專(zhuān)利名稱(chēng)：光纖Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感技術(shù)，尤其涉及一種基于光頻調(diào)制相位載波解調(diào)方法的光纖 Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在許多研究領(lǐng)域和工業(yè)場(chǎng)合都需要對(duì)物體的振動(dòng)位移進(jìn)行測(cè)量，一般可以選用光纖干涉型振動(dòng)位移傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。光纖干涉型振動(dòng)位移傳感系統(tǒng)中傳感器最常用的結(jié)構(gòu)主要有Mach-Zehnder (馬赫一曾德?tīng)?干涉儀、Michelson (邁克遜)干涉儀和Fabry-Perot (法布里一珀羅)干涉儀。其中，光纖Fabry-Perot干涉儀具有對(duì)兩個(gè)反射面之間的光程差變化非常敏感和結(jié)構(gòu)更加緊湊的特點(diǎn)。但是，目前光纖Fabry-Perot干涉型振動(dòng)位移傳感系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是測(cè)量精度低、測(cè)量范圍小、抗電磁干擾能力低。發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供一種光纖Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng)?？梢蕴岣吖饫w Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng)的測(cè)量精度、測(cè)量范圍和抗電磁干擾能力。
本發(fā)明提供的一種光纖Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng)，用于測(cè)量被測(cè)物體的振動(dòng)位移量，包括光纖Fabry-Perot位移傳感器,所述光纖Fabry-Perot位移傳感器包括準(zhǔn)直透鏡和夾持裝置，所述準(zhǔn)直透鏡帶有尾纖，且所述準(zhǔn)直透鏡被所述夾持裝置所夾持固定；或者，所述光纖Fabry-Perot位移傳感器包括光纖和夾持裝置，所述光纖的一端面被切平， 且所述光纖被所述夾持裝置所夾持固定。
進(jìn)一步所述準(zhǔn)直透鏡的出光面或者所述光纖被切平的端面采用不鍍膜結(jié)構(gòu)或者鍍半反半透膜結(jié)構(gòu)。
進(jìn)一步所述準(zhǔn)直透鏡的出光面或者所述光纖被切平的端面的出射光直接或者經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡到達(dá)被測(cè)物體的表面。
進(jìn)一步還包括光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)；所述光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)向所述光纖Fabry-Perot位移傳感器發(fā)射激光信號(hào)，所述激光信號(hào)通過(guò)光纖 Fabry-Perot位移傳感器入射到被測(cè)物體；所述光纖Fabry-Perot位移傳感器接收所述被測(cè)物體返射回的光信號(hào)，并向所述光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)反饋干涉信號(hào)；所述光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)根據(jù)所述激光信號(hào)和返回的干涉信號(hào)，計(jì)算得到所述被測(cè)物體相對(duì)于所述光纖Fabry-Perot位移傳感器的位移量。
進(jìn)一步所述光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)包括
光電轉(zhuǎn)換器I，用于將所述激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)I ;
光電轉(zhuǎn)換器II，用于將所述光纖Fabry-Perot位移傳感器返回的干涉信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)II ；
模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將所述電信號(hào)I轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)I，將所述電信號(hào)II轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)II ；4
微處理器，用于對(duì)所述數(shù)字信號(hào)I和數(shù)字信號(hào)II進(jìn)行除法運(yùn)算，得到消除光功率調(diào)制的干涉信號(hào)，然后將所述消除光功率調(diào)制的干涉信號(hào)分為兩路，分別與一倍頻載波信號(hào)和二倍頻載波信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算，并將得到的信號(hào)再分別進(jìn)行低通濾波得到兩個(gè)相互正交的干涉信號(hào)，再對(duì)該兩個(gè)相互正交的干涉信號(hào)進(jìn)行除法運(yùn)算，并對(duì)除法運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行求反正切運(yùn)算，以及對(duì)求反正切運(yùn)算得到的相位進(jìn)行增量相位運(yùn)算得到相位變化，最后對(duì)所述相位變化進(jìn)行比例運(yùn)算，得到所述被測(cè)物體相對(duì)于所述光纖Fabry-Perot位移傳感器的位移量。
