专利名称：光纤Fabry-Perot位移传感系统的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及传感技术，尤其涉及一种基于光频调制相位载波解调方法的光纤 Fabry-Perot位移传感系统。
背景技术：
在许多研究领域和工业场合都需要对物体的振动位移进行测量，一般可以选用光纤干涉型振动位移传感系统实现。光纤干涉型振动位移传感系统中传感器最常用的结构主要有Mach-Zehnder (马赫一曾德尔)干涉仪、Michelson (迈克逊)干涉仪和Fabry-Perot (法布里一珀罗)干涉仪。其中，光纤Fabry-Perot干涉仪具有对两个反射面之间的光程差变化非常敏感和结构更加紧凑的特点。但是，目前光纤Fabry-Perot干涉型振动位移传感系统的主要缺点是测量精度低、测量范围小、抗电磁干扰能力低。发明内容
有鉴于此，本发明提供一种光纤Fabry-Perot位移传感系统。可以提高光纤 Fabry-Perot位移传感系统的测量精度、测量范围和抗电磁干扰能力。
本发明提供的一种光纤Fabry-Perot位移传感系统，用于测量被测物体的振动位移量，包括光纤Fabry-Perot位移传感器,所述光纤Fabry-Perot位移传感器包括准直透镜和夹持装置，所述准直透镜带有尾纤，且所述准直透镜被所述夹持装置所夹持固定；或者，所述光纤Fabry-Perot位移传感器包括光纤和夹持装置，所述光纤的一端面被切平， 且所述光纤被所述夹持装置所夹持固定。
进一步所述准直透镜的出光面或者所述光纤被切平的端面采用不镀膜结构或者镀半反半透膜结构。
进一步所述准直透镜的出光面或者所述光纤被切平的端面的出射光直接或者经过会聚透镜到达被测物体的表面。
进一步还包括光频调制相位载波信号解调系统；所述光频调制相位载波信号解调系统向所述光纤Fabry-Perot位移传感器发射激光信号，所述激光信号通过光纤 Fabry-Perot位移传感器入射到被测物体；所述光纤Fabry-Perot位移传感器接收所述被测物体返射回的光信号，并向所述光频调制相位载波信号解调系统反馈干涉信号；所述光频调制相位载波信号解调系统根据所述激光信号和返回的干涉信号，计算得到所述被测物体相对于所述光纤Fabry-Perot位移传感器的位移量。
进一步所述光频调制相位载波信号解调系统包括
光电转换器I，用于将所述激光信号转换为电信号I ;
光电转换器II，用于将所述光纤Fabry-Perot位移传感器返回的干涉信号转换为电信号II ；
模数转换器，用于将所述电信号I转换为数字信号I，将所述电信号II转换为数字信号II ；4
微处理器，用于对所述数字信号I和数字信号II进行除法运算，得到消除光功率调制的干涉信号，然后将所述消除光功率调制的干涉信号分为两路，分别与一倍频载波信号和二倍频载波信号进行乘法运算，并将得到的信号再分别进行低通滤波得到两个相互正交的干涉信号，再对该两个相互正交的干涉信号进行除法运算，并对除法运算的结果进行求反正切运算，以及对求反正切运算得到的相位进行增量相位运算得到相位变化，最后对所述相位变化进行比例运算，得到所述被测物体相对于所述光纤Fabry-Perot位移传感器的位移量。
进一步所述光频调制相位载波信号解调系统包括
光电转换器I，用于将所述激光信号转换为电信号I ;
光电转换器II，用于将所述光纤Fabry-Perot位移传感器返回的干涉信号转换为电信号II ；
模数转换器，用于将所述电信号I转换为数字信号I，将所述电信号II转换为数字信号II ；
