光纖白光微分干涉非接觸測振的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種光纖白光微分干涉非接觸測振的方法及裝置。本發(fā)明裝置包括ASE光源、光纖環(huán)形器、第一光纖耦合器、延遲光纖、第二光纖耦合器、光纖準(zhǔn)直器及光電探測器；第一光纖耦合器的一端分別與三個(gè)光電探測器相連，其中一個(gè)光電探測器與第一光纖耦合器相連的光路上連接有光纖環(huán)形器，光纖環(huán)形器與ASE光源相連；第一光纖耦合器的另一端通過兩條光路與第二光纖耦合器的一端相連，其中一條光路上連接有延遲光纖；第二光纖耦合器的另一端與光纖準(zhǔn)直器相連。本發(fā)明采用低相干光源和單模光纖器件，結(jié)構(gòu)簡單成本低，光路的結(jié)構(gòu)本身對噪聲、溫度、應(yīng)力等低頻擾動(dòng)不敏感，測量的動(dòng)態(tài)范圍大。
【專利說明】光纖白光微分干涉非接觸測振的方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及測振系統(tǒng)，具體地說是一種光纖白光微分干涉非接觸測振的方法及裝置，屬于白光干涉測量領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]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纖傳感技術(shù)中得到應(yīng)用。在1985年到1989年期間，白光干涉原理被廣泛用于壓力、溫度和應(yīng)變測量的研究中。自1990年以后，光纖白光測量技術(shù)持續(xù)發(fā)展，并逐漸形成為一個(gè)研究方向，它所具有的優(yōu)點(diǎn)被眾多的研究者所揭示并認(rèn)可?，F(xiàn)在白光干涉技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，可以測量的物理量也明顯增多，例如:位移、壓力、振動(dòng)、應(yīng)力、應(yīng)變、濕度、溫度等物理參量以及生化參量的絕對測量。
[0003]白光干涉測量方法有時(shí)也稱為低相干測量方法，在這種干涉測量方法中使用的是低相干、寬帶光源，例如:ASE (放大自發(fā)輻射)光源和LED (發(fā)光二極管)光源，所以我們把這種干涉測量方法通常稱為“白光”干涉測量方法。可以對物理量進(jìn)行絕對測量，測量范圍寬。與相干光源相比，白光干涉相干長度短，常為微米量級。
[0004]白光干涉測量技術(shù)具有的優(yōu)點(diǎn):1、白光干涉測量技術(shù)提供了位移，溫度，壓力等多種絕對物理量的測量方法；2、由于采用的是低相干光源，所以系統(tǒng)抗干擾能力很強(qiáng)，并且系統(tǒng)的分辨率與光源波長的穩(wěn)定性、光源功率的波動(dòng)、光纖的擾動(dòng)等因素均無關(guān)；3、低相干光源價(jià)格便宜，所以降低了系統(tǒng)的成本，而且白光干涉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單；4、光纖白光干涉儀可以實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用。
[0005]在進(jìn)行振動(dòng)測量時(shí)，為測量出振幅和頻率等振動(dòng)信息，需要對光電轉(zhuǎn)換輸出進(jìn)行信號解調(diào)。在一些調(diào)制和解調(diào)中，像經(jīng)典外差解調(diào)法，偽外差解調(diào)法、合成外差法和PGC(相位生成載波)解調(diào)技術(shù)，需要外加一個(gè)調(diào)制元件，測量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍受調(diào)制頻率的限制?；隈詈掀鹘庹{(diào)法不需要外加調(diào)制，方法簡單穩(wěn)定，且光纖白光微分干涉測量受環(huán)境噪聲影響小。利用基于耦合器低相干光纖微分干涉儀和三路探測的無源解調(diào)算法進(jìn)行非接觸振動(dòng)測量，相關(guān)的專利和文獻(xiàn)未見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對上述問題，提供一種光纖白光微分干涉非接觸測振的方法及裝置，該方法及裝置簡單穩(wěn)定，受環(huán)境噪聲影響小。
[0007]本發(fā)明提供的一種光纖白光微分干涉非接觸測振的裝置，包括ASE光源、光纖環(huán)形器、第一光纖耦合器、延遲光纖、第二光纖耦合器、光纖準(zhǔn)直器及光電探測器；所述第一光纖耦合器的一端分別與三個(gè)所述光電探測器相連，其中一個(gè)所述光電探測器與所述第一光纖耦合器相連的光路上連接有所述光纖環(huán)形器，所述光纖環(huán)形器與所述ASE光源相連；所述第一光纖耦合器的另一端通過兩條光路與所述第二光纖耦合器的一端相連，其中一條光路上連接有所述延遲光纖；所述第二光纖耦合器的另一端與所述光纖準(zhǔn)直器相連。[0008]其中:所述ASE光源為寬帶光源。
