一种基于布拉格光纤光栅的高精度应力传感器制造技术

本发明专利技术的一种基于布拉格光纤光栅的高精度应力传感器属于光纤传感器技术领域。其主要结构有泵浦源(1)、第一光耦合器(2)、光波分复用器(3)等。本发明专利技术用正弦信号作为调制信号，不会产生高频干扰，具有工作更可靠、传感精度高、应用范围广等特点。

A High Precision Stress Sensor Based on Bragg Fiber Bragg Grating

The invention relates to a high-precision stress sensor based on Bragg fiber grating, which belongs to the technical field of optical fiber sensor. Its main structure includes a pump source (1), a first optical coupler (2), an optical wavelength division multiplexer (3), etc. The invention uses sinusoidal signal as modulation signal, does not produce high frequency interference, and has the characteristics of more reliable operation, high sensing accuracy and wide application range.

【技术实现步骤摘要】
一种基于布拉格光纤光栅的高精度应力传感器
本专利技术属于光纤传感器的
，特别涉及一种基于布拉格光纤光栅的高精度应力传感器。
技术介绍
布拉格光纤光栅(FBG)因具有抗电磁干扰、耐化学腐蚀、传输损耗小、体积小重量轻、便于大规模生产等优点，而广泛应用于传感
目前，应力传感器在工程
具有广泛应用。特别是在纳米粒子相互作用，细胞力学等新兴领域，对于微应力传感器具有迫切需求，桥梁、隧道以及建筑物结构的安全监测更是离不开微应力传感器。而布拉格光纤光栅由于其上述优点使得其构成的应力传感器相比于其它传感器具有更高的可靠性，也更适合恶劣条件下的使用。与本专利技术最接近的现有技术是南开大学刘波的博士毕业论文《光纤光栅传感系统的研究与实现》，该文献提供了一种基于非平衡马赫泽德尔干涉法解调技术的布拉格光纤光栅传感系统(参见该文献的第26页图3.6)，该光纤传感系统采用马赫泽德尔干涉原理，在干涉仪两臂中的其中一臂上利用压电陶瓷(PZT)提供的调制信号改变该臂的长度，从而改变干涉仪输出光强，干涉仪输出光强随PZT调制信号的变化呈余弦函数规律，如果采用理想锯齿波作为PZT的调制信号，则光纤传感系统的输出直接为余弦波。光纤传感系统通过布拉格光栅感知测量点处应力的变化，并反映为反射光谱中心波长的变化，中心波长的变化经过上述马赫泽德尔干涉仪后体现为输出余弦波相位的变化，最后将余弦波的相位和锯齿波的相位相比较，即可反映出布拉格光纤光栅反射谱中心波长的变化，从而实现测量外界应力的变化。在上述传感系统中，存在的最大问题是锯齿波不可能做到绝对的理想化，理想的锯齿波下降沿是垂直的，而实际的锯齿波的下降沿总是会有一定的坡度，从而会使后级输出的余弦波存在一个高频抖动，为了消除该高频抖动信号，一般在其后级解调电路中必须使用带通滤波器(BPF)，滤除直流分量和高频分量。但是，一方面该高频分量本身就会对余弦波的相位检测造成影响(过零点位置变化)；另一方面该高频抖动信号的频率受PZT驱动电路性能、PZT本身的迟滞特性(PZT的电特性相当于电容，其两端电压是不能跳变的，因此锯齿波的下降沿是做不到无限短的)以及光纤本身弹性等诸多因素影响，频率大小不定，很难滤除干净；而且，在使用滤波器时，除了会对输出信号的幅频特性产生影响外，还会同时对信号的相频特性产生影响，即滤波是在截止频率附近相位会受到影响，这对于依靠相位变化来测量应力变化的光纤传感器来说是十分不利的。因此，现有的布拉格光纤光栅应力传感器还需要进一步改进。
技术实现思路