微处理器，用于对所述数字信号I和数字信号II进行除法运算，得到消除光功率调制的干涉信号，然后将所述消除光功率调制的干涉信号分为两路，分别与一倍频载波信号和二倍频载波信号进行乘法运算，并将得到的信号再分别进行低通滤波得到两个相互正交的干涉信号Ii、I2，再对该两个相互正交的干涉信号分别进行微分运算，得到I/ >1^再进行I/ *12 — 12' *Ii，再进行积分运算和高通滤波得到相位变化，最后对所述相位变化进行比例运算，得到所述被测物体相对于所述光纤Fabry-Perot位移传感器的位移量。
进一步所述光频调制相位载波信号解调系统，还包括激光电流控制器、激光温度控制器、波长可调窄带激光器、光纤隔离器、2X2光纤耦合器和数模转换器；
所述激光电流控制器、激光温度控制器与所述波长可调窄带激光器的输入端连接，所述波长可调窄带激光器的输出端与所述光纤隔离器连接；
所述2 X 2光纤耦合器的四个接口分别接光纤隔离器、光纤Fabry-Perot位移传感器、光电转换器I和光电转换器II ；
所述微处理器还通过数模转换器与所述激光电流控制器、激光温度控制器连接， 用于控制所述激光电流控制器、激光温度控制器。
进一步所述光频调制相位载波信号解调系统，还包括激光电流控制器、激光温度控制器、波长可调窄带激光器、光纤隔离器、2X2光纤耦合器、信号发生器和数模转换器；
所述激光电流控制器、激光温度控制器与所述波长可调窄带激光器的输入端连接，所述波长可调窄带激光器的输出端与所述光纤隔离器连接。
所述2 X 2光纤耦合器的四个接口分别接光纤隔离器、光纤Fabry-Perot位移传感器、光电转换器I和光电转换器II ；
所述信号发生器，与所述激光电流控制器连接，用于产生控制所述激光电流控制器的调制信号，以及与所述模数转换器的连接，用于将所述调制信号通过所述模数转换器输出至微处理器；
所述微处理器还通过数模转换器与所述信号发生器、激光温度控制器连接，用于控制所述信号发生器、激光温度控制器。
进一步所述波长可调窄带激光器，激光电流控制器和激光温度控制器由波长可调的窄线宽光源代替。
本发明的有益效果
由于光纤Fabry-Perot位移传感器采用夹持装置夹持准直透镜或一端被切平的光纤的结构，因此可以对入射光进行准直，这既可以减小发散角，又可增大光线出射面积， 能够有效地降低光纤的反射损耗，提高光纤Fabry-Perot位移传感系统的测量精度。又由于采用夹持装置夹持准直透镜或一端被切平的光纤的方式，可以通过对夹持装置的调整， 很容易地对准直透镜或一端被切平的光纤的出光面与被测物体的表面的距离和平行度进行调整，使光纤Fabry-Perot位移传感器工作在不同的距离,这将提高光纤Fabry-Perot位移传感系统的测量范围。又由于，该光纤Fabry-Perot位移传感器中没有引入任何带电元件，因此其具有较好的抗电磁干扰能力，适用于远程和复杂电磁环境时的测量。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述
图I是本发明的光纤Fabry-Perot位移传感系统的第一实施例的结构示意图。
图2是本发明的光纤Fabry-Perot位移传感系统的第二实施例的结构示意图。
图3是本发明的光纤Fabry-Perot位移传感系统的第三实施例的结构示意图。
图4是本发明的光纤Fabry-Perot位移传感器的另一种结构示意图。
图5是测量5Hz的正弦激励时光纤Fabry-Perot位移传感系统的输出结果示意图。
图6是测量白噪声激励时光纤Fabry-Perot位移传感系统的输出结果不意图。
具体实施方式
请参考图1，是本发明的光纤Fabry-Perot位移传感系统的第一实施例的结构示意图。