進(jìn)一步所述光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)包括
光電轉(zhuǎn)換器I，用于將所述激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)I ;
光電轉(zhuǎn)換器II，用于將所述光纖Fabry-Perot位移傳感器返回的干涉信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)II ；
模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將所述電信號(hào)I轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)I，將所述電信號(hào)II轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)II ；
微處理器，用于對(duì)所述數(shù)字信號(hào)I和數(shù)字信號(hào)II進(jìn)行除法運(yùn)算，得到消除光功率調(diào)制的干涉信號(hào)，然后將所述消除光功率調(diào)制的干涉信號(hào)分為兩路，分別與一倍頻載波信號(hào)和二倍頻載波信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算，并將得到的信號(hào)再分別進(jìn)行低通濾波得到兩個(gè)相互正交的干涉信號(hào)Ii、I2，再對(duì)該兩個(gè)相互正交的干涉信號(hào)分別進(jìn)行微分運(yùn)算，得到I/ >1^再進(jìn)行I/ *12 — 12' *Ii，再進(jìn)行積分運(yùn)算和高通濾波得到相位變化，最后對(duì)所述相位變化進(jìn)行比例運(yùn)算，得到所述被測(cè)物體相對(duì)于所述光纖Fabry-Perot位移傳感器的位移量。
進(jìn)一步所述光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)，還包括激光電流控制器、激光溫度控制器、波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器、光纖隔離器、2X2光纖耦合器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器；
所述激光電流控制器、激光溫度控制器與所述波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器的輸入端連接，所述波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器的輸出端與所述光纖隔離器連接；
所述2 X 2光纖耦合器的四個(gè)接口分別接光纖隔離器、光纖Fabry-Perot位移傳感器、光電轉(zhuǎn)換器I和光電轉(zhuǎn)換器II ；
所述微處理器還通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器與所述激光電流控制器、激光溫度控制器連接， 用于控制所述激光電流控制器、激光溫度控制器。
進(jìn)一步所述光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)，還包括激光電流控制器、激光溫度控制器、波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器、光纖隔離器、2X2光纖耦合器、信號(hào)發(fā)生器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器；
所述激光電流控制器、激光溫度控制器與所述波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器的輸入端連接，所述波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器的輸出端與所述光纖隔離器連接。
所述2 X 2光纖耦合器的四個(gè)接口分別接光纖隔離器、光纖Fabry-Perot位移傳感器、光電轉(zhuǎn)換器I和光電轉(zhuǎn)換器II ；
所述信號(hào)發(fā)生器，與所述激光電流控制器連接，用于產(chǎn)生控制所述激光電流控制器的調(diào)制信號(hào)，以及與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的連接，用于將所述調(diào)制信號(hào)通過(guò)所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出至微處理器；
所述微處理器還通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器與所述信號(hào)發(fā)生器、激光溫度控制器連接，用于控制所述信號(hào)發(fā)生器、激光溫度控制器。
進(jìn)一步所述波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器，激光電流控制器和激光溫度控制器由波長(zhǎng)可調(diào)的窄線(xiàn)寬光源代替。
本發(fā)明的有益效果
