基于正交相位快速解调和强度补偿的压力测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于正交相位快速解调和强度补偿的压力测量装置及方法，包括宽谱光源(1)、光纤环形器(2)、法珀(F‑P)压力传感器(3)、光纤1*3耦合器(4)、低相干干涉仪(5)、强度补偿仪(6)、光电探测器(13)、数据采集卡(7)以及信号处理单元(8)；测量时，利用F‑P压力传感器(3)进行压力感测，构造正交相位信号，使用实时强度补偿减小外界干扰因素对解调结果的影响，通过经过级次补偿的四象限反正切算法快速反算相位，并由标定‑拟合实时换算成压力值。与现有技术相比，本发明专利技术可以实现对含有多个腔的F‑P压力传感器(3)的信号进行解调，同时可以大幅降低信号强度波动对解调结果的影响，显著提高解调系统的稳定性和精确性。

【技术实现步骤摘要】
基于正交相位快速解调和强度补偿的压力测量装置及方法
本专利技术涉及一种光学非接触式压力实时测量装置，特别是涉及一种基于正交相位快速解调和强度补偿的压力实时测量装置及测量方法。
技术介绍
实时压力测量是检测设备运行的必要手段之一，在对于航空发动机或冲击波的压力测量中具有挑战性。由于具有体积小、重量轻、灵敏度高和抗电磁干扰的特性，F-P传感器被认为是在恶劣条件下进行压力检测的潜在传感器之一。而对于需要实时测量的信号(例如压力信号)而言，F-P传感器的快速解调是关键。现有的快速解调方法包括：(1)强度解调方法，该方法实现F-P传感器的快速解调，但是其解调结果受到线性工作间隔和Q点的选择的影响，这严重限制了解调系统的工作范围和稳定性；另一方面则很难将传感器精确地保持在线性范围内，并且光强容易受到其他因素的干扰。(2)相位解调方法，该方法不受工作点的限制，具有很高的灵敏度。(3)多波长相位解调方法，该方法仅适用于单腔F-P传感器，它不能消除多个腔体对解调的影响，例如基于微机电系统(MEMS)技术的F-P传感器。(4)光谱分析法，该方法使用光谱分析仪(OSA)分析F-P传感器的反射光谱，通过后续数据处理获得腔体长度和压力之间的对应关系。但是对于压力的实时测量而言，OSA的扫描频率必须很高，并且难以实现快速解调。目前的正交相位解调装置普遍会受到因光源功率波动、光路损耗变化或者是偏振态变化等因素对信号强度造成的影响。由于正交相位解调是基于信号强度的变化对相位进行提取，因此强度干扰会对解调结果的精度造成影响，这极大地限制了正交相位解调装置的实际应用。此外，考虑到F-P传感器的膜片在受到压力等信号作用时会发生弯曲，或者由于制作加工而导致的光纤纤芯与传感器膜片的几何中心失偏等情况而导致信号整体发生变化，因此对正交相位解调装置的信号强度进行实时补偿是十分必要的。
技术实现思路
基于上述现有技术，本专利技术提出了一种基于正交相位快速解调和强度补偿的压力测量装置及方法，利用F-P压力传感器的快速解调实现了压力(气体压强)的实时测量。本专利技术的一种基于正交相位快速解调和强度补偿的压力实时测量装置，该装置从输入到输出端依序包括宽谱光源1、光纤环形器2、F-P压力传感器3、光纤1×3耦合器4、低相干干涉仪5、强度补偿仪6、数据采集卡7、信号处理单元8、光纤准直器、起偏器、双折射晶体块、检偏器以及光电探测器；所述低相干干涉仪5具体包括由光纤准直器、起偏器、双折射晶体块、检偏器、光电探测器依序连接所构成的两条光路；所述强度补偿仪6具体包括第三光纤准直器93、起偏器103、第三光电探测器133；其中：宽谱光源1发出的光通过光纤环形器2进入F-P压力传感器3，并在F-P压力传感器3中发生法珀干涉，从而受到外界待测压力的调制；反射的干涉光再通过光纤环形器2进入光纤1×3耦合器4中，经过光纤1×3耦合器4分束，其中光纤1×3耦合器4的两路分束光进入低相干干涉仪5中，另一路作为补偿光路进入强度补偿仪6中；在低相干干涉仪5中，第一光纤准直器91、第二光纤准直器92将光纤1×3耦合器4分束的两束光进行准直，并转换为两路空间光；这两路空间光分别依次通过偏振方向与双折射晶体光轴呈45°的第一起偏器101、第二起偏器102、第一双折射晶体块111、第二双折射晶体块112、偏振方向与起偏器垂直的第一检偏器121、第二检偏器122，最后入射到第一光电探测器131、第二光电探测器132，第一光电探测器131、第二光电探测器132将两路空间光转换成电信号，两路空间光具有正交关系；在强度补偿仪6中，第三光纤准直器93将来自光纤1×3耦合器4的光进行准直，转换为空间光。