如图所示，该光纤Fabry-Perot位移传感系统包括光频调制相位载波信号解调系统60和光纤Fabry-Perot位移传感器61。其中，光频调制相位载波信号解调系统60用于向光纤Fabry-Perot位移传感器61发射激光信号，该激光信号在光纤Fabry-Perot位移传感器61中传输，当该激光信号到达光纤Fabry-Perot位移传感器61的出光面时，一部分激光信号被出光面反射回来，形成参考光束，一部分激光信号透过空气到达被测物体2 的表面，经被测物体2的表面反射后，其中的部分光又被反射回光纤Fabry-Perot位移传感器61中形成信号光束，参考光束和信号光束相干涉，形干涉信号，并回传给光频调制相位载波信号解调系统60。光频调制相位载波信号解调系统60根据发射的激光信号和光纤 Fabry-Perot位移传感器61回传的干涉信号,计算被测物体相对于光纤Fabry-Perot位移传感器61的位移量。需要说明的是，当被测物体发生振动时，被测物体与光纤Fabry-Perot 位移传感器的相对距离即发生改变，这将导致光纤Fabry-Perot位移传感器61中形成的干涉信号的相位发生变化，因此光频调制相位载波信号解调系统60可以对该干涉信号的相位变化进行检测，从而确定被测物体相对于光纤Fabry-Perot位移传感器61的位移量
请继续参考图I，一种实施方式中，光纤Fabry-Perot位移传感器61的结构主要由夹持装置5夹持准直透镜I构成。其中准直透镜I带有一尾纤3，该尾纤3用于与光频调制相位载波信号解调系统60连接。当需要进行测量时，通过夹持装置5将准直透镜I的出光面4调整到与被测物体2的表面相平行的位置，从而使准直透镜I的出光面4与被测物体 2的表面构成一个Fabry-Perot干涉仪。需要说明的是，准直透镜可以对入射光进行准直， 这样既可以减小发射角，也可以增大光线出射面积，从而有效地降低光纤的反射损耗，提高光纤Fabry-Perot位移传感系统的测量精度。需要说明的是，由于准直透镜I通过夹持装置5进行夹持，因此通过调整夹持装置5的位置，调整Fabry-Perot干涉仪的腔长(准直透镜I出光面4到被测物体2表面的距离)和准直透镜I出光面4与被测物体2表面的平行度，从而使光纤Fabry-Perot位移传感器工作在不同的距离,提高光纤Fabry-Perot位移传感系统的测量范围。
请参考图3, —种实施方式中，光纤Fabry-Perot位移传感器61主要米用夹持装置 5夹持一端被切平的光纤41的结构,在图3中光从光纤41被切平的端面(即出光面42)出射后，直接到达被测物体2的表面。此种结构具有与图I所示的采用准直透镜I的结构类似的功能和作用。
请参考图4，其与图I中的光纤传感器61主要区别在于，在图I中，准直透镜I的出光面4出射的光直接到达被测物体2的表面。在图4中，准直透镜I的出光面4出射的光经过会聚透镜46到达被测物体2的表面，此处被测物体2的表面可以是曲面。采用夹持装置5将准直透镜I、尾纤3和会聚透镜46固定。需要说明的是，其中准直透镜部分也可以采用图3的结构，即由一端被切平的光纤代替。
这三种结构中均没有引入任何带电元件，因此该三种的光纤Fabry-Perot位移传感器均具有较好的抗电磁干扰能力，适用于远程和复杂电磁环境时的测量。特别是图4中所述的光纤Fabry-Perot位移传感器可以测量不平整表面某一点的位移量。
请继续参考图1，一种实施方式中，光频调制相位载波信号解调系统60包括激光电流控制器7、激光温度控制器8、波长可调窄带激光器9、光纤隔离器10、2X2光纤耦合器11、光电转换器112、光电转换器1113、模数转换器14、微处理器15和数模转换器16。其中， 激光电流控制器7、激光温度控制器8与波长可调窄带激光器9的输入端连接，波长可调窄带激光器9的输出端与光纤隔离器10连接。2X2光纤耦合器11具有四个接口，分别接光纤隔离器10、光纤Fabry-Perot位移传感器61、光电转换器112和光电转换器1113。模数转换器14的两个输入端分别接光电转换器112和光电转换器1113，输出端连接至微处理器 15。微处理器15通过数模转换器16与激光电流控制器7、激光温度控制器8连接，用于控制激光电流控制器7、激光温度控制器8。
