專利名稱：虛擬干涉型光纖傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器，尤其涉及一種虛擬干涉型光纖傳感器。
技術(shù)背景干涉型光纖傳感器是一種利用光的干涉來實(shí)現(xiàn)某種物理量測量功能的傳感器。干涉型光纖傳感器通常包括了Michelson干涉型光纖傳感器，Mach-Zehnder 干涉型光纖傳感器，F(xiàn)abry-Perot干涉型光纖傳感器，Sagnac干涉型光纖傳感器 等多種不同結(jié)構(gòu)，干涉型光纖傳感器在聲學(xué)壓力，弱磁場，加速度，微震動， 角速度，溫度各種物理量的測量方面得到了廣泛的應(yīng)用。 一個(gè)典型的Sagnac干 涉型光纖傳感器結(jié)構(gòu)如圖l所示，它主要包括了激光器、第一耦合器、起偏器、 第二耦合器、相位調(diào)制器、光纖環(huán)、光電檢測器、保偏光纖。相較于傳統(tǒng)的干涉型傳感器，干涉型光纖傳感器因采用了光纖技術(shù)而具有 更高的測量精度和靈巧的結(jié)構(gòu)，也正因如此，對干涉型光纖傳感器輸出信號的 檢測與解調(diào)也提出了較高的要求。但在解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測試過程中，直接采 用干涉型光纖傳感器作為輸出信號源會產(chǎn)生一定的困難。首先，正如圖l所示， 光路部分的構(gòu)建比較繁瑣，并且用于高精度測量的隔振水平臺成本較高。其次， 以雙光束干涉型光纖傳感器為例，由于輸出與相位呈周期性關(guān)系，因此確定所 檢測的相位位于第幾象限極為重要，在實(shí)際操作中，時(shí)常出現(xiàn)特殊相位點(diǎn)相互 混淆的情形。而為了檢測解調(diào)算法在這些點(diǎn)時(shí)是否會出錯(cuò)，我們需要干涉型光 纖傳感器能夠非常精確地調(diào)整輸出，使輸出信號的相位值達(dá)到這些特殊相位點(diǎn)， 而這在操作過程中是非常困難的?；谝陨显颍O(shè)計(jì)出一種虛擬的干涉型光纖傳感器具有很重要的意義， 該型虛擬干涉型光纖傳感器不僅具有比較簡單的結(jié)構(gòu)和較短的制作周期，更可 以模擬各種光纖干涉儀系統(tǒng)的前端輸出，對后端的解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行方便的測試與 特殊相位點(diǎn)檢測，達(dá)到很好的效果。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低廉且檢測精度高的虛擬干涉型光 纖傳感器。虛擬干涉型光纖傳感器中的單片機(jī)與正弦載波產(chǎn)生模塊、通用函數(shù)信號生 成模塊相連接，單片機(jī)與虛擬待測物理量生成模塊、通用函數(shù)信號生成模塊相 連接。所述的通用函數(shù)信號生成模塊的內(nèi)部模塊連接關(guān)系為第一信號調(diào)整模塊 與第一正弦信號生成模塊、模擬除法器、第一乘法器、加法器、第二乘法器相 連接；第二信號調(diào)整模塊與第二正弦信號生成模塊、模擬除法器相連接；第一 基準(zhǔn)電壓模塊，第二基準(zhǔn)電壓模塊與第一減法器、比例系數(shù)生成模塊，第一乘 法器相連接；第三基準(zhǔn)電壓模塊，第四基準(zhǔn)電壓模塊與第二減法器、偏置常數(shù) 設(shè)置模塊、加法器相連接；增益控制模塊與第二乘法器相連接；電壓/角度轉(zhuǎn)換 設(shè)置模塊與第一正弦信號生成模塊，第二正弦信號生成模塊相連接。所述的正弦載波產(chǎn)生模塊的內(nèi)部模塊連接關(guān)系為單片機(jī)與第一寄存器、 相位累加器、第二寄存器、相位調(diào)制器、正弦波形查找表、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊相連 接；單片機(jī)與第三寄存器、相位調(diào)制器相連接。所述的虛擬待測物理量生成模塊的內(nèi)部模塊連接關(guān)系為單片機(jī)與解碼器， 驅(qū)動器模塊、鎖存器模塊、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)模塊、流壓轉(zhuǎn)換模塊相連接，基準(zhǔn)電壓生 成模塊與開關(guān)網(wǎng)絡(luò)相連接。本發(fā)明通過簡單的電路設(shè)計(jì)構(gòu)建出各種類型，結(jié)構(gòu)的干涉型光纖傳感器， 并提供高精度，高穩(wěn)定性的虛擬干涉型光纖傳感器輸出電學(xué)信號，方便對各種 解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行測試與改進(jìn)?？