CN103308146B - 光纤f-p声发射传感器的信号解调*** - Google Patents

Abstract

一种光纤F-P声发射传感器的信号解调***。包括光学自校准激光光源模块、光环行器、光纤F-P声发射传感器、微弱信号光电转换模块、微弱信号调理模块、高速信号采集模块和信号处理模块；光环行器有三个端口，第1端口连接光学自校准激光光源模块；第2端口连接至光纤F-P声发射传感器；通过光纤F-P声发射传感器反射回来的信号经过第3端口连接至微弱信号光电转换模块；微弱信号光电转换模块、微弱信号调理模块、高速信号采集模块及信号处理模块顺序相连，信号处理模块完成信号的处理和分析。本信号解调***解决了光纤F-P传感器连续在线工作过程中光源自校准、微弱信号处理的问题，提高了测量精度，简化了***制备工艺，降低了成本。

Description

光纤F-P声发射传感器的信号解调***

技术领域

本发明涉及光纤Fabry-Perot（F-P）声发射传感器在线监测信号解调技术，属于光纤传感技术领域。

背景技术

目前，在各种领域中使用的声发射传感器包括电类传感器、光纤传感器等多种传感器，传统的声发射传感器多采用谐振式压电传感器，其主要缺点是：体积大，响应频率低，不能在高温、强电磁干扰与腐蚀等恶劣环境下使用。相比之下，光纤传感器具有体积小、响应频率高、测量精度高、抗电磁干扰、易于组网等优点。因此，光纤Fabry-Perot（F-P）传感器在声发射信号检测中具有很重要的价值。到目前为止，光纤F-P声发射所用的解调主要为强度解调。

光纤F-P声发射传感器的输出信号为非线性的正弦信号，强度型光纤F-P传感***通过传感器输出光强与传感器腔长之间的对应关系来实现对应变的测量。尽管在大多数情况下可探测到正弦传递函数的变化，但在峰值或谷值的位置，不能确定腔长是增加还是减小，因为无论腔长是增加还是减小，输出信号的光强都是降低。信号输出方向会出现模糊，必须使用特殊的技术来确定变化的方向。实际上光源输出光强会受到温度等外界环境的影响，这就对***的测量准确度造成了负面的影响，降低了***工作的稳定性和测量精度。目前，主要采用双F-P腔正交测量法及双波长与三波长测量法，这些方法***制作困难且信号解调***复杂、解调频率低，在实际应用中受到很大限制。针对此问题，美国弗吉尼亚大学王安波等人在《Self-calibrated interferometric/intensity-based optical fiber sensors》论文中提出了基于宽带光源的自补偿式强度解调方法。这种解调***虽然容易实现并能克服上述***对外界影响敏感的缺点，但是该解调***的信号非常微弱，测量频率与精度均较低，不能满足实际应用中光纤F-P声发射传感器信号解调的要求。

发明内容

本发明目的旨在克服上述声发射传感器强度解调技术中存在的不足，提供一种光纤Fabry-Perot（F-P）声发射传感器的信号解调***，解决了光纤F-P声发射传感器连续在线工作过程中光源自校准、微弱信号处理软硬件的问题，提高了***的测量精度，简化了传感***的制备工艺，降低了传感器的成本。

本发明为了达到上述的目的，提供的技术方案如下：

一种光纤F-P声发射传感器的信号解调***，该***包括光学自校准激光光源模块、光环行器、光纤F-P声发射传感器、微弱信号光电转换模块、微弱信号调理模块、高速信号采集模块和信号处理模块；光环行器有三个端口，光环行器的第1端口连接所述的光学自校准激光光源模块；光环行器的第2端口连接至光纤F-P声发射传感器；通过光纤F-P声发射传感器反射回来的信号经过光环形器的第3端口连接至微弱信号光电转换模块；微弱信号光电转换模块连接至微弱信号调理模块；微弱信号调理模块连接至高速信号采集模块；高速信号采集模块连接至信号处理模块，信号处理模块完成信号的处理和分析。

本发明的技术方案中，光学自校准激光光源模块选用型号为Santec TUNABLE SEMICONDUCTOR LASER TSL-510激光光源。该模块中的光强比较反馈查询电路自动调整光纤F-P可调滤波器的工作电压，使光学自校准激光光源模块的输出功率始终稳定在最小输出功率与最大输出功率的中间值。

本发明的技术方案中，微弱信号光电转换模块选用型号为低噪声高性噪比的OP111A  运算放大器，该模块通过在雪崩二极管前设置相应的光学带通滤波器来滤除信号噪声获得真实的传感信号。