此空间光经过第三起偏器103后作为强度补偿光，入射到第三光电探测器133，并被转换为电信号。数据采集卡7根据设定的采样频率，对来自低相干干涉仪5和强度补偿仪6的第三光电探测器133的电信号进行模数转换，最后由信号处理单元8对数据采集卡7采样的信号数据进行处理，从中提取F-P压力传感器3的相位值以及实时补偿系数，通过相位、腔长和压力之间的关系确定待测压力信息。本专利技术的一种基于正交相位快速解调和强度补偿的压力实时测量方法，该方法包括以下步骤：首先，利用光纤环形器2将宽谱光源1发出的光引入到F-P压力传感器3，并将F-P压力传感器3反射的干涉光引出到光纤1×3耦合器4中。利用光纤1×3耦合器4将F-P压力传感器3返回的光一分为三，分别将其中两路光引入低相干干涉仪5中，另一路作为补偿光路引入强度补偿仪6中；然后，在低相干干涉仪5中，利用光纤准直器将光纤1×3耦合器4分束的两路光进行准直，并转换成空间光；起偏器对光纤准直器发出的光进行起偏，将空间光变为线偏振的空间光；经过起偏器起偏的两路线偏振光入射至双折射晶体块；双折射晶体块将起偏器产生的线偏振光再产生两个正交的线偏振光，并且由于双折射效应，寻常光(o光)和非寻常光(e光)之间产生光程差，这里双折射晶体块中o光和e光之间的光程差与F-P压力传感器3所产生的光程差相匹配，产生低相干干涉；同时由于两路双折射晶体块的厚度不同，根据低相干干涉原理，两路信号形成正交关系；利用检偏器对经过双折射晶体块的两个线偏振光进行投影产生干涉；最后利用光电探测器将通过检偏器后的光信号通过光电转换效应转换成电信号；利用强度补偿仪6中的起偏器对光纤准直器发出的光进行起偏作为强度补偿光，其起偏方向与低相干干涉仪5中的起偏方向一致；利用利用强度补偿仪6中的光电探测器将经过起偏器的强度补偿光的光信号通过光电效应转换为电信号；最后，利用数据采集卡7将低相干干涉仪5和强度补偿仪6中光电探测器输出的电信号根据设定的采样频率进行模数转换；基于信号处理单元8从数据采集卡7的信号中快速提取出F-P压力传感器3的腔长信息和实时补偿系数，并通过相位、腔长和压力之间的对应关系实时获得被测压力信息，从而实现压力的实时测量。与现有技术相比，本专利技术在对含有多个腔的F-P压力传感器(3)的信号的解调、降低信号强度波动对解调结果的影响、解调系统的稳定性和精确性等方面都优于目前的方法。附图说明图1为基于正交相位快速解调和强度补偿的压力测量装置结构示意图；图2为进行强度补偿后的信号与未进行补偿的信号的对比图；图3为0～3MPa测量范围内压力-相位的标定拟合曲线图；图4为0-3MPa的压力测量的结果图。附图标记：1、宽谱(ASE或者SLED)光源，2、光纤环形器，3、法珀(F-P)压力传感器，4、光纤1×3耦合器，5、低相干干涉仪，6、强度补偿仪，7、数据采集卡，8、信号处理单元，91、92、93、第一至第三光纤准直器，101、102、103、第一至第三起偏器，111、112、第一、第二双折射晶体块，121、122、第一、第二检偏器，131、132、第一至第三光电探测器。具体实施方式宽谱光源1为以1550nm为中心波长、谱宽70-80nm的SLED光源或者ASE光源。下面将结合附图对本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于正交相位快速解调和强度补偿的压力实时测量装置，其特征在于，该装置从输入到输出端依序包括宽谱光源(1)、光纤环形器(2)、F-P压力传感器(3)、光纤1×3耦合器(4)、低相干干涉仪(5)、强度补偿仪(6)、数据采集卡(7)、信号处理单元(8)、光纤准直器、起偏器、双折射晶体块、检偏器以及光电探测器；所述低相干干涉仪(5)具体包括由光纤准直器、起偏器、双折射晶体块、检偏器、光电探测器依序连接所构成的两条光路；所述强度补偿仪(6)具体包括第三光纤准直器(93)、起偏器(103)、第三光电探测器(133)；其中：/n宽谱光源(1)发出的光通过光纤环形器(2)进入F-P压力传感器(3)，在F-P压力传感器(3)中发生法珀干涉；反射的干涉光再通过光纤环形器(2)进入光纤1×3耦合器(4)中，经过光纤1×3耦合器(4)分束，其中光纤1×3耦合器(4)的两路分束光进入低相干干涉仪5中，另一路作为补偿光路进入强度补偿仪(6)中；/n在低相干干涉仪(5)中，第一光纤准直器(91)、第二光纤准直器(92)将光纤1×3耦合器(4)分束的两