煞奖愕木_改變虛擬待測物理量，達(dá)到檢測中的 特殊相位點(diǎn)，檢測解調(diào)系統(tǒng)在這些特殊相位點(diǎn)是否會出現(xiàn)錯(cuò)誤解調(diào)。這些特殊 相位點(diǎn)在使用真實(shí)的干涉型光纖傳感器時(shí)是很難精確達(dá)到的。本發(fā)明與計(jì)算機(jī)產(chǎn)生模擬信號的技術(shù)相比，具有不弓I入高頻數(shù)字量化噪聲， 結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。它較低的成本，較短的制作周期，使其在實(shí)際工程應(yīng)用中可達(dá)到很好的效果。


圖1是典型的Sagnac干涉型光纖傳感器結(jié)構(gòu)圖；圖2是虛擬干涉型光纖傳感器結(jié)構(gòu)圖；圖3是正弦載波產(chǎn)生模塊原理圖；圖4是虛擬待測物理量生成模塊原理圖；圖5是通用函數(shù)信號生成模塊原理圖； 圖6是虛擬Sagnac干涉型光纖傳感器輸出信號波形圖； 圖7是真實(shí)Sagnac干涉型光纖傳感器輸出信號波形圖； 圖8是解調(diào)輸出的Sagnac相移與輸入虛擬相移電壓基準(zhǔn)信號關(guān)系曲線圖。
具體實(shí)施方式
如圖2所示，虛擬干涉型光纖傳感器中的單片機(jī)與正弦載波產(chǎn)生模塊、通用函數(shù)信號生成模塊相連接，單片機(jī)與虛擬待測物理量生成模塊、通用函數(shù)信 號生成模塊相連接。其中正弦載波產(chǎn)生模塊用來產(chǎn)生穩(wěn)定性高，可精確控制頻 率與相位的正弦波，它與通用函數(shù)信號生成模塊的載波信號輸入端口相連，為 通用函數(shù)信號生成模塊提供高精度，高穩(wěn)定性的正弦載波；虛擬待測物理量生 成模塊可生成高精度的虛擬待測物理量電壓參考信號，與通用函數(shù)信號生成模 塊的虛擬待測物理量輸入端口相連，為通用函數(shù)信號生成模塊提供虛擬的待測 物理量，并可精確的改變其輸入值。通用函數(shù)信號生成模塊可以依據(jù)使用需要 改變其設(shè)置并根據(jù)其工作原理模擬生成各種干涉式光纖傳感器的電學(xué)輸出信 號。如圖3所示，正弦載波產(chǎn)生模塊的內(nèi)部模塊連接關(guān)系為單片機(jī)與第一寄 存器、相位累加器、第二寄存器、相位調(diào)制器、正弦波形査找表、數(shù)模轉(zhuǎn)換模 塊相連接；單片機(jī)與第三寄存器、相位調(diào)制器相連接。正弦載波產(chǎn)生模塊利用 單片機(jī)來設(shè)置正弦載波的頻率，相位，采用高速査表法生成了頻率，相位可調(diào) 的正弦載波信號。其具體實(shí)施方法為由圖3中的單片機(jī)輸出頻率控制字，相 位控制字與系統(tǒng)時(shí)鐘，系統(tǒng)時(shí)鐘為第一寄存器，第二寄存器，第三寄存器提供 統(tǒng)一的時(shí)鐘信號；頻率控制字輸入至第一寄存器，在相位累加器處與相位累加 器輸出的反饋信號進(jìn)行累加，累加結(jié)果進(jìn)入第二寄存器；相位控制字進(jìn)入第三 寄存器，與第二寄存器中的頻率控制字累加結(jié)果在相位調(diào)制器處相加，其結(jié)果 進(jìn)入正弦波形查找表后輸出數(shù)字量正弦波，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出頻率，相位可 調(diào)的高精度正弦載波信號。如圖4所示，虛擬待測物理量生成模塊的內(nèi)部模塊連接關(guān)系為單片機(jī)與 解碼器，驅(qū)動器模塊、鎖存器模塊、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)模塊、流壓轉(zhuǎn)換模塊相連接；基 準(zhǔn)電壓生成模塊與開關(guān)網(wǎng)絡(luò)相連接。利用該模塊可產(chǎn)生高精度的可調(diào)的虛擬待 測物理量電壓基準(zhǔn)信號。其具體實(shí)施方式