[0009]所述第一光纖耦合器為3x3光纖耦合器，所述第二光纖耦合器為2x2光纖耦合器。
[0010]所述第二光纖I禹合器的分光比為50:50。
[0011]本發(fā)明提供的一種光纖白光微分干涉非接觸測振的方法，包括以下步驟:
(a)將振動(dòng)目標(biāo)設(shè)置在所述光纖準(zhǔn)直器的出射端；
(b)所述ASE光源發(fā)出的光經(jīng)所述第一光纖耦合器和所述第二光纖耦合器到所述振動(dòng)目標(biāo)反射回所述第一光纖耦合器中，然后分為三路光分別進(jìn)入三個(gè)所述光電探測器；三個(gè)所述光電探測器的輸出電信號包含了所述振動(dòng)目標(biāo)的振動(dòng)信息；
(c)三個(gè)所述光電探測器的輸出電信號通過數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，使用三路探測解調(diào)算法在軟件上進(jìn)行消直流、求導(dǎo)、交叉相乘、積分、高通濾波后，與干涉信號平方和相除，再積分獲得待測振動(dòng)信號。
[0012]其中:所述數(shù)據(jù)采集卡采用NI公司的PC1-6251數(shù)據(jù)采集卡。
[0013]所述軟件采用Iabview軟件。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)效果在于:本發(fā)明采用低相干光源和單模光纖器件，結(jié)構(gòu)簡單成本低，光路的結(jié)構(gòu)本身對噪聲、溫度、應(yīng)力等低頻擾動(dòng)不敏感，使用三路探測的無源解調(diào)方法即可測量出振動(dòng)信息，測量的動(dòng)態(tài)范圍大，實(shí)現(xiàn)了光纖白光干涉的遠(yuǎn)距離非接觸測量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2為本發(fā)明的解調(diào)流程圖。
[0017]圖3A和圖3B分別是振動(dòng)目標(biāo)為壓電陶瓷(PZT)，驅(qū)動(dòng)信號為f=2KHz，V=0.1V時(shí)，本發(fā)明的解調(diào)結(jié)果的波形圖和頻譜圖。
[0018]圖4A和圖4B分別是振動(dòng)目標(biāo)為壓電陶瓷(PZT)，驅(qū)動(dòng)信號為f=4KHz，V=3V時(shí)，本發(fā)明的解調(diào)結(jié)果的波形圖和頻譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的說明。
[0020]圖1中，包括ASE光源1、光纖環(huán)形器2、第一光纖耦合器3、延遲光纖4、第二光纖耦合器5、光電探測器6、光纖準(zhǔn)直器7、振動(dòng)目標(biāo)8等。
[0021]如圖1所示，是本發(fā)明提供的一種光纖白光微分干涉非接觸測振的裝置，其光學(xué)結(jié)構(gòu)為馬赫曾德和賽格納克混合型微分干涉儀。本發(fā)明包括ASE光源1、光纖環(huán)形器2、第一光纖耦合器3、延遲光纖4、第二光纖耦合器5、光纖準(zhǔn)直器7及光電探測器6 ;第一光纖耦合器3的一端分別與三個(gè)光電探測器6相連，其中一個(gè)光電探測器6與第一光纖耦合器3相連的光路上連接有光纖環(huán)形器2,光纖環(huán)形器2與ASE光源I相連；第一光纖稱合器3的另一端通過兩條光路與第二光纖耦合器5的一端相連，其中一條光路上連接有延遲光纖4 ；第二光纖耦合器5的另一端與光纖準(zhǔn)直器7相連。
[0022]其中:ASE光源I為寬帶光源。第一光纖稱合器3為3x3光纖稱合器,第二光纖率禹合器5為2x2光纖稱合器。第二光纖稱合器5的分光比為50:50。
[0023]本發(fā)明提供的一種光纖白光微分干涉非接觸測振的方法，包括以下步驟:(a)將振動(dòng)目標(biāo)8設(shè)置在光纖準(zhǔn)直器7的出射端；
(b)ASE光源I發(fā)出的光經(jīng)第一光纖稱合器3和第二光纖稱合器5到振動(dòng)目標(biāo)8反射回第一光纖耦合器3中，然后分為三路光分別進(jìn)入三個(gè)光電探測器6 ;三個(gè)光電探測器6的輸出電信號包含了振動(dòng)目標(biāo)8的振動(dòng)信息；
(c)三個(gè)光電探測器6的輸出電信號通過數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，使用三路探測解調(diào)算法在軟件上進(jìn)行消直流、求導(dǎo)、交叉相乘、積分、高通濾波后，與干涉信號平方和相除，再積分獲得待測振動(dòng)信號。
[0024]其中:數(shù)據(jù)采集卡采用NI公司的PC1-6251數(shù)據(jù)采集卡；軟件采用Iabview軟件。
