CN108827160A - 一种光纤位移传感器解调装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤位移传感器解调装置，包括宽谱光源、电光调制器和计算机，宽谱光源输出端连接光纤耦合器，光纤耦合器的一个输出端的连接位移传感探头，位移传感探头与待测物体连接，同时光线耦合器表面设置有反射镜，光纤耦合器的输出端口和反射镜构成一个迈克尔逊干涉仪，电光调制器输出的调制信号经过色散光纤后入射到高速光电探测器上，高速光电探测器将光信号装换成微波信号并通过低噪放放大，低噪放输出端连接微波功分器，本位移传感系统的分辨率可通过设置系统的元器件参数来实现任意调节，通过优化参数，可实现纳米级位移传感精度，克服了环境适应性差和光信号的抖动环境温度等因素的变化对传感器的性能影响很大的缺陷。

Description

一种光纤位移传感器解调装置

技术领域

本发明涉及一种解调装置，具体为一种光纤位移传感器解调装置。

背景技术

光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光信号经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为被调制的信号源，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数

目前光纤位移传感器主要有光纤光栅，光纤法珀和光纤M-Z干涉仪等类型的传感器,其中光纤光栅传感器功率利用率较低，光纤法珀传感器测量精度不高，光纤M-Z干涉仪工作条件严格，而且光纤位移传感系统一个普遍的问题是传感器的环境适应性差，光信号的抖动，环境温度等因素的变化对传感器的性能影响很大。

本发明提出了一种基于光纤迈克尔逊干涉仪和光电振荡器结合的光纤位移传感解调方法,以解决上述问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有解调装置在工作过程中，环境适应性差和光信号的抖动环境温度等因素的变化对传感器的性能影响很大的缺陷，提供一种光纤位移传感器解调装置，从而解决上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明一种光纤位移传感器解调装置，包括宽谱光源、电光调制器和计算机，宽谱光源输出端连接光纤耦合器，光纤耦合器的一个输出端的连接位移传感探头，位移传感探头与待测物体连接，同时光线耦合器表面设置有反射镜，光纤耦合器的输出端口和反射镜构成一个迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪的输出端连接电光调制器，电光调制器输出的调制信号经过色散光纤后入射到高速光电探测器上，高速光电探测器将光信号装换成微波信号并通过低噪放放大，低噪放输出端连接微波功分器，微波功分器将一部分微波信号注入到电光调制器中，同时将另一部分微波信号输入频谱仪，频谱仪末端连接计算机。

作为本发明的一种优选技术方案，电光调制器、色散光纤、高速光电探测器、低噪放和微波功分器组成光电振荡器环路，且光电振荡器环路输入端与迈克尔逊干涉仪的输出端相连接，能够将迈克尔逊干涉仪输出端产生的干涉梳状谱注入光电振荡器环路中，并通过光电振荡器环路产生微波信号。

作为本发明的一种优选技术方案，电光调制器内部设置有线性调制设备，线性调制设备表面设置有纵向和横向接口，接口均位于铝外壳中，由于电光效应可分为线性电光效应(泡克耳斯效应)和二次电光效应(克尔效应)，而线性电光效应比二次电光效应的作用效果明显，因此采用线性调制效果更好。

作为本发明的一种优选技术方案，宽谱光源可采用高斯型或矩形光源作为发射光源，使得光源发射装置的选择性更高。

作为本发明的一种优选技术方案，在光纤位移传感探头中，光纤耦合器的一臂的光纤插入一陶瓷芯中，陶瓷芯和一扩束准直透镜共同固定在一个套筒上，该探头有利于最大限度的收集待测移动物体发射回来的光信号，提高整个位移传感系统的灵敏度。