为了克服现有的布拉格光纤光栅应力传感器存在的缺点，本专利技术提供一种使用正弦信号作为PZT驱动信号的基于布拉格光纤光栅的高精度应力传感器，从而避免了高频干扰信号的产生，且在对接收到的信号进行处理时无需使用滤波器，从而避免了滤波过程对相位产生的影响。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种基于布拉格光纤光栅的高精度应力传感器，其结构有，泵浦源1与第一光耦合器2的输入端相连，第一光耦合器2的90％输出端与光波分复用器3的980nm端相连，光波分复用器3的1550nm端与延迟线可调光纤12的一端相连，延迟线可调光纤12另一端与第一光隔离器11的输入端相连，延迟线可调光纤12的控制端与电平转换芯片13的输出端口相连，电平转换芯片13的输入端与单片机19相连；第一光隔离器11的输出端与光滤波器10的光输入端相连，光滤波器10的电控制端与单片机20相连，光滤波器10的光输出端与光环形器8的第一端口相连，光环形器8的第二端口与布拉格光栅组9的一端相连，光环形器8的第三端口与第三光耦合器6的输入端相连，第三光耦合器6的90％输出端与第二光隔离器5的输入端相连，第二光隔离器5的输出端与掺铒光纤4的一端相连，掺铒光纤4的另一端与光波分复用器3的公共端相连；第三光耦合器6的10％输出端输出与第四光耦合器7的输入端相连，第四光耦合器7的一个输出端与第五光耦合器25的一个输入端相连，第四光耦合器7的另一个输出端与缠绕在压电陶瓷24上的光纤的一端相连，缠绕在压电陶瓷24上的光纤的另一端与第五光耦合器25的另一个输入端相连，第五光耦合器25的输出端与第一光探测器26的输入端相连，第五光耦合器25的输出端还与第二光探测器27的输入端相连；其特征在于，结构还有，第一光探测器26的输出端与差分放大电路28的同相输入端相连，第二光探测器27的输出端与差分放大电路28的反相输入端相连，差分放大电路28的输出端与函数变换电路29的输入端相连，函数变换电路29的输出端与自适应幅度归一电路30的输入端相连，自适应幅度归一电路30的输出端与相位比较电路31的一个输入端相连；可控频率源22的输入端与单片机19相连，输出端与相位比较电路31的另一个输入端相连，相位比较电路31的输出端与单片机19相连；可控频率源22的输出端还与PZT驱动电路23的输入端相连，PZT驱动电路23的输出端与压电陶瓷24的控制端相连；第一光耦合器2的10％输出端与第二光耦合器16的一个输入端相连，第二光耦合器16的另一个输入端与无水乙醇填充光子晶体光纤15的一端相连，无水乙醇填充光子晶体光纤15的另一端与第二光耦合器16的一个输出端相连，第二光耦合器16的另一个输出端与光电转换电路17的输入端相连，光电转电路17的输出端与模数转换电路18的输入端相连，模数转换电路18的输出端与单片机19相连；单片机19还分别与输入按键14、串口通信模块20、显示屏21相连；所述的函数变换电路29的结构为,电容C3的一端与三角函数转换器U1的管脚12及电阻R2的一端相连，电容C3的另一端作为函数变换电路29的输入端，记为端口ACOS_in，与差分放大电路28的输出端相连；电阻R2的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚2、3、4、5、8、11、13接地，管脚9、10与电容C2的一端及-12V电源相连，电容C2的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚6与管脚7相连，管脚16与+12V电源及电容C1的一端相连，电容C1的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚1与滑动变阻器W1的滑动端相连，滑动变阻器W1的一端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与三角函数转换器U1的管脚14相连，滑动变阻器W1的滑动端作为函数变换电路29的输出端，记为端口ACOS_out，与自适应幅度归一电路30的输入端相连；所述的三角函数转换器U1的型号为AD639；所述的自适应幅度归一电路30的结构为，电容C9的一端与电阻R3的一端及芯片U2的管脚3相连，电阻R3的另一端接地，电容C9的另一端作为自适应幅度归一电路30的输入端，记为端口ADAPT_in，与函数变换电路29的端口ACOS_out相连；芯片U2的管脚1、管脚7、管脚8、管脚14均接地，管脚2与管脚4均与+5V电源相连，管脚11与管脚12相连并与电容C5的一端及+5V电源相连，电容C5的另一端接地；芯片U2的管脚13与电容C4的一端相连，电容C4的另一端接地；芯片U2的管脚9与电容C6的一端相连，电容C6的另一端接地；芯片U2的管脚5与电阻R12及电阻R11的一端相连，电阻R12的另一端接地，电阻R11的另一端与运放U4的输出端及电容C8的一端相连，运放U8的正电源端接+5V电源，负电源端接地；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于布拉格光纤光栅的高精度应力传感器，其结构有，泵浦源(1)与第一光耦合器(2)的输入端相连，第一光耦合器(2)的90％输出端与光波分复用器(3)的980nm端相连，光波分复用器(3)的1550nm端与延迟线可调光纤(12)