一種基于光電振蕩器的振動(dòng)傳感裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光電振蕩器的振動(dòng)傳感裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖傳感器具有信噪比高，靈敏度高，穩(wěn)定性強(qiáng)，耐腐蝕等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于應(yīng)力， 溫度，振動(dòng)，電場(chǎng)等參數(shù)的測(cè)量，特別是惡劣環(huán)境下傳統(tǒng)傳感器已經(jīng)無法勝任的領(lǐng)域，如核 電、礦井、油井，大型發(fā)電機(jī)組等強(qiáng)輻射與電磁干擾環(huán)境下的測(cè)量。
[0003] 光纖傳感器可分為無源與有源兩大類。典型的無源傳感器包括以光纖為傳感元件 和以光纖光柵為傳感元件的傳感器。前者原理為：外界物理量變化導(dǎo)致光纖折射率變化，從 而使其內(nèi)傳輸?shù)墓庑盘?hào)的參數(shù)（相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，并通過干涉檢測(cè)得到待求物理 量。該類傳感器靈敏度高，但易受外界環(huán)境與光源光強(qiáng)波動(dòng)的干擾，一般需通過正交解調(diào)等 技術(shù)來改善其穩(wěn)定性；另外，該類傳感器工作于其傳遞函數(shù)的正交點(diǎn)上，動(dòng)態(tài)范圍非常小。 以光纖光柵為傳感元件的傳感器原理為：外界物理量變化導(dǎo)致光柵布拉格波長(zhǎng)變化，通過 解調(diào)光柵反射或者透射光譜即可得到待求物理量。該類傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易復(fù)用，但其長(zhǎng)期 漂移較大且解調(diào)系統(tǒng)復(fù)雜昂貴。
[0004] 常見的有源光纖傳感器如光電振蕩器傳感器，光纖激光器傳感器等。該類傳感器 利用振蕩器的諧振腔作為敏感元件，當(dāng)施加在諧振腔上的物理量變化時(shí)，諧振腔光纖由于 熱光效應(yīng)、彈光效應(yīng)等，其折射率發(fā)生變化，即等效腔長(zhǎng)發(fā)生變化，腔內(nèi)固有模式間隔也相 應(yīng)地變化，通過解調(diào)其振蕩頻率即可得到待測(cè)物理量。不同于干涉型強(qiáng)度解調(diào)傳感器，該類 傳感器將傳感信號(hào)編碼在振蕩頻率上，不受激光器光強(qiáng)波動(dòng)的影響。其中基于光纖激光器 的傳感器因其振蕩信號(hào)為光信號(hào)，為實(shí)現(xiàn)解調(diào)需要工作于多模狀態(tài)并拍頻，然而多模拍頻 信號(hào)在高頻率處的信噪比不高，其靈敏度受到限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于光電振蕩器的振動(dòng) 傳感裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的高靈敏度，高動(dòng)態(tài)范圍的解調(diào)。
[0006] -種基于光電振蕩器的振動(dòng)傳感裝置，包括：激光器、一分二的光親合器、光移相 器、傳感頭、偏振控制器、馬赫-增德爾調(diào)制器、二合一的光耦合器、儲(chǔ)能光纖、光電探測(cè)器、 帶通濾波器、射頻放大器、3dB功分器、參考振蕩器、混頻器、低通濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和上位 機(jī)；其中：
[0007] 所述的激光器用于產(chǎn)生激光；
[0008] 所述一分二的光親合器用于將所述的激光分為傳感光路和參考光路；
[0009] 所述的光移相器用于對(duì)所述傳感光路的光載波進(jìn)行移相；
[0010] 所述的傳感頭用于拾取外部振動(dòng)信息，從而對(duì)光移相器輸出傳感光路的光載波進(jìn) 行相位調(diào)制，得到含有振動(dòng)信息的相移光載波信號(hào)；