本发明所达到的有益效果是：本发明提出了一种新的光纤位移传感解调方法，通过不同待测物体的位移量来改变干涉仪的光程差，从而改变光电振荡器输出的微波信号的中心频率来实现对待测物体位移的测量，宽谱光源进入一光纤耦合器，该耦合器的两个输出端构成和两个反射膜构成一个迈克尔逊干涉仪。光纤耦合器的另一输入端口将成为干涉仪的输出端口。宽谱光源经该干涉仪后，在当干涉仪两臂光程差在光源相干范围内时，在干涉仪的输出端将产生干涉条纹。该干涉条纹在频域上为一正弦梳状谱，由迈克尔逊干涉仪输出的梳状谱经过一处于正交工作点的电光调制器，则由光电振荡器产生的微波信号通过该电光调制器被调制到干涉梳状光谱上，该光载微波信号经过色散补偿光纤后入射到高速光电探测器上，该探测器将光信号装换成微波信号，该微波信号通过低噪放放大后经过一个微波功分器后，一部分微波信号注入到电光调制器中，一部分信号通过频谱仪来测量光电振荡器输出微波信号的中心频率，本位移传感系统的分辨率可通过设置系统的元器件参数来实现任意调节，通过优化参数，可实现纳米级位移传感精度，本发明提出的测试原理和方法可实现高精度光信号的测量，同时也降低了成本，简化了结构，克服了环境适应性差和光信号的抖动环境温度等因素的变化对传感器的性能影响很大的缺陷。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1是本发明系统框架结构示意图；

图2是本发明系统局部结构示意图；

图中标号：101、宽谱光源；102、光纤耦合器；103、位移传感探头；104、待测物体；105、反射镜；106、电光调制器；107、色散光纤；108、高速光电探测器；109、低噪放；201、微波功分器；202、频谱仪；203、计算机；301、光纤；302、陶瓷芯；303、套筒；304、准直透镜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：如图1-2所示，本发明提供一种光纤位移传感器解调装置，包括宽谱光源101、电光调制器106和计算机203，宽谱光源101输出端连接光纤耦合器102，光纤耦合器102的一个输出端的连接位移传感探头103，位移传感探头103与待测物体104连接，同时光线耦合器102表面设置有反射镜105，光纤耦合器102的输出端口和反射镜105构成一个迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪的输出端连接电光调制器106，电光调制器106输出的调制信号经过色散光纤107后入射到高速光电探测器108上，高速光电探测器108将光信号装换成微波信号并通过低噪放109放大，低噪放109输出端连接微波功分器201，微波功分器201将一部分微波信号注入到电光调制器106中，同时将另一部分微波信号输入频谱仪202，频谱仪202末端连接计算机203。

具体的，本发明一种光纤位移传感器解调装置，电光调制器106、色散光纤107、高速光电探测器108、低噪放109和微波功分器201组成光电振荡器环路，且光电振荡器环路输入端与迈克尔逊干涉仪的输出端相连接，能够将迈克尔逊干涉仪输出端产生的干涉梳状谱注入光电振荡器环路中，并通过光电振荡器环路产生微波信号，电光调制器106内部设置有线性调制设备，线性调制设备表面设置有纵向和横向接口，接口均位于铝外壳中，由于电光效应可分为线性电光效应(泡克耳斯效应)和二次电光效应(克尔效应)，而线性电光效应比二次电光效应的作用效果明显，因此采用线性调制效果更好，宽谱光源101可采用高斯型或矩形光源作为发射光源，使得光源发射装置的选择性更高，在光纤位移传感探103头中，光纤耦合器102的一臂的光纤301插入一陶瓷芯302中，陶瓷芯302和一扩束准直透镜304共同固定在一个套筒303上，该探头有利于最大限度的收集待测移动物体发射回来的光信号，提高整个位移传感系统的灵敏度。

具体的，本发明一种光纤位移传感器解调装置，具体测量原理如下：通过待测物体位移的变化来改变迈克尔逊干涉仪的光程差，从而改变光电振荡器输出的微波信号的中心频率，根据微波信号中心频率的变化量来得到待测物体的位移量。宽谱光源经过迈克尔逊干涉仪后，将发生干涉，干涉条纹的输出在频域上可表示为：

其中A为干涉仪输出干涉条纹的可见度，Δω为不同干涉仪光程差时输出干涉条纹的频率间隔，为干涉仪的相位漂移，ω₀为激光器的中心圆频率。Δω可表示为：

Δω＝2πc/(nΔL+L_dis) (2)

其中c为光速，ΔL为干涉仪中两臂光纤301的长度差，n为光纤折射率，L_dis为待测物体的位移量。则该干涉仪的自由光谱范围可表示为：

干涉的输出光是与波长相关，其电场可表征为：

E(t)＝∫E(ω)e^jωtdω (4)

则光源的光功率谱密度可表示为：

T(ω)＝|E(ω)|² (5)

干涉仪输出的干涉条纹经过电光调制器106后，光谱的每个频率分量E(ω)都被调制，并且由光电振荡器环路产生一频率为ξ的微波信号，电光调制器106输出的光场可表示为：

