CN105737753B - 一种光强度调制型信号解调***及信号解调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种光强度调制型信号解调***及信号解调方法，属于光强度调制技术领域。以高性能的函数信号发生器为光调制信号提供激励源，经过光纤耦合器进入传感光纤和参考臂光纤，反射光携带应变和温度信息经过耦合器到达光电探测器。信号经过放大、滤波处理后接入示波器以观察相位差别。该***结构设置简单，灵敏度高，精度高，反应迅速；该方法能够用于需要获取实时应变监测数据的各种场合。

Description

一种光强度调制型信号解调***及信号解调方法
技术领域
本发明属于光强度调制技术领域，涉及一种光强度调制型信号解调***及信号解调方法，具体涉及一种带温度补偿的聚合物光纤应变传感器的光强度调制型信号解调***及信号解调方法。
背景技术
随着现代工业、空间技术、军事等领域逐步向自动化和智能化发展，对传感器的灵敏度、精度、可靠性等的要求不断增加，光纤类传感器因其灵敏度高、较强的抗电磁干扰能力、良好的动态范围、体积小、耐腐蚀、响应速度快、网络化、分布式、多点、大区域、同步检测等优点，备受国内外专家和用户的青睐。塑料聚合物光纤作为感知信号的器件和玻璃光纤相比具有更多的优点：(a)聚合物光纤传感器柔韧、更小的杨氏模量、更大的热光系数和更大的热膨胀系数能够提供更高的灵敏度和更宽的响应范围；(b)塑料光纤收发模块使用650nm波长的红光作为电/光或光/电转换器件，直接输出电压信号使解调***成本大幅降低；(c)具有更好的抗弯曲特性、芯径大，数值孔径大，与光源和接收器的耦合效率高，端面处理简单、具有简易的连接方式和简单的连接器件等优点。
目前常用的光纤应变传感器有：布里渊散射分布式、光纤光栅型、模式干涉型、光强度调制型等，它们具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、动态范围大、响应速度快、可以进行网络化、分布式、多点、大区域、同步检测等优点，受到国内外众多研究者的重视。但前三类光纤传感器需要昂贵的制作设备、激光光源、光学耦合器件、光电转换器件等、且制作工艺相对复杂。且现有聚合物光纤应变传感器精度不高且受温度干扰不具备温度补偿功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光强度调制型信号解调***及信号解调方法，该***结构设置简单，灵敏度高，精度高，反应迅速；该方法能够用于需要获取实时应变监测数据的各种场合。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种光强度调制型信号解调***，包括函数信号发生器、信号解调仪、光纤耦合器、数据采集模块及示波器；
函数信号发生器、信号解调仪与光纤耦合器依次相连，函数信号发生器提供的激励源通过信号解调仪发出具有调制信号的光，再经过光纤耦合器将光分为两条支路，第一支路上依次设有第一光纤耦合器、第一光电探测器和用于提供光应变信息的传感光纤，第二支路上依次设有第二光纤耦合器、第二光电探测器和用于提供温度补偿信息的参考臂光纤；第一光电探测器和第二光电探测器分别与数据采集模块相连，数据采集模块与示波器相连。
函数信号发生器分别与数据采集模块及示波器相连。
所述用于提供光应变信息的传感光纤包括光纤内核和光纤外被，光纤内核由纤芯和外包层组成；在该传感光纤的任意一段上，纤芯的两端为圆柱状区段，中部为双锥形耦合区段。
所述用于提供温度补偿信息的参考臂光纤包括光纤内核和光纤外被，光纤内核由纤芯和外包层组成；在该参考臂光纤的任意一段上，纤芯的两端为圆柱状区段，中部为双锥形耦合区段，该双锥形耦合区段由双锥形结构区和包覆于双锥形结构区外的封装底板构成，双锥形结构区中间细两端粗且对称布置；双锥形结构区与封装底板相配合形成圆柱状结构，该圆柱状结构与纤芯两端的圆柱状区段半径相同；在该圆柱状结构通过胶粘剂层固定在结构基底上。
双锥形结构区中部锥区的最小半径为r0，纤芯的半径为r1，且r0为r1的0.2～0.9倍。
双锥形耦合区段的长度为10～100mm。
双锥形结构区与封装底板配合的空隙内还填充有胶粘剂层。
本发明还公开了基于上述的***进行信号解调的方法，包括以下步骤：
1)函数信号发生器发出光调制信号的激励源，输出正弦信号sin(2πft)以驱动LED光源输出正弦调制光；
2)经过光纤耦合器的光路分为两条支路，正弦调制光分别进入传感光纤和参考臂光纤，经反射后，传感光纤携带应变信息经过其支路上的第一光电探测器；参考臂光纤则携带温度信息经过其支路上的第二光电探测器；第一光电探测器输出的电信号为第二光电探测器输出的电信号为