本发明的技术方案中，微弱信号调理模块选用型号为LFC2高增益运算放大器和切比雪夫滤波电路组成。该模块中通过在调理电路的多级次的放大和软硬件的交替滤波，提高***的信号强度及信噪比。

本发明的技术方案中，所述的高速信号采集模块，采用型号为AD7810模数转换芯片及NI-USB-6366数据采集卡对调理过的信号进行高速采集。

本发明的技术方案中，信号处理模块采用高速FPGA芯片对信号进行处理，采用多维小波变换的方法进行去噪，并与快速傅里叶变换相结合对数据进行实时分析和处理，并显示在计算机上。

本发明的技术方案中 ，所述光环行器有三个端口，其中三个端口分别连接至所述光学自校准激光光源模块、所述光纤F-P声发射传感器和所述微弱信号光电转换模块，目的是将所述的光纤F-P声发射传感器反射回来的信号，经过所述的光环形器传输到所述的微弱信号光电转换模块，从而使光信号按照指定的路径低损耗地传输。

将所述的光学自校准激光光源模块连接至所述的光环行器，为整个***提供光源。其中，所述的光学自校准激光光源模块中包含光强比较反馈查询电路、光纤F-P可调滤波器驱动电路和光纤F-P可调滤波器等，通过所述的光学自校准激光光源模块中的光强比较反馈查询电路的自动校准功能来自动调整光纤F-P可调滤波器的工作电压，使所述的光学自校准激光光源模块的输出功率始终稳定在最小输出功率与最大输出功率的中间值，从而提高了***的测量精度，简化了传感***的制备工艺，降低了传感器的成本；所述的微弱信号光电转换模块通过在雪崩二极管前设置相应的光学带通滤波器滤除信号噪声，从而获得真实的传感信号。

将所述的微弱信号光电转换模块连接至微弱信号调理模块，其中，微弱信号调理模块通过调理电路的多级次的放大和软硬件的交替滤波，提高了***的信号强度及信噪比。

将所述的微弱信号调理模块连接至高速信号采集模块。其中，采用高采样率的A/D转换器、高速FPGA芯片对调理过的信号进行高速采集；

将所述的高速信号采集模块连接至所述的信号处理模块。其中，在信号处理模块中，采用多维小波变换的方法进行去噪，并与快速傅里叶变换相结合对数据进行实时分析和处理，并显示到计算机上。

基于上述的技术方案，本发明具有以下优点：

1.本发明通过光学自校准激光光源模块中的光强比较反馈查询电路的自动校准功能来自动调整光纤F-P可调滤波器的工作电压，使所述的光学自校准激光光源模块的输出功率始终稳定在最小输出功率与最大输出功率的中间值，从而提高了***的测量精度，简化了传感***的制备工艺，降低了传感器的成本。

2.本发明所述的微弱信号调理模块通过调理电路的多级次的放大和软硬件的交替滤波来提高***的信号强度及信噪比。

3.本发明所述的信号处理模块采用多维小波变换的方法进行去噪，并与快速傅里叶变换相结合对数据进行实时分析和处理，并显示到计算机上。

附图说明

图1是本发明的光纤F-P声发射传感器的信号解调***的结构连接示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的光纤Fabry-Perot（F-P）声发射传感器的信号解调***主要包括：光学自校准激光光源模块1，光环行器2，光纤F-P声发射传感器3，微弱信号光电转换模块4，微弱信号调理模块5，高速信号采集模块6，信号处理模块7。其中，光环行器2有三个端口，分别为第1端口8、第2端口9和第3端口10。先将光纤F-P声发射传感器3固定在所需要测量的位置，光学自校准激光光源1连接至光环行器2的第1端口8；光环行器2的第2端口9连接至光纤F-P声发射传感器3；通过光纤F-P声发射传感器3反射回来的信号经过光环形器2的第3端口10连接至微弱信号光电转换模块4；微弱信号光电转换模块4连接至微弱信号调理模块5；微弱信号调理模块5连接至高速信号采集模块6；高速信号采集模块6连接至信号处理模块7，信号处理模块7通过相应的应用软件来完成信号的处理和分析。