由于光纖Fabry-Perot位移傳感器采用夾持裝置夾持準(zhǔn)直透鏡或一端被切平的光纖的結(jié)構(gòu)，因此可以對(duì)入射光進(jìn)行準(zhǔn)直，這既可以減小發(fā)散角，又可增大光線(xiàn)出射面積， 能夠有效地降低光纖的反射損耗，提高光纖Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng)的測(cè)量精度。又由于采用夾持裝置夾持準(zhǔn)直透鏡或一端被切平的光纖的方式，可以通過(guò)對(duì)夾持裝置的調(diào)整， 很容易地對(duì)準(zhǔn)直透鏡或一端被切平的光纖的出光面與被測(cè)物體的表面的距離和平行度進(jìn)行調(diào)整，使光纖Fabry-Perot位移傳感器工作在不同的距離,這將提高光纖Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng)的測(cè)量范圍。又由于，該光纖Fabry-Perot位移傳感器中沒(méi)有引入任何帶電元件，因此其具有較好的抗電磁干擾能力，適用于遠(yuǎn)程和復(fù)雜電磁環(huán)境時(shí)的測(cè)量。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述
圖I是本發(fā)明的光纖Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng)的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的光纖Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng)的第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的光纖Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng)的第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明的光纖Fabry-Perot位移傳感器的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是測(cè)量5Hz的正弦激勵(lì)時(shí)光纖Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng)的輸出結(jié)果示意圖。
圖6是測(cè)量白噪聲激勵(lì)時(shí)光纖Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng)的輸出結(jié)果不意圖。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參考圖1，是本發(fā)明的光纖Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng)的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
如圖所示，該光纖Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng)包括光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)60和光纖Fabry-Perot位移傳感器61。其中，光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)60用于向光纖Fabry-Perot位移傳感器61發(fā)射激光信號(hào)，該激光信號(hào)在光纖Fabry-Perot位移傳感器61中傳輸，當(dāng)該激光信號(hào)到達(dá)光纖Fabry-Perot位移傳感器61的出光面時(shí)，一部分激光信號(hào)被出光面反射回來(lái)，形成參考光束，一部分激光信號(hào)透過(guò)空氣到達(dá)被測(cè)物體2 的表面，經(jīng)被測(cè)物體2的表面反射后，其中的部分光又被反射回光纖Fabry-Perot位移傳感器61中形成信號(hào)光束，參考光束和信號(hào)光束相干涉，形干涉信號(hào)，并回傳給光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)60。光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)60根據(jù)發(fā)射的激光信號(hào)和光纖 Fabry-Perot位移傳感器61回傳的干涉信號(hào),計(jì)算被測(cè)物體相對(duì)于光纖Fabry-Perot位移傳感器61的位移量。需要說(shuō)明的是，當(dāng)被測(cè)物體發(fā)生振動(dòng)時(shí)，被測(cè)物體與光纖Fabry-Perot 位移傳感器的相對(duì)距離即發(fā)生改變，這將導(dǎo)致光纖Fabry-Perot位移傳感器61中形成的干涉信號(hào)的相位發(fā)生變化，因此光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)60可以對(duì)該干涉信號(hào)的相位變化進(jìn)行檢測(cè)，從而確定被測(cè)物體相對(duì)于光纖Fabry-Perot位移傳感器61的位移量
請(qǐng)繼續(xù)參考圖I，一種實(shí)施方式中，光纖Fabry-Perot位移傳感器61的結(jié)構(gòu)主要由夾持裝置5夾持準(zhǔn)直透鏡I構(gòu)成。其中準(zhǔn)直透鏡I帶有一尾纖3，該尾纖3用于與光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)60連接。當(dāng)需要進(jìn)行測(cè)量時(shí)，通過(guò)夾持裝置5將準(zhǔn)直透鏡I的出光面4調(diào)整到與被測(cè)物體2的表面相平行的位置，從而使準(zhǔn)直透鏡I的出光面4與被測(cè)物體 2的表面構(gòu)成一個(gè)Fabry-Perot干涉儀。需要說(shuō)明的是，準(zhǔn)直透鏡可以對(duì)入射光進(jìn)行準(zhǔn)直， 這樣既可以減小發(fā)射角，也可以增大光線(xiàn)出射面積，從而有效地降低光纖的反射損耗，提高光纖Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng)的測(cè)量精度。需要說(shuō)明的是，由于準(zhǔn)直透鏡I通過(guò)夾持裝置5進(jìn)行夾持，因此通過(guò)調(diào)整夾持裝置5的位置，調(diào)整Fabry-Perot干涉儀的腔長(zhǎng)(準(zhǔn)直透鏡I出光面4到被測(cè)物體2表面的距離)和準(zhǔn)直透鏡I出光面4與被測(cè)物體2表面的平行度，從而使光纖Fabry-Perot位移傳感器工作在不同的距離,提高光纖Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng)的測(cè)量范圍。