的一端相连，延迟线可调光纤(12)另一端与第一光隔离器(11)的输入端相连，延迟线可调光纤(12)的控制端与电平转换芯片(13)的输出端口相连，电平转换芯片(13)的输入端与单片机(19)相连；第一光隔离器(11)的输出端与光滤波器(10)的光输入端相连，光滤波器(10)的电控制端与单片机(20)相连，光滤波器(10)的光输出端与光环形器(8)的第一端口相连，光环形器(8)的第二端口与布拉格光栅组(9)的一端相连，光环形器(8)的第三端口与第三光耦合器(6)的输入端相连，第三光耦合器(6)的90％输出端与第二光隔离器(5)的输入端相连，第二光隔离器(5)的输出端与掺铒光纤(4)的一端相连，掺铒光纤(4)的另一端与光波分复用器(3)的公共端相连；第三光耦合器(6)的10％输出端输出与第四光耦合器(7)的输入端相连，第四光耦合器(7)的一个输出端与第五光耦合器(25)的一个输入端相连，第四光耦合器(7)的另一个输出端与缠绕在压电陶瓷(24)上的光纤的一端相连，缠绕在压电陶瓷(24)上的光纤的另一端与第五光耦合器(25)的另一个输入端相连，第五光耦合器(25)的输出端与第一光探测器(26)的输入端相连，第五光耦合器(25)的输出端还与第二光探测器(27)的输入端相连；其特征在于，结构还有，第一光探测器(26)的输出端与差分放大电路(28)的同相输入端相连，第二光探测器(27)的输出端与差分放大电路(28)的反相输入端相连，差分放大电路(28)的输出端与函数变换电路(29)的输入端相连，函数变换电路(29)的输出端与自适应幅度归一电路(30)的输入端相连，自适应幅度归一电路(30)的输出端与相位比较电路(31)的一个输入端相连；可控频率源(22)的输入端与单片机(19)相连，输出端与相位比较电路(31)的另一个输入端相连，相位比较电路(31)的输出端与单片机(19)相连；可控频率源(22)的输出端还与PZT驱动电路(23)的输入端相连，PZT驱动电路(23)的输出端与压电陶瓷(24)的控制端相连；第一光耦合器(2)的10％输出端与第二光耦合器(16)的一个输入端相连，第二光耦合器(16)的另一个输入端与无水乙醇填充光子晶体光纤(15)的一端相连，无水乙醇填充光子晶体光纤(15)的另一端与第二光耦合器(16)的一个输出端相连，第二光耦合器(16)的另一个输出端与光电转换电路(17)的输入端相连，光电转电路(17)的输出端与模数转换电路(18)的输入端相连，模数转换电路(18)的输出端与单片机(19)相连；单片机(19)还分别与输入按键(14)、串口通信模块(20)、显示屏(21)相连；所述的函数变换电路(29)的结构为,电容C3的一端与三角函数转换器U1的管脚12及电阻R2的一端相连，电容C3的另一端作为函数变换电路(29)的输入端，记为端口ACOS_in，与差分放大电路(28)的输出端相连；电阻R2的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚2、3、4、5、8、11、13接地，管脚9、10与电容C2的一端及‑12V电源相连，电容C2的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚6与管脚7相连，管脚16与+12V电源及电容C1的一端相连，电容C1的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚1与滑动变阻器W1的滑动端相连，滑动变阻器W1的一端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与三角函数转换器U1的管脚14相连，滑动变阻器W1的滑动端作为函数变换电路(29)的输出端，记为端口ACOS_out，与自适应幅度归一电路(30)的输入端相连；所述的三角函数转换器U1的型号为AD639；所述的自适应幅度归一电路(30)的结构为，电容C9的一端与电阻R3的一端及芯片U2的管脚3相连，电阻R3的另一端接地，电容C9的另一端作为自适应幅度归一电路(30)的输入端，记为端口ADAPT_in，与函数变换电路(29)的端口ACOS_out相连；芯片U2的管脚1、管脚7、管脚8、管脚14均接地，管脚2与管脚4均与+5V电源相连，管脚11与管脚12相连并与电容C5的一端及+5V电源相连，电容C5的另一端接地；芯片U2的管脚13与电容C4的一端相连，电容C4的另一端接地；芯片U2的管脚9与电容C6的一端相连，电容C6的另一端接地；芯片U2的管脚5与电阻R12及电阻R11的一端相连，电阻R12的另一端接地，电阻R11的另一端与运放U4的输出端及电容C8的一端相连，运放U8的正电源端接+5V电源，负电源端接地；电容C8的另一端与电阻R10的一端相连，电阻R10...