E(ω)＝e^jωt(1+e^jξt+e^-jξt) (6)

光电振荡器中使用色散光纤107作为延迟线，该时延线的电场传递函数可表示为：

H(ω)＝|H(ω)|e^-jφ(ω) (7)

φ(ω)为色散光纤107延迟引入的相位，根据泰勒级数展开，该相位可表示为：

式中，τ(ω₀)为中心频率为ω₀时的群时延，L_DCF为色散光纤107的长度，β为光纤301的色散，其单位为ps²/km，β可表示为：

式中D(ps/km/nm)为光纤301的色散系数，λ₀为光源波长。

根据式(5)——(9)可得光电振荡器响应函数为：

其中

由此可知，光电振荡器输出的微波信号的中心频率可表示为：

由此可得为待测物体的位移量L_dis可表示为：

由上式可知，改变待测物体的位移从而改变干涉仪两臂光程差值ΔL，测试系统输出的微波信号的频率将会改变，根据微波信号的中心频率的变化量就可以得到待测物体的位移量。待测物体不发生位移时记录光电振荡器输出的微波信号的中心频率为f₁。当待测物体发生移动后，再次记录光电振荡器输出的微波信号的中心频率为f₂，则位移量为：

本光纤位移传感系统的关键是要确定好式(13)中的各项参数，即先确定光电振荡器中的色散光纤107的长度和色散值，并调节干涉仪两臂光程差使得光电振荡器输出的微波信号的频率在常用频谱仪测量频段范围内(不失为一般性，一般频谱仪的频率带宽为几十KHz——26.5GHz)。本位移传感系统的分辨率可通过设置式(11)中的各项参数来改变。假设通过调节干涉仪两臂光程差使得系统输出的微波信号的频率分辨率为1MHz，色散光纤为1km，色散系数为-150ps/km/nm时，位移分辨率可达0.4微米。通过优化式(11)中的各项参数可实现纳米级位移传感的测量灵敏度。

本光纤位移传感解调系统的工作流程如下所示：

上电后，调制器驱动板通过程序自动控制强度型光调制器工作在线性工作点。调制器工作点确定后，将位移传感探头固定在待测物前表面，此时记录光电振荡器输出的微波信号的中心频率为f₁。当待测物体发生移动时，记录光电振荡器输出的微波信号的中心频率为f₂。根据式(13)就可以得到待测物体位移量的大小。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光纤位移传感器解调装置，其特征在于，包括宽谱光源(101)、电光调制器(106)和计算机(203)，宽谱光源(101)输出端连接光纤耦合器(102)，光纤耦合器(102)的一个输出端的连接位移传感探头(103)，位移传感探头(103)与待测物体(104)连接，同时光线耦合器(102)表面设置有反射镜(105)，光纤耦合器(102)的输出端口和反射镜(105)构成一个迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪的输出端连接电光调制器(106)，电光调制器(106)输出的调制信号经过色散光纤(107)后入射到高速光电探测器(108)上，高速光电探测器(108)将光信号装换成微波信号并通过低噪放(109)放大，低噪放(109)输出端连接微波功分器(201)，微波功分器(201)将一部分微波信号注入到电光调制器(106)中，同时将另一部分微波信号输入频谱仪(202)，频谱仪(202)末端连接计算机(203)。

2.根据权利要求1所述的一种光纤位移传感器解调装置，其特征在于，电光调制器(106)、色散光纤(107)、高速光电探测器(108)、低噪放(109)和微波功分器(201)组成光电振荡器环路，且光电振荡器环路输入端与迈克尔逊干涉仪的输出端相连接。

3.根据权利要求1所述的一种光纤位移传感器解调装置，其特征在于，电光调制器(106)内部设置有线性调制设备，线性调制设备表面设置有纵向和横向接口，接口均位于铝外壳中。

4.根据权利要求1所述的一种光纤位移传感器解调装置，其特征在于，宽谱光源(101)可采用高斯型或矩形光源作为发射光源。

5.根据权利要求1所述的一种光纤位移传感器解调装置，其特征在于，在光纤位移传感探头(103)中，光纤耦合器(102)的一臂的光纤(301)插入一陶瓷芯(302)中，陶瓷芯(302)和一扩束准直透镜(304)共同固定在一个套筒(303)上。