[0011] 所述的偏振控制器用于調(diào)節(jié)參考光路的偏振態(tài)；
[0012] 所述的馬赫-增德爾調(diào)制器用于將3dB功分器輸出的一路振蕩信號(hào)B調(diào)制到偏振 控制器輸出的參考光路的光載波上，得到抑制光載波的正負(fù)一階邊帶光信號(hào)；
[0013] 所述二合一的光耦合器用于將所述的相移光載波信號(hào)和正負(fù)一階邊帶光信號(hào)合 成為一路相移載波雙邊帶調(diào)制光信號(hào)；
[0014] 所述的儲(chǔ)能光纖用于對(duì)所述的相移載波雙邊帶調(diào)制光信號(hào)進(jìn)行延時(shí)；
[0015] 所述的光電探測(cè)器用于將延時(shí)后的相移載波雙邊帶調(diào)制光信號(hào)轉(zhuǎn)換成振蕩信號(hào) A；
[0016] 所述的帶通濾波器用于對(duì)所述的振蕩信號(hào)A進(jìn)行帶通濾波；
[0017] 所述的射頻放大器用于對(duì)濾波后的振蕩信號(hào)A進(jìn)行功率放大；
[0018] 所述的3dB功分器用于將放大后的振蕩信號(hào)A分為等功率的兩路振蕩信號(hào)B，一路 送至馬赫-增德爾調(diào)制器的射頻輸入口，另一路送至混頻器；
[0019] 所述的參考振蕩器用于產(chǎn)生與振蕩信號(hào)B頻率相同的參考振蕩信號(hào)；
[0020] 所述的混頻器用于使振蕩信號(hào)B與參考振蕩信號(hào)進(jìn)行鑒相，輸出一路低頻的鑒相 信號(hào)；
[0021] 所述的低通濾波器用于對(duì)所述的鑒相信號(hào)進(jìn)行低通濾波，得到解調(diào)電壓信號(hào)；
[0022] 所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于對(duì)所述的解調(diào)電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字信號(hào)；
[0023] 所述的上位機(jī)用于對(duì)所述的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解析，提取得到振動(dòng)信息。
[0024] 進(jìn)一步地，所述的激光器采用窄線寬半導(dǎo)體激光器；利用窄線寬半導(dǎo)體激光器所 產(chǎn)生的激光具有較低的相對(duì)強(qiáng)度噪聲，有利于降低光電振蕩器的相位噪聲。
[0025] 進(jìn)一步地，所述的儲(chǔ)能光纖采用單模光纖；成本低廉，對(duì)于頻率較高的待測(cè)振動(dòng)信 號(hào)具有較好的靈敏度。
[0026] 進(jìn)一步地，所述的低通濾波器采用有源低通濾波器，可提供大于20dB的增益，以 保證鎖相環(huán)路的鎖定帶寬。
[0027] 進(jìn)一步地，所述的光移相器利用所述的解調(diào)電壓信號(hào)對(duì)傳感光路的光載波進(jìn)行移 相。
[0028] 進(jìn)一步地，所述的馬赫-增德爾調(diào)制器工作在預(yù)設(shè)的最小偏置點(diǎn)上，將3dB功分器 輸出的一路振蕩信號(hào)B調(diào)制到偏振控制器輸出的參考光路的光載波上，得到抑制載波的雙 邊帶信號(hào)與傳感光路的相移載波拍頻時(shí)其輸出信號(hào)只有相位變化，沒有強(qiáng)度變化，克服了 普通鈮酸鋰馬赫增德爾調(diào)制器的傳輸響應(yīng)隨偏置點(diǎn)變化的缺點(diǎn)。
[0029] 進(jìn)一步地，所述的激光器、一分二的光親合器、光移相器、傳感頭、偏振控制器、馬 赫-增德爾調(diào)制器、二合一的光耦合器、儲(chǔ)能光纖、光電探測(cè)器、帶通濾波器、射頻放大器和 3dB功分器組成一光電振蕩器；光電振蕩器能夠克服光纖激光器測(cè)振中所存在的靈敏度與 信噪比之間的矛盾，且光電振蕩器輸出信號(hào)信噪比高，相位噪聲低，能夠提高測(cè)量分辨率。