請(qǐng)參考圖3, —種實(shí)施方式中，光纖Fabry-Perot位移傳感器61主要米用夾持裝置 5夾持一端被切平的光纖41的結(jié)構(gòu),在圖3中光從光纖41被切平的端面(即出光面42)出射后，直接到達(dá)被測(cè)物體2的表面。此種結(jié)構(gòu)具有與圖I所示的采用準(zhǔn)直透鏡I的結(jié)構(gòu)類(lèi)似的功能和作用。
請(qǐng)參考圖4，其與圖I中的光纖傳感器61主要區(qū)別在于，在圖I中，準(zhǔn)直透鏡I的出光面4出射的光直接到達(dá)被測(cè)物體2的表面。在圖4中，準(zhǔn)直透鏡I的出光面4出射的光經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡46到達(dá)被測(cè)物體2的表面，此處被測(cè)物體2的表面可以是曲面。采用夾持裝置5將準(zhǔn)直透鏡I、尾纖3和會(huì)聚透鏡46固定。需要說(shuō)明的是，其中準(zhǔn)直透鏡部分也可以采用圖3的結(jié)構(gòu)，即由一端被切平的光纖代替。
這三種結(jié)構(gòu)中均沒(méi)有引入任何帶電元件，因此該三種的光纖Fabry-Perot位移傳感器均具有較好的抗電磁干擾能力，適用于遠(yuǎn)程和復(fù)雜電磁環(huán)境時(shí)的測(cè)量。特別是圖4中所述的光纖Fabry-Perot位移傳感器可以測(cè)量不平整表面某一點(diǎn)的位移量。
請(qǐng)繼續(xù)參考圖1，一種實(shí)施方式中，光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)60包括激光電流控制器7、激光溫度控制器8、波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器9、光纖隔離器10、2X2光纖耦合器11、光電轉(zhuǎn)換器112、光電轉(zhuǎn)換器1113、模數(shù)轉(zhuǎn)換器14、微處理器15和數(shù)模轉(zhuǎn)換器16。其中， 激光電流控制器7、激光溫度控制器8與波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器9的輸入端連接，波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器9的輸出端與光纖隔離器10連接。2X2光纖耦合器11具有四個(gè)接口，分別接光纖隔離器10、光纖Fabry-Perot位移傳感器61、光電轉(zhuǎn)換器112和光電轉(zhuǎn)換器1113。模數(shù)轉(zhuǎn)換器14的兩個(gè)輸入端分別接光電轉(zhuǎn)換器112和光電轉(zhuǎn)換器1113，輸出端連接至微處理器 15。微處理器15通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器16與激光電流控制器7、激光溫度控制器8連接，用于控制激光電流控制器7、激光溫度控制器8。
下面基于圖I的結(jié)構(gòu)，具體說(shuō)明如何測(cè)量被測(cè)物體2相對(duì)于光纖Fabry-Perot位移傳感器61的位移量。
在圖I中，由準(zhǔn)直透鏡I的出光面4與被測(cè)物體2的表面構(gòu)成了 Fabry-Perot干涉儀，該干涉儀的瞬時(shí)腔長(zhǎng)可以表示為
L (t) =L0+x (t) +Le (t)(I)
式中瞬時(shí)腔長(zhǎng)L(t)主要由三部分組成一是初始腔長(zhǎng)Ltl，這由準(zhǔn)直透鏡I的出光面4與被測(cè)物體2的表面之間的距離決定；一是被測(cè)物體的振動(dòng)引起的Fabry-Perot干涉儀的腔長(zhǎng)變化x(t)(這是需要我們測(cè)量的);一是環(huán)境擾動(dòng)引起的Fabry-Perot干涉儀的腔長(zhǎng)的微小變化量Le (t)。
在實(shí)際測(cè)量中
一、由微處理器15產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，并通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器16將該調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換后加載至激光電流控制器7，通過(guò)激光電流控制器7驅(qū)動(dòng)波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器9產(chǎn)生激光信號(hào)，產(chǎn)生的激光信號(hào)通過(guò)光纖隔離器10與2X2光纖耦合器11傳輸至光纖Fabry-Perot位移傳感器61。
二、通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器12和光電轉(zhuǎn)換器13分別接收光纖Fabry-Perot位移傳感器 61回傳的干涉信號(hào)和波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器9的激光信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。此處光電轉(zhuǎn)換器12和光電轉(zhuǎn)換器13轉(zhuǎn)換后得到的電信號(hào)可以基于下述原理得到
