法珀腔传感器(3)、通过第三光纤(23)与光纤耦合器连接的光纤接头(24)，其特征是：还包括与所述光纤接头对应的柱面镜(4)、与所述光纤接头对应的光楔(5)、与所述光楔对应的高速光电探测器阵列(6)和与高速光电探测器阵列连接的信号处理装置(7)。
2.根据权利要求1所述的高速大量程的光纤法珀解调系统，其特征是：所述光源(1)是超辐射发光二极管光源或超连续谱光源。
3.根据权利要求1或2所述的高速大量程的光纤法珀解调系统，其特征是：所述光楔(5)由上片镀膜玻璃(51)、下片镀膜玻璃(52)和设在上片镀膜玻璃(51)、下片镀膜玻璃(52)之间左右两端的压电陶瓷(54)构成，在所述上片镀膜玻璃(51)和下片镀膜玻璃(52)之间有空气夹层(53)，所述光楔(5)的上片镀膜玻璃(51)和下片镀膜玻璃(52)之间的夹角θ，即为光楔(5)的楔角θ，即为光楔(5)的楔角。
4.根据权利要求3所述的高速大量程的光纤法珀解调系统，其特征是：所述柱面镜(4)的柱面镜反射面(41)为圆弧凹面。
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