CN103759804A

CN103759804A - 光纤白光微分干涉非接触测振的方法及装置

Info

Publication number: CN103759804A
Application number: CN201410031369.9A
Authority: CN
Inventors: 甄胜来; 俞本立; 刘宇; 曹志刚; 孙静静; 陈剑; 李辉; 贾秋敏
Original assignee: Anhui University
Current assignee: Anhui University
Priority date: 2014-01-23
Filing date: 2014-01-23
Publication date: 2014-04-30

Abstract

本发明涉及一种光纤白光微分干涉非接触测振的方法及装置。本发明装置包括ASE光源、光纤环形器、第一光纤耦合器、延迟光纤、第二光纤耦合器、光纤准直器及光电探测器；第一光纤耦合器的一端分别与三个光电探测器相连，其中一个光电探测器与第一光纤耦合器相连的光路上连接有光纤环形器，光纤环形器与ASE光源相连；第一光纤耦合器的另一端通过两条光路与第二光纤耦合器的一端相连，其中一条光路上连接有延迟光纤；第二光纤耦合器的另一端与光纤准直器相连。本发明采用低相干光源和单模光纤器件，结构简单成本低，光路的结构本身对噪声、温度、应力等低频扰动不敏感，测量的动态范围大。

Description

光纤白光微分干涉非接触测振的方法及装置

技术领域

本发明涉及测振***，具体地说是一种光纤白光微分干涉非接触测振的方法及装置，属于白光干涉测量领域。

背景技术

白光干涉原理早在1975年被提出，1983年，白光干涉原理首次在光纤传感技术中得到应用。在1985年到1989年期间，白光干涉原理被广泛用于压力、温度和应变测量的研究中。自1990年以后，光纤白光测量技术持续发展，并逐渐形成为一个研究方向，它所具有的优点被众多的研究者所揭示并认可。现在白光干涉技术已经得到广泛的应用，可以测量的物理量也明显增多，例如：位移、压力、振动、应力、应变、湿度、温度等物理参量以及生化参量的绝对测量。

白光干涉测量方法有时也称为低相干测量方法，在这种干涉测量方法中使用的是低相干、宽带光源，例如： ASE（放大自发辐射）光源和LED（发光二极管）光源，所以我们把这种干涉测量方法通常称为“白光”干涉测量方法。可以对物理量进行绝对测量，测量范围宽。与相干光源相比，白光干涉相干长度短，常为微米量级。

白光干涉测量技术具有的优点：1、白光干涉测量技术提供了位移，温度，压力等多种绝对物理量的测量方法；2、由于采用的是低相干光源，所以***抗干扰能力很强，并且***的分辨率与光源波长的稳定性、光源功率的波动、光纤的扰动等因素均无关；3、低相干光源价格便宜，所以降低了***的成本，而且白光干涉***结构简单；4、光纤白光干涉仪可以实现多路复用。

在进行振动测量时，为测量出振幅和频率等振动信息，需要对光电转换输出进行信号解调。在一些调制和解调中，像经典外差解调法，伪外差解调法、合成外差法和PGC（相位生成载波）解调技术，需要外加一个调制元件，测量***的动态范围受调制频率的限制。基于耦合器解调法不需要外加调制，方法简单稳定，且光纤白光微分干涉测量受环境噪声影响小。利用基于耦合器低相干光纤微分干涉仪和三路探测的无源解调算法进行非接触振动测量，相关的专利和文献未见报道。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种光纤白光微分干涉非接触测振的方法及装置，该方法及装置简单稳定，受环境噪声影响小。

本发明提供的一种光纤白光微分干涉非接触测振的装置，包括ASE光源、光纤环形器、第一光纤耦合器、延迟光纤、第二光纤耦合器、光纤准直器及光电探测器；所述第一光纤耦合器的一端分别与三个所述光电探测器相连，其中一个所述光电探测器与所述第一光纤耦合器相连的光路上连接有所述光纤环形器，所述光纤环形器与所述ASE光源相连；所述第一光纤耦合器的另一端通过两条光路与所述第二光纤耦合器的一端相连，其中一条光路上连接有所述延迟光纤；所述第二光纤耦合器的另一端与所述光纤准直器相连。

其中：所述ASE光源为宽带光源。

所述第一光纤耦合器为3x3光纤耦合器，所述第二光纤耦合器为2x2光纤耦合器。

所述第二光纤耦合器的分光比为50:50。

本发明提供的一种光纤白光微分干涉非接触测振的方法，包括以下步骤：

(a)将振动目标设置在所述光纤准直器的出射端；

(b) 所述ASE光源发出的光经所述第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器到所述振动目标反射回所述第一光纤耦合器中，然后分为三路光分别进入三个所述光电探测器；三个所述光电探测器的输出电信号包含了所述振动目标的振动信息；