當(dāng)準(zhǔn)直透鏡I的出光面4和被測(cè)物體的表面2 (即其振動(dòng)面)的反射率較低時(shí)， Fabry-Perot干涉儀可以被看作一個(gè)低精度的干涉儀。此時(shí)干涉信號(hào)可以表示為
4 = A 十 B cos(0, (/) + φι: (/))(2)
式(2)中A代表反射光的光功率，B代表干涉信號(hào)的幅度，隊(duì)(/)為由Fabry-Perot 干涉儀的瞬時(shí)腔長(zhǎng)L(t)決定的光學(xué)相位，叭是光頻正弦調(diào)制產(chǎn)生的相位載波信號(hào)。且A， B，隊(duì)( )和％ (O可以分別表示為
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分別為準(zhǔn)直透鏡出光面4和被測(cè)物體的表面2的反射率，I0為波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器9輸出的光功率，叭(O是由被測(cè)振動(dòng)位移產(chǎn)生的相位變化，叭(〖)是由環(huán)境噪聲引起的相位變化，％為Fabry-Perot干涉儀的初始相位，C為載波調(diào)制幅度，ω。為正弦波調(diào)制電流信號(hào)頻率，且
Φ,·( = ^4 …ΛI(xiàn) I)^ 4π , .
C -ADFB/mc(8)
式中λ為波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器9的中心波長(zhǎng)，c為光速，Kdfb為單位電流變化下波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器9輸出光頻的變化量，im為激光電流控制器7產(chǎn)生的電流的幅度。
當(dāng)采用頻率為ω。的正弦波電流信號(hào)對(duì)波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器9的輸出光頻調(diào)制時(shí)，波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器9的輸出激光功率Itl也會(huì)被調(diào)制，激光光頻調(diào)制時(shí)波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器9的輸出激光功率可以表不為
I0=Is (1+mcos ω ct)(9)
式中Is是未調(diào)制時(shí)波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器9輸出的平均功率，m是波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器9光功率調(diào)制的調(diào)制度，且m〈〈l。
由式(2)_(9)可得光電轉(zhuǎn)換器12和光電轉(zhuǎn)換器13得到的電信號(hào)分別為
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分別是光電轉(zhuǎn)換器12和光電轉(zhuǎn)換器13的響應(yīng)度，α和β分別是光電轉(zhuǎn)換器12和光電轉(zhuǎn)換器13接收到的光功率和波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器9輸出的光功率的百分比。
三、通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器14將Ipi和Ip2輸入到微處理器15中，通過(guò)Ipi除以Ip2可以消除激光器的輸出光頻調(diào)制時(shí)伴隨的激光功率調(diào)制對(duì)干涉信號(hào)的影響，得到
I=ARp Y +BRp Y cos (Ccos ω ct+ φ L (t))(12)
式中Υ = α/β , RP=RP1/RP2。當(dāng)光纖位移傳感系統(tǒng)的各個(gè)元件確定后，α、β、RP1和 Rp2都可認(rèn)為是常數(shù)，即Y和Rp也可認(rèn)為是常數(shù)。
四、在微處理器中15中，將式(12)中的信號(hào)I分成兩路，分別與微處理器15產(chǎn)生的頻率為ω。和2 ω。，幅度均為I的載波信號(hào)進(jìn)行混頻，即分別與一倍頻載波信號(hào)和二倍頻載波信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算。然后采用低通濾波器分別濾掉的兩路信號(hào)中的高頻信號(hào)可得到的離散化信號(hào)可以表示為
I1=BRpY J1 (C) sin [Φ#]](13)
I2=BRp Y J2 (C) cos [<j5LM](14)
式中Jtl(C)和1(0分別為相位調(diào)制幅度C的零階和一階第一類(lèi)Bessel函數(shù)， (k=l, 2，3···)是時(shí)間序列，隊(duì)[A]是相位變化％ (O的離散值。
通過(guò)上述過(guò)程即得到是采用相位載波方法得到兩個(gè)相互正交的干涉信號(hào)。得到上述兩個(gè)相互正交的干涉信號(hào)后，可以采用微分交叉相乘或者求反正切的算法計(jì)算干涉信號(hào)的相位變化。具體地
方法一
若采用求反正切的算法計(jì)算干涉信號(hào)的相位變化，當(dāng)J1(C)=J2(C)時(shí)，根據(jù)式(13) 和(14)，可得
權(quán)利要求
1.一種光纖法布里一珀羅Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng)，用于測(cè)量被測(cè)物體的振動(dòng)位移量，包括光纖Fabry-Perot位移傳感器,其特征在于所述光纖Fabry-Perot位移傳感器包括準(zhǔn)直透鏡和夾持裝置，所述準(zhǔn)直透鏡帶有尾纖，且所述準(zhǔn)直透鏡被所述夾持裝置所夾持固定；或者，所述光纖Fabry-Perot位移傳感器包括光纖和夾持裝置，所述光纖的一端面被切平，且所述光纖被所述夾持裝置所夾持固定。