【技术特征摘要】
1.一种基于布拉格光纤光栅的高精度应力传感器，其结构有，泵浦源(1)与第一光耦合器(2)的输入端相连，第一光耦合器(2)的90％输出端与光波分复用器(3)的980nm端相连，光波分复用器(3)的1550nm端与延迟线可调光纤(12)的一端相连，延迟线可调光纤(12)另一端与第一光隔离器(11)的输入端相连，延迟线可调光纤(12)的控制端与电平转换芯片(13)的输出端口相连，电平转换芯片(13)的输入端与单片机(19)相连；第一光隔离器(11)的输出端与光滤波器(10)的光输入端相连，光滤波器(10)的电控制端与单片机(20)相连，光滤波器(10)的光输出端与光环形器(8)的第一端口相连，光环形器(8)的第二端口与布拉格光栅组(9)的一端相连，光环形器(8)的第三端口与第三光耦合器(6)的输入端相连，第三光耦合器(6)的90％输出端与第二光隔离器(5)的输入端相连，第二光隔离器(5)的输出端与掺铒光纤(4)的一端相连，掺铒光纤(4)的另一端与光波分复用器(3)的公共端相连；第三光耦合器(6)的10％输出端输出与第四光耦合器(7)的输入端相连，第四光耦合器(7)的一个输出端与第五光耦合器(25)的一个输入端相连，第四光耦合器(7)的另一个输出端与缠绕在压电陶瓷(24)上的光纤的一端相连，缠绕在压电陶瓷(24)上的光纤的另一端与第五光耦合器(25)的另一个输入端相连，第五光耦合器(25)的输出端与第一光探测器(26)的输入端相连，第五光耦合器(25)的输出端还与第二光探测器(27)的输入端相连；其特征在于，结构还有，第一光探测器(26)的输出端与差分放大电路(28)的同相输入端相连，第二光探测器(27)的输出端与差分放大电路(28)的反相输入端相连，差分放大电路(28)的输出端与函数变换电路(29)的输入端相连，函数变换电路(29)的输出端与自适应幅度归一电路(30)的输入端相连，自适应幅度归一电路(30)的输出端与相位比较电路(31)的一个输入端相连；可控频率源(22)的输入端与单片机(19)相连，输出端与相位比较电路(31)的另一个输入端相连，相位比较电路(31)的输出端与单片机(19)相连；可控频率源(22)的输出端还与PZT驱动电路(23)的输入端相连，PZT驱动电路(23)的输出端与压电陶瓷(24)的控制端相连；第一光耦合器(2)的10％输出端与第二光耦合器(16)的一个输入端相连，第二光耦合器(16)的另一个输入端与无水乙醇填充光子晶体光纤(15)的一端相连，无水乙醇填充光子晶体光纤(15)的另一端与第二光耦合器(16)的一个输出端相连，第二光耦合器(16)的另一个输出端与光电转换电路(17)的输入端相连，光电转电路(17)的输出端与模数转换电路(18)的输入端相连，模数转换电路(18)的输出端与单片机(19)相连；单片机(19)还分别与输入按键(14)、串口通信模块(20)、显示屏(21)相连；所述的函数变换电路(29)的结构为,电容C3的一端与三角函数转换器U1的管脚12及电阻R2的一端相连，电容C3的另一端作为函数变换电路(29)的输入端，记为端口ACOS_in，与差分放大电路(28)的输出端相连；电阻R2的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚2、3、4、5、8、11、13接地，管脚9、10与电容C2的一端及-12V电源相连，电容C2的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚6与管脚7相连，管脚16与+12V电源及电容C1的一端相连，电容C1的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚1与滑动变阻器W1的滑动端相连，滑动变阻器W1的一端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与三角函数转换器U1的管脚14相连，滑动变阻器W1的滑动端作为函数变换电路(29)的输出端，记为端口ACOS_out，与自适应幅度归一电路(30)的输入端相连；所述的三角函数转换器U1的型号为AD639；所述的自适应幅度归一电路(30)的结构为，电容C9的一端与电阻R3的一端及芯片U2的管脚3相连，电阻R3的另一端接地，电容C9的另一端作为自适应幅度归一电路(30)的输入端，记为端口ADAPT_in，与函数变换电路(29)的端口ACOS_out相连；芯片U2的管脚1、管脚7、管脚8、管脚14均接地，管脚2与管脚4均与+5V电源相连，管脚11与管脚12相连并与电容C5的一端及+5V电源相连，电容C5的另一端接地；芯片U2的管脚13与电容C4的一端相连，电容C4的另一端接地；芯片U2的管脚9与电容C6的一端相连，电容C6的另一端接地；芯片U2的管脚5与电阻R12及电阻R11的一端相连，电阻R12的另一端接地，电阻R11的另一端与运放U4的输出端及电容C8的一端相连，运放U8的正电源端接+5V电源，负电源端接地；电容C8的另一端...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴戈，林旻，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22