為由圖4中基準(zhǔn)電壓生成模塊生成 高精度的穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓信號，作為開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中基準(zhǔn)電壓；解碼器，驅(qū)動器模塊 由并行數(shù)字接口接入來自單片機(jī)提供的數(shù)字量，經(jīng)鎖存器，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)后產(chǎn)生穩(wěn) 定的模擬電流基準(zhǔn)信號。該信號經(jīng)流壓轉(zhuǎn)化模塊后輸出穩(wěn)定的虛擬待測物理量 電壓基準(zhǔn)信號。如圖5所示，通用函數(shù)信號生成模塊的內(nèi)部模塊連接關(guān)系為第一信號調(diào) 整模塊與第一正弦信號生成模塊、模擬除法器、第一乘法器、加法器、第二乘 法器相連接；第二信號調(diào)整模塊與第二正弦信號生成模塊、模擬除法器相連接; 第一基準(zhǔn)電壓模塊，第二基準(zhǔn)電壓模塊與第一減法器、比例系數(shù)生成模塊，第一乘法器相連接；第三基準(zhǔn)電壓模塊，第四基準(zhǔn)電壓模塊與第二減法器、偏置 常數(shù)設(shè)置模塊、加法器相連接；增益控制模塊與第二乘法器相連接；電壓/角度 轉(zhuǎn)換設(shè)置模塊與第一正弦信號生成模塊，第二正弦信號生成模塊相連接。利用 第一信號調(diào)整模塊將正弦載波與虛擬待測物理量電壓基準(zhǔn)信號接入第一正弦信 號生成模塊；利用第二信號調(diào)整模塊為第二正弦信號生成模塊提供輸入信號； 由比例系數(shù)生成模塊提供比例系數(shù)，偏置常數(shù)設(shè)置模塊提供適當(dāng)?shù)闹绷髌茫?增益控制模塊為整個(gè)輸出信號提供相應(yīng)參數(shù)，從而得到了虛擬干涉型光纖傳感 器的輸出信號。通用函數(shù)信號生成模塊的通用運(yùn)算功能函數(shù)為(1)sin(Z>2- 6。其中，sin"- q)為第一正弦信號生成模塊的輸出；sin(62- ^為第二正弦信號生成模塊的輸出；sin("2- ^)為模擬除法器的輸出;c2- q為比例系數(shù)生成模塊的輸 sm(&2- 6)出；c/2-《為偏置常數(shù)設(shè)置模塊的輸出；A為增益控制模塊的輸出；^為通用函 數(shù)信號生成模塊最終的輸出。下面例舉虛擬Sagnac干涉型光纖傳感器的具體實(shí)施方式
。Sagnac干涉型光 纖傳感器具有的輸出信號形式為Sg =會/2 V (1 + cos。/ sin w,+人)} ( 2 )其中，/。為光的強(qiáng)度；a為系統(tǒng)的損耗系數(shù)；h為光電轉(zhuǎn)換效率；□/為調(diào)制深度; /,既為待檢測的Sagnac相移。將由正弦載波產(chǎn)生模塊生成的正弦載波信號加上由虛擬待測物理量生成模塊生成的虛擬相移電壓基準(zhǔn)信號^后送入通用函數(shù)信號生成模塊，該模塊即可 以生成如公式(1)所示的函數(shù)信號。其具體實(shí)施方法為首先設(shè)置電壓/角度的轉(zhuǎn)換比例，目前設(shè)置為50。/F。將由正弦載波產(chǎn)生模 塊生成的正弦載波0/sinv^與由虛擬待測物理量生成模塊生成的虛擬相移電壓基準(zhǔn)八經(jīng)第一信號調(diào)整模塊調(diào)整后作為A的輸入信號，其形式為"/,+口/si諸 (3) 將"2的輸入設(shè)置為1. 8V，對應(yīng)角度為9(T，則"2 = 90'，正弦信號生成模塊1輸出的 信號為<formula>formula see original document page 7</formula>(4)<formula>formula see original document page 7</formula>
將62的輸入設(shè)置為1.8V,對應(yīng)角度為9(T，將6,的輸入設(shè)置為0V，則正弦信號生成 模塊2輸出的信號為S2 = sin(>2 - W = sin(9(T - 0。) = 1 (5)將以上兩個(gè)函數(shù)信號接入模擬除法器模塊，則除法器輸出形式為S — sin(a2- q)— cos(/"5+C]/ sinw/) & 。"' — sin(V sin(90。- 0)~ (6)由比例系數(shù)生成模塊為其設(shè)置比例系數(shù)。-c1;由偏置常數(shù)設(shè)置模塊為函數(shù)信號提供直流電壓偏置《-《；最后就得到了形如公式(2 )所示的虛擬Sagnac干涉型 光纖傳感器的輸出信號H(c2- c》s，，)-《)]^K)+(C2-d)sin(9。:H。，諸)] (7)sm(90 - 0 )=4(《-《)+ (c2- q)cos(/^ + 口/sinvvf)]產(chǎn)生的輸出信號波形如圖6所示，圖7是真實(shí)的Sagnac干涉型光纖傳感器 經(jīng)PIN管光電轉(zhuǎn)換后的信號波形，說明該虛擬Sagnac干涉型光纖傳感器能完美 的模擬真實(shí)的Sagnac干涉型光纖傳感器的電學(xué)輸出信號。其輸入輸出線性度測 試結(jié)果如圖8所示，說明解調(diào)輸出的Sagnac相移與輸入的虛擬相移電壓基準(zhǔn)信 號成嚴(yán)格的線性關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)良好的線性控制性能。