下面基于图I的结构，具体说明如何测量被测物体2相对于光纤Fabry-Perot位移传感器61的位移量。
在图I中，由准直透镜I的出光面4与被测物体2的表面构成了 Fabry-Perot干涉仪，该干涉仪的瞬时腔长可以表示为
L (t) =L0+x (t) +Le (t)(I)
式中瞬时腔长L(t)主要由三部分组成一是初始腔长Ltl，这由准直透镜I的出光面4与被测物体2的表面之间的距离决定；一是被测物体的振动引起的Fabry-Perot干涉仪的腔长变化x(t)(这是需要我们测量的);一是环境扰动引起的Fabry-Perot干涉仪的腔长的微小变化量Le (t)。
在实际测量中
一、由微处理器15产生调制信号，并通过数模转换器16将该调制信号转换后加载至激光电流控制器7，通过激光电流控制器7驱动波长可调窄带激光器9产生激光信号，产生的激光信号通过光纤隔离器10与2X2光纤耦合器11传输至光纤Fabry-Perot位移传感器61。
二、通过光电转换器12和光电转换器13分别接收光纤Fabry-Perot位移传感器 61回传的干涉信号和波长可调窄带激光器9的激光信号，并转换为电信号。此处光电转换器12和光电转换器13转换后得到的电信号可以基于下述原理得到
当准直透镜I的出光面4和被测物体的表面2 (即其振动面)的反射率较低时， Fabry-Perot干涉仪可以被看作一个低精度的干涉仪。此时干涉信号可以表示为
4 = A 十 B cos(0, (/) + φι: (/))(2)
式(2)中A代表反射光的光功率，B代表干涉信号的幅度，队(/)为由Fabry-Perot 干涉仪的瞬时腔长L(t)决定的光学相位，叭是光频正弦调制产生的相位载波信号。且A， B，队( )和％ (O可以分别表示为
A=(RfR2) · I0(3)
B =-In(4)
Φ L (t) = Φ x (t) + Φ e (t) + Φ ο(5)
Φ c (t) =Ccos ω ct(6)
上述式中Rl和R2分别为准直透镜出光面4和被测物体的表面2的反射率，I0为波长可调窄带激光器9输出的光功率，叭(O是由被测振动位移产生的相位变化，叭(〖)是由环境噪声引起的相位变化，％为Fabry-Perot干涉仪的初始相位，C为载波调制幅度，ω。为正弦波调制电流信号频率，且
Φ,·( = ^4 …ΛI I)^ 4π , .
C -ADFB/mc(8)
式中λ为波长可调窄带激光器9的中心波长，c为光速，Kdfb为单位电流变化下波长可调窄带激光器9输出光频的变化量，im为激光电流控制器7产生的电流的幅度。
当采用频率为ω。的正弦波电流信号对波长可调窄带激光器9的输出光频调制时，波长可调窄带激光器9的输出激光功率Itl也会被调制，激光光频调制时波长可调窄带激光器9的输出激光功率可以表不为
I0=Is (1+mcos ω ct)(9)
式中Is是未调制时波长可调窄带激光器9输出的平均功率，m是波长可调窄带激光器9光功率调制的调制度，且m〈〈l。
由式(2)_(9)可得光电转换器12和光电转换器13得到的电信号分别为
Ip1=RpiAIs a (1+mcos ω ct) +RpiBIs a (1+mcos ω ct) cos (Ceos ω ct+Φ L (t)) (10)
Ip2=Rp2Is β (1+mcos ω ct)(11)
式中Rpi和Rp2分别是光电转换器12和光电转换器13的响应度，α和β分别是光电转换器12和光电转换器13接收到的光功率和波长可调窄带激光器9输出的光功率的百分比。