[0030] 進(jìn)一步地，所述一分二的光耦合器與光移相器組成了一個(gè)Y波導(dǎo)相位調(diào)制器；外 界振動(dòng)信號(hào)會(huì)對(duì)傳感光路進(jìn)行移相，Y波導(dǎo)相位調(diào)制器對(duì)該相移進(jìn)行補(bǔ)償以使光電振蕩器 的振蕩頻率保持不變。
[0031] 進(jìn)一步地，所述的光電振蕩器、參考振蕩器、混頻器和低通濾波器組成了一鎖相 環(huán)，其用于解調(diào)光電振蕩器輸出的調(diào)頻信號(hào)。
[0032] 進(jìn)一步地，所述的帶通濾波器采用窄帶帶通濾波器，其帶寬小于光電振蕩器的基 模頻率。
[0033] 進(jìn)一步地，所述參考振蕩器的頻率等于光電振蕩器無傳感信號(hào)時(shí)的自由振蕩頻 率，在此條件下低通濾波器輸出電壓正比于瞬時(shí)振動(dòng)量。
[0034] 本發(fā)明通過Y波導(dǎo)相位調(diào)制器將光源的光分成傳感光路與參考光路，振動(dòng)信號(hào)調(diào) 制傳感光路的相位得到相移載波，該載波與參考光路的抑制載波雙邊帶信號(hào)經(jīng)光耦合器合 路后構(gòu)成了光纖馬赫增德爾調(diào)制器，該調(diào)制器輸出信號(hào)在光電探測(cè)器中拍頻后得到相位隨 振動(dòng)信息調(diào)制的射頻信號(hào)，從而使光電振蕩器的振蕩信號(hào)被調(diào)頻。該調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過由參考 振蕩器，混頻器，低通濾波器以及光電振蕩器構(gòu)成的鎖相環(huán)鑒頻后得到傳感信號(hào)輸出。
[0035] 本發(fā)明采用光纖馬赫增德爾調(diào)制器的一臂作為傳感頭，能夠提高振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)的 靈敏度，提高檢測(cè)精度。與其他無源光纖傳感器相比，本發(fā)明裝置將振動(dòng)信息編碼在振蕩信 號(hào)的頻率上而非強(qiáng)度上，因此對(duì)光源功率波動(dòng)的影響不敏感；與基于光纖激光器的光纖傳 感器方案相比，本發(fā)明裝置的靈敏度更高，且其靈敏度與振蕩頻率無關(guān)，可采用低成本的低 頻器件實(shí)現(xiàn)，實(shí)用性強(qiáng)。
【附圖說明】
[0036] 圖1為本發(fā)明振動(dòng)傳感裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案 進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0038] 如圖1所示，本發(fā)明基于光電振蕩器的振動(dòng)傳感裝置，包括：光電振蕩器、混頻器 14、微波信號(hào)源13、有源低通濾波器15、采集卡16以及計(jì)算機(jī)17等構(gòu)成的鎖相環(huán)解調(diào)裝 置。其中光電振蕩器包括：激光器1、Y波導(dǎo)相位調(diào)制器2, 3、傳感頭4、偏振控制器5、鈮酸 鋰馬赫增德爾調(diào)制器6、2X1光耦合器7、儲(chǔ)能光纖8、光電探測(cè)器9、帶通濾波器10、射頻放 大器ll、3dB射頻耦合器12。
[0039] 本實(shí)施方式中，激光器1是具有3kHz線寬的半導(dǎo)體激光器，其輸出光為相干光，具 有很低的相對(duì)強(qiáng)度噪聲與良好的抗環(huán)境干擾能力。激光器1的輸出光經(jīng)Y波導(dǎo)相位調(diào)制器 后分成等功率的兩路光，其中參考光路由偏振控制器5調(diào)整偏振態(tài)后進(jìn)入鈮酸鋰馬赫增德 爾調(diào)制器6,以獲得最小的偏振相關(guān)損耗。馬赫增德爾調(diào)制器6為鈮酸鋰電光強(qiáng)度調(diào)制器， 通過調(diào)節(jié)其偏置端口使其工作于最小輸出點(diǎn)，可獲得抑制載波的雙邊帶調(diào)制。
[0040] 傳感光路經(jīng)過光移相器3進(jìn)入傳感