權(quán)利要求
1.一種虛擬干涉型光纖傳感器，其特征在于單片機(jī)與正弦載波產(chǎn)生模塊、通用函數(shù)信號生成模塊相連接，單片機(jī)與虛擬待測物理量生成模塊、通用函數(shù)信號生成模塊相連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種虛擬干涉型光纖傳感器，其特征在于所述的 通用函數(shù)信號生成模塊的內(nèi)部模塊連接關(guān)系為第一信號調(diào)整模塊與第一正弦 信號生成模塊、模擬除法器、第一乘法器、加法器、第二乘法器相連接；第二 信號調(diào)整模塊與第二正弦信號生成模塊、模擬除法器相連接；第一基準(zhǔn)電壓模 塊，第二基準(zhǔn)電壓模塊與第一減法器、比例系數(shù)生成模塊，第一乘法器相連接; 第三基準(zhǔn)電壓模塊，第四基準(zhǔn)電壓模塊與第二減法器、偏置常數(shù)設(shè)置模塊、加 法器相連接；增益控制模塊與第二乘法器相連接；電壓/角度轉(zhuǎn)換設(shè)置模塊與第 一正弦信號生成模塊，第二正弦信號生成模塊相連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種虛擬干涉型光纖傳感器，其特征在于所述的 正弦載波產(chǎn)生模塊的內(nèi)部模塊連接關(guān)系為單片機(jī)與第一寄存器、相位累加器、 第二寄存器、相位調(diào)制器、正弦波形査找表、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊相連接；單片機(jī)與 第三寄存器、相位調(diào)制器相連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種虛擬干涉型光纖傳感器，其特征在于所述的 虛擬待測物理量生成模塊的內(nèi)部模塊連接關(guān)系為單片機(jī)與解碼器，驅(qū)動器模 塊、鎖存器模塊、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)模塊、流壓轉(zhuǎn)換模塊相連接，基準(zhǔn)電壓生成模塊與 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)相連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種虛擬干涉型光纖傳感器。單片機(jī)與正弦載波產(chǎn)生模塊、通用函數(shù)信號生成模塊相連接；單片機(jī)與虛擬待測物理量生成模塊、通用函數(shù)信號生成模塊相連接。本發(fā)明通過簡單的電路設(shè)計(jì)模擬各種類型的干涉型光纖傳感器，并提供高精度，高穩(wěn)定性的虛擬干涉型光纖傳感器輸出電學(xué)信號，方便對各種解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行測試與改進(jìn)?？删_改變虛擬待測物理量，從而達(dá)到各特殊相位點(diǎn)，并檢測解調(diào)系統(tǒng)在這些特殊相位點(diǎn)是否會出現(xiàn)解調(diào)錯(cuò)誤。這些特殊相位點(diǎn)在使用真實(shí)的干涉型光纖傳感器時(shí)是很難精確達(dá)到的。本發(fā)明與計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)相比，具有不引入高頻數(shù)字量化噪聲，結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。它較低的成本，較短的制作周期，使其在工程應(yīng)用中具有很好的效果。
文檔編號G01D5/26GK101271005SQ20081006114
公開日2008年9月24日 申請日期2008年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月11日
發(fā)明者周柯江, 孫國鑫 申請人:浙江大學(xué)