束光进行准直，并转换为两路空间光；这两路空间光分别依次通过偏振方向与双折射晶体光轴呈45°的第一起偏器(101)、第二起偏器(102)、第一双折射晶体块(111)、第二双折射晶体块(112)、偏振方向与起偏器垂直的第一检偏器(121)、第二检偏器(122)，入射到第一光电探测器(131)、第二光电探测器(132)，第一光电探测器(131)、第二光电探测器(132)将两路空间光转换成电信号，两路空间光具有正交关系；/n在强度补偿仪(6)中，第三光纤准直器(93)将来自光纤1×3耦合器(4)的光进行准直，转换为空间光；此空间光经过第三起偏器(103)后作为强度补偿光，入射到第三光电探测器(133)，并被转换为电信号。/n数据采集卡(7)根据设定的采样频率，对来自低相干干涉仪(5)的第一光电探测器(131)、第二光电探测器(132)和强度补偿仪(6)的第三光电探测器(133)的电信号进行模数转换，最后由信号处理单元(8)对数据采集卡(7)采样的信号数据进行处理，从中提取F-P压力传感器(3)的相位值以及实时补偿系数，通过相位、腔长和压力之间的关系确定待测压力信息。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于正交相位快速解调和强度补偿的压力实时测量装置，其特征在于，该装置从输入到输出端依序包括宽谱光源(1)、光纤环形器(2)、F-P压力传感器(3)、光纤1×3耦合器(4)、低相干干涉仪(5)、强度补偿仪(6)、数据采集卡(7)、信号处理单元(8)、光纤准直器、起偏器、双折射晶体块、检偏器以及光电探测器；所述低相干干涉仪(5)具体包括由光纤准直器、起偏器、双折射晶体块、检偏器、光电探测器依序连接所构成的两条光路；所述强度补偿仪(6)具体包括第三光纤准直器(93)、起偏器(103)、第三光电探测器(133)；其中：
宽谱光源(1)发出的光通过光纤环形器(2)进入F-P压力传感器(3)，在F-P压力传感器(3)中发生法珀干涉；反射的干涉光再通过光纤环形器(2)进入光纤1×3耦合器(4)中，经过光纤1×3耦合器(4)分束，其中光纤1×3耦合器(4)的两路分束光进入低相干干涉仪5中，另一路作为补偿光路进入强度补偿仪(6)中；
在低相干干涉仪(5)中，第一光纤准直器(91)、第二光纤准直器(92)将光纤1×3耦合器(4)分束的两束光进行准直，并转换为两路空间光；这两路空间光分别依次通过偏振方向与双折射晶体光轴呈45°的第一起偏器(101)、第二起偏器(102)、第一双折射晶体块(111)、第二双折射晶体块(112)、偏振方向与起偏器垂直的第一检偏器(121)、第二检偏器(122)，入射到第一光电探测器(131)、第二光电探测器(132)，第一光电探测器(131)、第二光电探测器(132)将两路空间光转换成电信号，两路空间光具有正交关系；
在强度补偿仪(6)中，第三光纤准直器(93)将来自光纤1×3耦合器(4)的光进行准直，转换为空间光；此空间光经过第三起偏器(103)后作为强度补偿光，入射到第三光电探测器(133)，并被转换为电信号。
数据采集卡(7)根据设定的采样频率，对来自低相干干涉仪(5)的第一光电探测器(131)、第二光电探测器(132)和强度补偿仪(6)的第三光电探测器(133)的电信号进行模数转换，最后由信号处理单元(8)对数据采集卡(7)采样的信号数据进行处理，从中提取F-P压力传感器(3)的相位值以及实时补偿系数，通过相位、腔长和压力之间的关系确定待测压力信息。


2.如权利要求1所述的一种基于正交相位快速解调和强度补偿的压力实时测量装置，其特征在于，第一双折射晶体块(111)和第二双折射晶体块(112)的厚度的设置应使得两路信号互为正交关系。


3.一种基于正交相位快速解调和强度补偿的压力实时测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
首先，利用光纤环形器(2)将宽谱光源(1)发出的光引入到F-P压力传感器(3)，并将F-P压力传感器(3)反射的干涉光引出到光纤1×3耦合器(4)中；利用光纤1×3耦合器(4)将F-P压力传感器(3)返回的光一分为三，分别将其中两路光引入低相干干涉仪(5)中，另一路作...

【专利技术属性】
技术研发人员：王双，刘铁根，李致远，江俊峰，刘琨，刘文燕，张鹏，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12