2.如權(quán)利要求I所述的光纖Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng),其特征在于所述準(zhǔn)直透鏡的出光面或者所述光纖被切平的端面采用不鍍膜結(jié)構(gòu)或者鍍半反半透膜結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求I所述的光纖Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng),其特征在于所述準(zhǔn)直透鏡的出光面或者所述光纖被切平的端面的出射光直接到達(dá)被測(cè)物體的表面或者經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡到達(dá)被測(cè)物體的表面。
4.如權(quán)利要求I所述的光纖Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng),其特征在于還包括光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)；所述光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)向所述光纖Fabry-Perot位移傳感器發(fā)射激光信號(hào)，所述激光信號(hào)通過(guò)光纖Fabry-Perot位移傳感器入射到被測(cè)物體；所述光纖Fabry-Perot位移傳感器接收所述被測(cè)物體返射回的光信號(hào)，并向所述光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)反饋干涉信號(hào)；所述光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)根據(jù)所述激光信號(hào)和返回的干涉信號(hào)，計(jì)算得到所述被測(cè)物體相對(duì)于所述光纖Fabry-Perot位移傳感器的位移量。
5.如權(quán)利要求4所述的光纖Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng),其特征在于所述光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)包括 光電轉(zhuǎn)換器I，用于將所述激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)I ; 光電轉(zhuǎn)換器II，用于將所述光纖Fabry-Perot位移傳感器返回的干涉信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)II ； 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將所述電信號(hào)I轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)I，將所述電信號(hào)II轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)II ; 微處理器，用于對(duì)所述數(shù)字信號(hào)I和數(shù)字信號(hào)II進(jìn)行除法運(yùn)算，得到消除光功率調(diào)制的干涉信號(hào)，然后將所述消除光功率調(diào)制的干涉信號(hào)分為兩路，分別與一倍頻載波信號(hào)和二倍頻載波信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算，并將得到的信號(hào)再分別進(jìn)行低通濾波得到兩個(gè)相互正交的干涉信號(hào)，再對(duì)該兩個(gè)相互正交的干涉信號(hào)進(jìn)行除法運(yùn)算，并對(duì)除法運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行求反正切運(yùn)算，以及對(duì)求反正切運(yùn)算得到的相位進(jìn)行增量相位運(yùn)算得到相位變化，最后對(duì)所述相位變化進(jìn)行比例運(yùn)算，得到所述被測(cè)物體相對(duì)于所述光纖Fabry-Perot位移傳感器的位移量。
6.如權(quán)利要求4所述的光纖Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng),其特征在于所述光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)包括 光電轉(zhuǎn)換器I，用于將所述激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)I ; 光電轉(zhuǎn)換器II，用于將所述光纖Fabry-Perot位移傳感器返回的干涉信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)II ； 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將所述電信號(hào)I轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)I，將所述電信號(hào)II轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)II; 微處理器，用于對(duì)所述數(shù)字信號(hào)I和數(shù)字信號(hào)II進(jìn)行除法運(yùn)算，得到消除光功率調(diào)制的干涉信號(hào)，然后將所述消除光功率調(diào)制的干涉信號(hào)分為兩路，分別與一倍頻載波信號(hào)和二倍頻載波信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算，并將得到的信號(hào)再分別進(jìn)行低通濾波得到兩個(gè)相互正交的干涉信號(hào)I2，再對(duì)該兩個(gè)相互正交的干涉信號(hào)分別進(jìn)行微分運(yùn)算，得到I/ >1^再進(jìn)行I/ — *Ii，再進(jìn)行積分運(yùn)算和高通濾波得到相位變化，最后對(duì)所述相位變化進(jìn)行比例運(yùn)算，得到所述被測(cè)物體相對(duì)于所述光纖Fabry-Perot位移傳感器的位移量。