(c) 三个所述光电探测器的输出电信号通过数据采集卡实现A/D转换，使用三路探测解调算法在软件上进行消直流、求导、交叉相乘、积分、高通滤波后，与干涉信号平方和相除，再积分获得待测振动信号。

其中：所述数据采集卡采用NI公司的PCI-6251数据采集卡。

所述软件采用labview软件。

本发明的技术效果在于：本发明采用低相干光源和单模光纤器件，结构简单成本低，光路的结构本身对噪声、温度、应力等低频扰动不敏感，使用三路探测的无源解调方法即可测量出振动信息，测量的动态范围大，实现了光纤白光干涉的远距离非接触测量。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明的解调流程图。

图3A和图3B分别是振动目标为压电陶瓷（PZT），驱动信号为f=2KHz，V=0.1V时，本发明的解调结果的波形图和频谱图。

图4A和图4B分别是振动目标为压电陶瓷（PZT），驱动信号为f=4KHz，V=3V时，本发明的解调结果的波形图和频谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

图1中，包括ASE光源1、光纤环形器2、第一光纤耦合器3、延迟光纤4、第二光纤耦合器5、光电探测器6、光纤准直器7、振动目标8等。

如图1所示，是本发明提供的一种光纤白光微分干涉非接触测振的装置，其光学结构为马赫曾德和赛格纳克混合型微分干涉仪。本发明包括ASE光源1、光纤环形器2、第一光纤耦合器3、延迟光纤4、第二光纤耦合器5、光纤准直器7及光电探测器6；第一光纤耦合器3的一端分别与三个光电探测器6相连，其中一个光电探测器6与第一光纤耦合器3相连的光路上连接有光纤环形器2，光纤环形器2与ASE光源1相连；第一光纤耦合器3的另一端通过两条光路与第二光纤耦合器5的一端相连，其中一条光路上连接有延迟光纤4；第二光纤耦合器5的另一端与光纤准直器7相连。

其中：ASE光源1为宽带光源。第一光纤耦合器3为3x3光纤耦合器，第二光纤耦合器5为2x2光纤耦合器。第二光纤耦合器5的分光比为50:50。

(a)将振动目标8设置在光纤准直器7的出射端；

(b) ASE光源1发出的光经第一光纤耦合器3和第二光纤耦合器5到振动目标8反射回第一光纤耦合器3中，然后分为三路光分别进入三个光电探测器6；三个光电探测器6的输出电信号包含了振动目标8的振动信息；

(c) 三个光电探测器6的输出电信号通过数据采集卡实现A/D转换，使用三路探测解调算法在软件上进行消直流、求导、交叉相乘、积分、高通滤波后，与干涉信号平方和相除，再积分获得待测振动信号。

其中：数据采集卡采用NI公司的PCI-6251数据采集卡；软件采用labview软件。

本发明的工作原理是：ASE光源1发出的光经过光纤环形器2进入第一光纤耦合器3分成三束光，其中两条光路与第二光纤耦合器5相连，延迟光纤4连接在其中一条光路上。第二光纤耦合器5的一端输出光接光纤准直器7做为传感探头。从光纤准直器7出射的光照射在振动目标8表面后，再利用光纤准直器7接收振动目标8的散射光，回传至第二光纤耦合器5。返回光最后通过第一光纤耦合器3分为三路光分别进入三个光电探测器6。光从ASE光源1出射，经过振动目标8表面，散射接收后传至光电探测器6，通过的路径共有四条：（a）D®L1®D；（b）D®L1®F；（c）F®L1®D；（d）F®L1®F。四路光在光纤耦合器中a和d两路光程太大不满足干涉条件，不能发生干涉，只有b、c两束光通过相同的光程只是通过振源的先后顺序不同，这两路光满足干涉条件，能够发生干涉，利用延时光纤4带来的时间差，干涉信号被三个光电探测器6接收后，光电探测器6输出电信号包含了振动目标8的振动信息，使用三路探测解调算法进行信号的解调。

本发明的解调原理：三路光电探测器6输出电信号通过NI的PCI-6521数据采集卡实现A/D转换，输入PC机中。通过labview软件做运算，获得解调结果以及振动目标8的振动信息。