三、通过模数转换器14将Ipi和Ip2输入到微处理器15中，通过Ipi除以Ip2可以消除激光器的输出光频调制时伴随的激光功率调制对干涉信号的影响，得到
I=ARp Y +BRp Y cos (Ccos ω ct+ φ L (t))(12)
式中Υ = α/β , RP=RP1/RP2。当光纤位移传感系统的各个元件确定后，α、β、RP1和 Rp2都可认为是常数，即Y和Rp也可认为是常数。
四、在微处理器中15中，将式(12)中的信号I分成两路，分别与微处理器15产生的频率为ω。和2 ω。，幅度均为I的载波信号进行混频，即分别与一倍频载波信号和二倍频载波信号进行乘法运算。然后采用低通滤波器分别滤掉的两路信号中的高频信号可得到的离散化信号可以表示为
I1=BRpY J1 (C) sin [Φ#]](13)
I2=BRp Y J2 (C) cos [<j5LM](14)
式中Jtl(C)和1(0分别为相位调制幅度C的零阶和一阶第一类Bessel函数， (k=l, 2，3···)是时间序列，队[A]是相位变化％ (O的离散值。
通过上述过程即得到是采用相位载波方法得到两个相互正交的干涉信号。得到上述两个相互正交的干涉信号后，可以采用微分交叉相乘或者求反正切的算法计算干涉信号的相位变化。具体地
方法一
若采用求反正切的算法计算干涉信号的相位变化，当J1(C)=J2(C)时，根据式(13) 和(14)，可得
权利要求
1.一种光纤法布里一珀罗Fabry-Perot位移传感系统，用于测量被测物体的振动位移量，包括光纤Fabry-Perot位移传感器,其特征在于所述光纤Fabry-Perot位移传感器包括准直透镜和夹持装置，所述准直透镜带有尾纤，且所述准直透镜被所述夹持装置所夹持固定；或者，所述光纤Fabry-Perot位移传感器包括光纤和夹持装置，所述光纤的一端面被切平，且所述光纤被所述夹持装置所夹持固定。
2.如权利要求I所述的光纤Fabry-Perot位移传感系统,其特征在于所述准直透镜的出光面或者所述光纤被切平的端面采用不镀膜结构或者镀半反半透膜结构。
3.如权利要求I所述的光纤Fabry-Perot位移传感系统,其特征在于所述准直透镜的出光面或者所述光纤被切平的端面的出射光直接到达被测物体的表面或者经过会聚透镜到达被测物体的表面。
4.如权利要求I所述的光纤Fabry-Perot位移传感系统,其特征在于还包括光频调制相位载波信号解调系统；所述光频调制相位载波信号解调系统向所述光纤Fabry-Perot位移传感器发射激光信号，所述激光信号通过光纤Fabry-Perot位移传感器入射到被测物体；所述光纤Fabry-Perot位移传感器接收所述被测物体返射回的光信号，并向所述光频调制相位载波信号解调系统反馈干涉信号；所述光频调制相位载波信号解调系统根据所述激光信号和返回的干涉信号，计算得到所述被测物体相对于所述光纤Fabry-Perot位移传感器的位移量。
5.如权利要求4所述的光纤Fabry-Perot位移传感系统,其特征在于所述光频调制相位载波信号解调系统包括 光电转换器I，用于将所述激光信号转换为电信号I ; 光电转换器II，用于将所述光纤Fabry-Perot位移传感器返回的干涉信号，转换为电信号II ； 模数转换器，用于将所述电信号I转换为数字信号I，将所述电信号II转换为数字信号II ; 微处理器，用于对所述数字信号I和数字信号II进行除法运算，得到消除光功率调制的干涉信号，然后将所述消除光功率调制的干涉信号分为两路，分别与一倍频载波信号和二倍频载波信号进行乘法运算，并将得到的信号再分别进行低通滤波得到两个相互正交的干涉信号，再对该两个相互正交的干涉信号进行除法运算，并对除法运算的结果进行求反正切运算，以及对求反正切运算得到的相位进行增量相位运算得到相位变化，最后对所述相位变化进行比例运算，得到所述被测物体相对于所述光纤Fabry-Perot位移传感器的位移量。