7.如權(quán)利要求5或6所述的光纖位移傳感系統(tǒng)，其特征在于所述光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)，還包括激光電流控制器、激光溫度控制器、波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器、光纖隔離器、2 X 2光纖稱(chēng)合器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器； 所述激光電流控制器、激光溫度控制器與所述波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器的輸入端連接，所述波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器的輸出端與所述光纖隔離器連接； 所述2X2光纖耦合器的四個(gè)接口分別接光纖隔離器、光纖Fabry-Perot位移傳感器、光電轉(zhuǎn)換器I和光電轉(zhuǎn)換器II ; 所述微處理器還通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器與所述激光電流控制器、激光溫度控制器連接，用于控制所述激光電流控制器、激光溫度控制器。
8.如權(quán)利要求5或6所述的光纖Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng),其特征在于所述光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)，還包括激光電流控制器、激光溫度控制器、波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器、光纖隔離器、2X2光纖耦合器、信號(hào)發(fā)生器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器； 所述激光電流控制器、激光溫度控制器與所述波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器的輸入端連接，所述波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器的輸出端與所述光纖隔離器連接。
所述2X2光纖耦合器的四個(gè)接口分別接光纖隔離器、光纖Fabry-Perot位移傳感器、光電轉(zhuǎn)換器I和光電轉(zhuǎn)換器II ; 所述信號(hào)發(fā)生器，與所述激光電流控制器連接，用于產(chǎn)生控制所述激光電流控制器的調(diào)制信號(hào)，以及與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的連接，用于將所述調(diào)制信號(hào)通過(guò)所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出至微處理器； 所述微處理器還通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器與所述信號(hào)發(fā)生器、激光溫度控制器連接，用于控制所述信號(hào)發(fā)生器、激光溫度控制器。
9.如權(quán)利要求7或8所述的光纖Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng),其特征在于所述波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器、激光電流控制器和激光溫度控制器由波長(zhǎng)可調(diào)的窄線(xiàn)寬光源代替。
全文摘要
本發(fā)明提供的基于光頻調(diào)制相位載波解調(diào)方法的光纖Fabry-Perot位移傳感系統(tǒng)，用于測(cè)量被測(cè)物體的振動(dòng)位移量，包括光纖Fabry-Perot位移傳感器和光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)，其中光纖Fabry-Perot位移傳感器包括準(zhǔn)直透鏡和夾持裝置，該準(zhǔn)直透鏡帶有尾纖且該準(zhǔn)直透鏡被夾持裝置所夾持；該光頻調(diào)制相位載波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)包括激光電流控制器、激光溫度控制器、波長(zhǎng)可調(diào)窄帶激光器、光纖隔離器、2×2光纖耦合器、光電轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和微處理器。本發(fā)明可以提高光纖位移傳感系統(tǒng)的測(cè)量精度、測(cè)量范圍和抗電磁干擾能力。
文檔編號(hào)H04B10/548GK102932069SQ20121040149
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月19日
發(fā)明者王代華, 賈平崗 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)