入射三个光电探测器6的光生电流分别为：

（1）

上式中，是光源光强的，

为调制信号的角频率。为简化表达式，定义D=4E₀ ²,E=2E₀ ²,

Figure 2014100313699100002DEST_PATH_IMAGE010

，通过光电二级管和前置放大器后上式可简化为：

Figure 2014100313699100002DEST_PATH_IMAGE012

（2）

V₁，V₂，V₃为输出的电压值，即是待解调信号。

解调的算法如图2所示，包括以下步骤：

1、计算三路信号的直流量D的平均值：

Figure 2014100313699100002DEST_PATH_IMAGE016

2、三路信号消去直流项D后得：

Figure 2014100313699100002DEST_PATH_IMAGE018

3、为得到两路正交的信号，

Figure 2014100313699100002DEST_PATH_IMAGE020

和

Figure 2014100313699100002DEST_PATH_IMAGE022

求导后交叉相乘相减再积分：

这两路正交信号通过微分交叉相乘再积分，解调出被测信号。

其中

4、为了计算出系数E²，求a、b、c三项平方求和

5、除消去E²后得到解调信号的速度量。再积分一次得到解调信号的位移量：

因

和

都非常小，可以近似计算为

和

上式可简化为：

。

为被测信号，

即为信号的振动幅值。

下面通过实验验证光纤白光微分干涉非接触测振的可行性：

（1）利用函数发生器驱动压电陶瓷（PZT）产生振动信号，加载信号频率f=2KHz，驱动电压V=0.1V时通过Labview算法程序观察信号解调的结果，图3A是解调信号的波形图，图3B是对应的频谱图，由此可看出信噪比SNR=55dB，振幅为0.033rad。

（2）利用函数发生器驱动压电陶瓷（PZT）产生振动信号，加载信号频率f=4KHz，驱动电压V=3V时通过Labview算法程序观察信号解调的结果，图4A是解调信号的波形图，图4B是对应的频谱图，由此可看出信噪比（SNR）为70dB，边模抑制比(SMSR)为45dB，振幅为1.3rad。

以上的实验图都得到了稳定的解调结果，测出了振动的绝对振幅，验证了光纤白光微分干涉非接触测振的方法及装置的有效性。

Claims

1.一种光纤白光微分干涉非接触测振的装置，其特征是：包括ASE光源（1）、光纤环形器（2）、第一光纤耦合器（3）、延迟光纤（4）、第二光纤耦合器（5）、光纤准直器（7）及光电探测器（6）；所述第一光纤耦合器（3）的一端分别与三个所述光电探测器（6）相连，其中一个所述光电探测器（6）与所述第一光纤耦合器（3）相连的光路上连接有所述光纤环形器（2），所述光纤环形器（2）与所述ASE光源（1）相连；所述第一光纤耦合器（3）的另一端通过两条光路与所述第二光纤耦合器（5）的一端相连，其中一条光路上连接有所述延迟光纤（4）；所述第二光纤耦合器（5）的另一端与所述光纤准直器（7）相连。

2.按照权利要求1所述的光纤白光微分干涉非接触测振的装置，其特征是：所述ASE光源（1）为宽带光源。

3.按照权利要求1所述的光纤白光微分干涉非接触测振的装置，其特征是：所述第一光纤耦合器（3）为3x3光纤耦合器，所述第二光纤耦合器（5）为2x2光纤耦合器。

4.按照权利要求1所述的光纤白光微分干涉非接触测振的装置，其特征是：所述第二光纤耦合器（5）的分光比为50:50。

5.一种使用权利要求1至4中任一项所述装置进行光纤白光微分干涉非接触测振的方法，其特征是，包括以下步骤：

(a)将振动目标（8）设置在所述光纤准直器（7）的出射端；

(b) 所述ASE光源（1）发出的光经所述第一光纤耦合器（3）和所述第二光纤耦合器（5）到所述振动目标（8）反射回所述第一光纤耦合器（3）中，然后分为三路光分别进入三个所述光电探测器（6）；三个所述光电探测器（6）的输出电信号包含了所述振动目标（8）的振动信息；

(c) 三个所述光电探测器（6）的输出电信号通过数据采集卡实现A/D转换，使用三路探测解调算法在软件上进行消直流、求导、交叉相乘、积分、高通滤波后，与干涉信号平方和相除，再积分获得待测振动信号。

6.按照权利要求5所述的光纤白光微分干涉非接触测振的方法，其特征是：所述数据采集卡采用NI公司的PCI-6251数据采集卡。

7.按照权利要求5所述的光纤白光微分干涉非接触测振的方法，其特征是：所述软件采用labview软件。