[0025]本發(fā)明的工作原理是:ASE光源I發(fā)出的光經(jīng)過光纖環(huán)形器2進(jìn)入第一光纖耦合器3分成三束光，其中兩條光路與第二光纖耦合器5相連，延遲光纖4連接在其中一條光路上。第二光纖耦合器5的一端輸出光接光纖準(zhǔn)直器7做為傳感探頭。從光纖準(zhǔn)直器7出射的光照射在振動(dòng)目標(biāo)8表面后，再利用光纖準(zhǔn)直器7接收振動(dòng)目標(biāo)8的散射光，回傳至第二光纖耦合器5。返回光最后通過第一光纖耦合器3分為三路光分別進(jìn)入三個(gè)光電探測器
6。光從ASE光源I出射，經(jīng)過振動(dòng)目標(biāo)8表面，散射接收后傳至光電探測器6，通過的路徑共有四條:(a)D?Ll?D ；(b)D?Ll?F ；(c)F?Ll?D ;(d)F?Ll?F。四路光在光纖耦合器中a和d兩路光程太大不滿足干涉條件，不能發(fā)生干涉，只有b、c兩束光通過相同的光程只是通過振源的先后順序不同，這兩路光滿足干涉條件，能夠發(fā)生干涉，利用延時(shí)光纖4帶來的時(shí)間差，干涉信號被三個(gè)光電探測器6接收后，光電探測器6輸出電信號包含了振動(dòng)目標(biāo)8的振動(dòng)信息，使用三路探測解調(diào)算法進(jìn)行信號的解調(diào)。
[0026]本發(fā)明的解調(diào)原理:三路光電探測器6輸出電信號通過NI的PC1-6521數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，輸入PC機(jī)中。通過Iabview軟件做運(yùn)算，獲得解調(diào)結(jié)果以及振動(dòng)目標(biāo)8的振動(dòng)信息。
[0027]入射三個(gè)光電探測器6的光生電流分別為:
【權(quán)利要求】
1.一種光纖白光微分干涉非接觸測振的裝置，其特征是:包括ASE光源(I)、光纖環(huán)形器(2)、第一光纖耦合器(3)、延遲光纖(4)、第二光纖耦合器(5)、光纖準(zhǔn)直器(7)及光電探測器(6);所述第一光纖耦合器(3)的一端分別與三個(gè)所述光電探測器(6)相連，其中一個(gè)所述光電探測器(6 )與所述第一光纖耦合器(3 )相連的光路上連接有所述光纖環(huán)形器(2 )，所述光纖環(huán)形器(2 )與所述ASE光源(I)相連；所述第一光纖耦合器(3 )的另一端通過兩條光路與所述第二光纖耦合器(5)的一端相連，其中一條光路上連接有所述延遲光纖(4);所述第二光纖耦合器(5)的另一端與所述光纖準(zhǔn)直器(7)相連。
2.按照權(quán)利要求1所述的光纖白光微分干涉非接觸測振的裝置，其特征是:所述ASE光源(I)為寬帶光源。
3.按照權(quán)利要求1所述的光纖白光微分干涉非接觸測振的裝置，其特征是:所述第一光纖稱合器(3)為3x3光纖稱合器,所述第二光纖稱合器(5)為2x2光纖稱合器。
4.按照權(quán)利要求1所述的光纖白光微分干涉非接觸測振的裝置，其特征是:所述第二光纖稱合器(5)的分光比為50:50。
5.一種使用權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述裝置進(jìn)行光纖白光微分干涉非接觸測振的方法，其特征是，包括以下步驟: (a)將振動(dòng)目標(biāo)(8)設(shè)置在所述光纖準(zhǔn)直器(7)的出射端； (b)所述ASE光源(I)發(fā)出的光經(jīng)所述第一光纖耦合器(3)和所述第二光纖耦合器(5 )到所述振動(dòng)目標(biāo)(8)反射回所述第一光纖耦合器(3)中，然后分為三路光分別進(jìn)入三個(gè)所述光電探測器(6);三個(gè)所述光電探測器(6)的輸出電信號包含了所述振動(dòng)目標(biāo)(8)的振動(dòng)信息； (c)三個(gè)所述光電探測器(6)的輸出電信號通過數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，使用三路探測解調(diào)算法在軟件上進(jìn)行消直流、求導(dǎo)、交叉相乘、積分、高通濾波后，與干涉信號平方和相除，再積分獲得待測振動(dòng)信號。
6.按照權(quán)利要求5所述的光纖白光微分干涉非接觸測振的方法，其特征是:所述數(shù)據(jù)采集卡采用NI公司的PC1-6251數(shù)據(jù)采集卡。
7.按照權(quán)利要求5所述的光纖白光微分干涉非接觸測振的方法，其特征是:所述軟件采用Iabview軟件。
【文檔編號】G01H9/00GK103759804SQ201410031369
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月23日
【發(fā)明者】甄勝來, 俞本立, 劉宇, 曹志剛, 孫靜靜, 陳劍, 李輝, 賈秋敏 申請人:安徽大學(xué)