3)再将步骤2)获得的电信号经过放大、滤波处理后接入示波器，观察φ1、φ2和初始零相位差别，获得光强度调制型信号解调响应结果。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的光强度调制型信号解调***，以高性能的函数信号发生器为光调制信号提供激励源，经过光纤耦合器进入传感光纤和参考臂光纤，进入传感光纤和参考臂光纤的反射光分别携带应变和温度信息经过光纤耦合器到达光电探测器。信号经过放大、滤波处理后接入示波器以观察相位差别。本发明的***引入光纤参考臂技术，可以达到对传感器温度同时响应的补偿，能够克服普通聚合物光纤应变传感器对应变与温度同时响应的缺点，因而本发明的信号解调***可以有效提高精度和灵敏度，反应迅速。
进一步地，本发明利用锥形区域的应力集中原理，将双锥形聚合物光纤应用于应变检测，光纤在锥形化以后在同样拉力的条件下，由于锥形区域的应力集中使得这个区域的应变变化较大，传感器输出应变灵敏度就相应会提高。
本发明公开的基于上述***的方法，反应迅速、精度高、灵敏度高，能够用于需要获取实时应变监测数据的各种场合。
附图说明
图1为本发明的光强度调制型信号解调***结构示意图；
图2为本发明的传感器聚合物光纤剖面截面示意图；
图3为本发明聚合物光纤应变传感器的结构示意图；
图4为本发明聚合物光纤应变传感器双锥形区域结构示意图。
其中，1为函数信号发生器；2位信号解调仪；3为光纤耦合器；4-1为第一光电探测器；4-2为第二光电探测器；5为数据采集模块；6为示波器；7-1为传感光纤；7-2为参考臂光纤；8为纤芯；9为光纤外被；10为外包层；11为封装底板；12为结构基底；13为胶粘剂层。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图1，本发明公开的光强度调制型信号解调***，包括函数信号发生器1、信号解调仪2、光纤耦合器3、数据采集模块5及示波器6。
函数信号发生器1、信号解调仪2与光纤耦合器3依次相连，函数信号发生器1提供的激励源通过信号解调仪2发出具有调制信号的光，再经过光纤耦合器3将光分为两条支路，第一支路上设有第一光纤耦合器3-1、第一光电探测器4-1和用于提供光应变信息的传感光纤7-1，第二支路上设有第二光纤耦合器3-2、第二光电探测器4-2和用于提供温度补偿信息的参考臂光纤7-2；第一光电探测器4-1和第二光电探测器4-2分别与数据采集模块5相连，数据采集模块5与示波器6相连。函数信号发生器1分别与数据采集模块5及示波器6相连。
所需实验器材如数据采集模块5、示波器6等均为高精度、高灵敏的电信号检测设备实验器材，确保在信号处理过程中对传感器输出微弱电信号不失真。
参见图2、图3、和图4，所述用于提供光应变信息的传感光纤包括光纤内核和光纤外被9，光纤内核由纤芯8和外包层10组成；在光纤应变传感器的任意一段上，纤芯8的两端为圆柱状区段，中部为双锥形耦合区段。
所述用于提供温度补偿信息的参考臂光纤包括光纤内核和光纤外被9，光纤内核由纤芯8和外包层10组成；在该参考臂光纤的任意一段上，纤芯8的两端为圆柱状区段，中部为双锥形耦合区段，该双锥形耦合区段由双锥形结构区和包覆于双锥形结构区外的封装底板11构成，双锥形结构区中间细两端粗且对称布置；双锥形结构区与封装底板11相配合形成圆柱状结构，该圆柱状结构与纤芯8两端的圆柱状区段半径相同；在该圆柱状结构底部还设有结构基底12。
传感光纤和参考臂光纤中的双锥形结构区的中央锥区最小半径r0为光纤纤芯半径r1的0.2～0.9倍，双锥形结构区的中央锥区半径r0越小，灵敏度越高。上述双锥形结构去的长度可以在10～100mm之间。
双锥形结构区被引入光纤后，会对光纤中传播的模式产生显著影响，不同模式之间会发生能量耦合和干涉效应以实现对多种物理量的感知。其结构紧凑、机械稳定性好、响应速度快。本发明利用锥形区域的应力集中原理，将双锥形聚合物光纤应用于应变检测，光纤在锥形化以后在同样拉力的条件下，由于锥形区域的应力集中使得这个区域的应变变化较大，传感器输出应变灵敏度就相应会提高。
基于上述公开的***，本发明进行信号解调的方法为：
以高性能的函数信号发生器1提供激励源，通过信号解调仪2发出具有调制信号的光，经过光纤耦合器3将光路一分为二分别进入传感光纤和参考臂光纤，反射光通过光纤耦合器3将光信号经过光电探测器转变为电信号存储在数据采集模块5，并显示在示波器6上。函数信号发生器1激励源信号也可以在示波器6上进行读取并存储于数据采集模块5。