光学自校准激光光源模块1输出的光进入光环行器2的第1端口8后，从光环行器2的第2端口9输出至光纤F-P声发射传感器3，当光纤F-P声发射传感器3感应到在检测范围内产生的声发射信号时，光纤F-P声发射传感器3将获取的声发射信号反射回来进入光环行器2的第2端口9，从光环行器2的第3端口10输出，将光环行器2的第3端口10输出的声发射信号传输到微弱信号光电转换模块4，微弱信号光电转换模块4通过雪崩二极管前端的带通滤波器滤除其他光学信号噪声来获得真实的传感信号，然后进行光电转换处理将微弱的声发射信号转换为较弱的电信号，当微弱的电信号传送到微弱信号调理模块5时，微弱信号调理模块5通过多级次的放大和软硬件的交替滤波对信号进行调理，经过微弱信号调理模块5的信号被传送到高速信号采集模块6，高速信号采集模块6中包括核心芯片A/D转换器和FPGA，采集到的信号最后进入信号处理模块7，信号处理模块7采用多维小波变换的方法进行去噪，并与快速傅里叶变换相结合对数据进行实时分析和处理，并加以显示到计算机上。

Claims (6)

1.一种光纤F-P声发射传感器的信号解调***，其特征在于：该***包括光学自校准激光光源模块（1）、光环行器（2）、光纤F-P 声发射传感器（3）、微弱信号光电转换模块（4）、微弱信号调理模块（5）、高速信号采集模块（6）和信号处理模块（7）；光环行器（2）有三个端口，光环行器（2）的第1 端口（8）连接所述的光学自校准激光光源模块；光环行器（2）的第2 端口（9）连接至光纤F-P 声发射传感器（3）；通过光纤F-P 声发射传感器（3）反射回来的信号经过光环行 器（2）的第3 端口（10）连接至微弱信号光电转换模块（4）；微弱信号光电转换模块（4）连接至微弱信号调理模块（5）；微弱信号调理模块（5）连接至高速信号采集模块（6）；高速信号采集模块（6）连接至信号处理模块（7），信号处理模块（7）完成信号的处理和分析；所述的光学自校准激光光源模块中包含光强比较反馈查询电路、光纤F-P 可调滤波器驱动电路和光纤F-P 可调滤波器，通过所述的光学自校准激光光源模块中的光强比较反馈查询电路的自动校准功能来自动调整光纤F-P 可调滤波器的工作电压，使所述的光学自校准激光光源模块的输出功率始终稳定在最小输出功率与最大输出功率的中间值；光学自校准激光光源模块（1）输出的光进入光环行器（2）的第1端口（8）后，从光环行器（2）的第2端口（9）输出至光纤F-P声发射传感器（3），当光纤F-P声发射传感器（3）感应到在检测范围内产生的声发射信号时，光纤F-P声发射传感器（3）将获取的声发射信号反射回来进入光环行器（2）的第2端口（9），从光环行器（2）的第3端口（10）输出，将光环行器（2）的第3端口（10）输出的声发射信号传输到微弱信号光电转换模块（4），微弱信号光电转换模块（4）通过雪崩二极管前端的带通滤波器滤除其他光学信号噪声来获得真实的传感信号，然后进行光电转换处理将微弱的声发射信号转换为较弱的电信号，当微弱的电信号传送到微弱信号调理模块（5）时，微弱信号调理模块（5）通过多级次的放大和软硬件的交替滤波对信号进行调理，经过微弱信号调理模块（5）的信号被传送到高速信号采集模块（6），高速信号采集模块（6）中包括核心芯片A/D 转换器和FPGA，采集到的信号最后进入信号处理模块（7），信号处理模块（7）采用多维小波变换的方法进行去噪，并与快速傅里叶变换相结合对数据进行实时分析和处理，并加以显示到计算机上。

2.如权利要求1所述的一种光纤F-P声发射传感器的信号解调***，其特征在于：光学自校准激光光源模块（1），选用型号为Santec TUNABLE SEMICONDUCTOR LASER TSL-510激光光源。

3.如权利要求1所述的一种光纤F-P声发射传感器的信号解调***，其特征在于：微弱信号光电转换模块（4），选用型号为低噪声高性噪比的OP111A 运算放大器。

4.如权利要求1所述的一种光纤F-P 声发射传感器的信号解调***，其特征在于：微弱信号调理模块（5）为LFC2 高增益运算放大器和切比雪夫滤波电路组成。

5.如权利要求1所述的一种光纤F-P 声发射传感器的信号解调***，其特征在于：所述的高速信号采集模块（6），采用型号为AD7810模数转换芯片及NI-USB-6366数据采集卡对调理过的信号进行高速采集。

6.如权利要求1所述的一种光纤F-P声发射传感器的信号解调***，其特征在于：所述的信号处理模块（7），采用高速FPGA芯片对信号进行处理。