6.如权利要求4所述的光纤Fabry-Perot位移传感系统,其特征在于所述光频调制相位载波信号解调系统包括 光电转换器I，用于将所述激光信号转换为电信号I ; 光电转换器II，用于将所述光纤Fabry-Perot位移传感器返回的干涉信号转换为电信号II ； 模数转换器，用于将所述电信号I转换为数字信号I，将所述电信号II转换为数字信号II; 微处理器，用于对所述数字信号I和数字信号II进行除法运算，得到消除光功率调制的干涉信号，然后将所述消除光功率调制的干涉信号分为两路，分别与一倍频载波信号和二倍频载波信号进行乘法运算，并将得到的信号再分别进行低通滤波得到两个相互正交的干涉信号I2，再对该两个相互正交的干涉信号分别进行微分运算，得到I/ >1^再进行I/ — *Ii，再进行积分运算和高通滤波得到相位变化，最后对所述相位变化进行比例运算，得到所述被测物体相对于所述光纤Fabry-Perot位移传感器的位移量。
7.如权利要求5或6所述的光纤位移传感系统，其特征在于所述光频调制相位载波信号解调系统，还包括激光电流控制器、激光温度控制器、波长可调窄带激光器、光纤隔离器、2 X 2光纤稱合器和数模转换器； 所述激光电流控制器、激光温度控制器与所述波长可调窄带激光器的输入端连接，所述波长可调窄带激光器的输出端与所述光纤隔离器连接； 所述2X2光纤耦合器的四个接口分别接光纤隔离器、光纤Fabry-Perot位移传感器、光电转换器I和光电转换器II ; 所述微处理器还通过数模转换器与所述激光电流控制器、激光温度控制器连接，用于控制所述激光电流控制器、激光温度控制器。
8.如权利要求5或6所述的光纤Fabry-Perot位移传感系统,其特征在于所述光频调制相位载波信号解调系统，还包括激光电流控制器、激光温度控制器、波长可调窄带激光器、光纤隔离器、2X2光纤耦合器、信号发生器和数模转换器； 所述激光电流控制器、激光温度控制器与所述波长可调窄带激光器的输入端连接，所述波长可调窄带激光器的输出端与所述光纤隔离器连接。
所述2X2光纤耦合器的四个接口分别接光纤隔离器、光纤Fabry-Perot位移传感器、光电转换器I和光电转换器II ; 所述信号发生器，与所述激光电流控制器连接，用于产生控制所述激光电流控制器的调制信号，以及与所述模数转换器的连接，用于将所述调制信号通过所述模数转换器输出至微处理器； 所述微处理器还通过数模转换器与所述信号发生器、激光温度控制器连接，用于控制所述信号发生器、激光温度控制器。
9.如权利要求7或8所述的光纤Fabry-Perot位移传感系统,其特征在于所述波长可调窄带激光器、激光电流控制器和激光温度控制器由波长可调的窄线宽光源代替。
全文摘要
本发明提供的基于光频调制相位载波解调方法的光纤Fabry-Perot位移传感系统，用于测量被测物体的振动位移量，包括光纤Fabry-Perot位移传感器和光频调制相位载波信号解调系统，其中光纤Fabry-Perot位移传感器包括准直透镜和夹持装置，该准直透镜带有尾纤且该准直透镜被夹持装置所夹持；该光频调制相位载波信号解调系统包括激光电流控制器、激光温度控制器、波长可调窄带激光器、光纤隔离器、2×2光纤耦合器、光电转换器、数模转换器、模数转换器和微处理器。本发明可以提高光纤位移传感系统的测量精度、测量范围和抗电磁干扰能力。
文档编号H04B10/548GK102932069SQ20121040149
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月19日 优先权日2012年10月19日
发明者王代华, 贾平岗 申请人:重庆大学