函数信号发生器1为光调制信号提供激励源，假设其输出正弦信号sin(2πft)以驱动LED光源输出正弦调制光，经过光纤耦合器3的光路分为两条支路，正弦调制光分别进入传感光纤和参考臂光纤，经反射后，传感光纤携带应变信息经过其支路上的第一光电探测器4-1；参考臂光纤则携带温度信息经过其支路上的第二光电探测器4-2；第一光电探测器4-1输出的电信号为第二光电探测器4-2输出的电信号为再将获得的电信号经过放大、滤波处理后接入示波器6，观察和初始零相位差别，获得光强度调制型信号解调响应结果。
综上所述，由于现有技术中聚合物光纤应变传感器对应变与温度同时响应的问题依靠单个光纤传感器很难解决，本发明从光纤参考臂技术和光强度调制技术入手，首先研究光纤热光系数和热膨胀系数对参考臂光纤光波传输特性的影响，揭示其随外界温度变化的规律；其次，结合分析光纤热光系数、热膨胀系数、应力光学系数等参数对传感器消逝波特性的影响，明确其与应力、温度变化的关系；最后，为剔除温度干扰，在此基础上调整实验参数(调制光的波形及其频率、振幅等)，并对影响传感器应变与温度交叉敏感中的各个参数进行优化(入射光波长，传感器和参考臂光纤长度、传输光纤长度等)。为高稳定的传感器解调***电路设计及硬件实现中的相关参数的选择(如调制光的波形及其频率、振幅、入射光波长，传感器和参考臂光纤长度、传输光纤长度等)提供强有力的参照。
本发明将光纤参考臂技术和光强度调制技术，应用于聚合物光纤应变传感温度补偿实验方案中，采用高精度的函数信号发生器作为调制光信号激励源，保证多种波形及其频率、振幅精确触发；使用高精度的数据采集模块，确保信号在采集、放大、去噪等处理中能够最大程度的保持原有波形；使用高精度的示波器，保证微小信号能够探测捕捉。所以此实验搭建方案对调制光的相位检测具有很高的灵敏度，由此出发得到的优化参数(调制光的波形及其频率、振幅等)对高稳定的传感器解调***的电路设计及硬件实现提供有效参照。在对传感器和参考臂光纤进行理论模拟和实验的基础上，建立全面完整的光强度调制型聚合物光纤应变传感器温度补偿设计方案，以及对方案中相关参数进行优化设计的方法。

Claims (4)

1.一种光强度调制型信号解调***，其特征在于，包括函数信号发生器(1)、信号解调仪(2)、光纤耦合器(3)、数据采集模块(5)及示波器(6)；
函数信号发生器(1)、信号解调仪(2)与光纤耦合器(3)依次相连，函数信号发生器(1)提供的激励源通过信号解调仪(2)发出具有调制信号的光，再经过光纤耦合器(3)分为两条支路，第一支路上依次设有第一光纤耦合器(3-1)、第一光电探测器(4-1)及用于提供光应变信息的传感光纤(7-1)，第二支路上依次设有第二光纤耦合器(3-2)、第二光电探测器(4-2)及用于提供温度补偿信息的参考臂光纤(7-2)；第一光电探测器(4-1)和第二光电探测器(4-2)分别与数据采集模块(5)相连，数据采集模块(5)与示波器(6)相连；函数信号发生器(1)分别与数据采集模块(5)及示波器(6)相连；所述用于提供光应变信息的传感光纤包括光纤内核和光纤外被(9)，光纤内核由纤芯(8)和外包层(10)组成；在该传感光纤的任意一段上，纤芯(8)的两端为圆柱状区段，中部为双锥形耦合区段；双锥形结构区中部锥区的最小半径为r0，纤芯(8)的半径为r1，且r0为r1的0.2～0.9倍。
2.根据权利要求1所述的光强度调制型信号解调***，其特征在于，双锥形耦合区段的长度为10～100mm。
3.根据权利要求1所述的光强度调制型信号解调***，其特征在于，双锥形结构区与封装底板(11)配合的空隙内还填充有胶粘剂层(13)。
4.基于权利要求1～3中任意一项所述的***进行信号解调的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)函数信号发生器(1)发出光调制信号的激励源，输出正弦信号sin(2πft)以驱动LED光源输出正弦调制光；
2)经过光纤耦合器(3)的光路分为两条支路，正弦调制光分别进入传感光纤(7-1)和参考臂光纤(7-2)，经反射后，传感光纤携带应变信息经过其支路上的第一光电探测器(4-1)；参考臂光纤则携带温度信息经过其支路上的第二光电探测器(4-2)；第一光电探测器(4-1)输出的电信号为第二光电探测器(4-2)输出的电信号为
3)再将步骤2)获得的电信号经过放大、滤波处理后接入示波器(6)，观察和初始零相位差别，获得光强度调制型信号解调响应结果。
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