一种光纤加速度传感系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种光纤加速度传感系统及方法，属于光纤传感技术领域。包括激光器、平衡式干涉仪、双路光电探测器、电源驱动及信号处理模块和扁平式马达。通过平衡式干涉仪将振动信号转变为光的相位变化，生成双路相位差为2π/3的干涉信号来实现振动加速度探测，大幅度降低光纤传感系统的成本；通过引入扁平式马达避免在光路中增加相位调制器，实现了光纤传感系统的低成本、低功耗和小型化；通过在光纤传感系统开始监测前，扁平式马达的振动主动引入相位变化不小于π/2，拟合用的椭圆弧度不小于1/4个圆弧的调制信号，促使光纤传感系统满足高精度椭圆拟合的监测条件，从而实现微振动信号的高精度解调的技术效果。号的高精度解调的技术效果。号的高精度解调的技术效果。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤加速度传感系统及方法


[0001]本专利技术涉及光纤传感
，特别是一种光纤加速度传感系统及方法。

技术介绍

[0002]光纤加速度传感系统以其灵敏度高，抗电磁干扰能力强，在工业及工程领域越来越受到关注和重视。基于光纤的传感机制正在一步步地发展起来，有望在多个领域替代现有的电传感机制。目前的光纤加速度传感系统一般都是基于Mach
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Zehnder或者Michelson干涉仪结构构成。将干涉仪的一个臂或者两个臂绕在弹性体上，当干涉仪感受到外界振动时，两个臂上会产生相位差，对两个臂产生的干涉信号进行探测和解调，便可以将振动信号解调出来，系统一般用窄线宽半导体激光器或窄线宽光纤激光器，激光器线宽约1kHz量级。而基于空分复用、时分复用、波分复用等方式组成大规模阵列，组成阵列式时需要使用光缆连接，增加了系统的复杂度和成本，安装不够灵活简便。
[0003]光纤加速度传感系统大多是基于相位载波生成的方法或者外差法，以及常规的基于椭圆拟合的方法。基于相位载波生产的方法需要在光路中增加相位调制器，基于外差法的解调方案需要在光路中增加移频器，常规的基于椭圆拟合的方法为了实现高精度拟合也需要在光路中增加相位调制器。基于Mach
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Zehnder或者Michelson光纤干涉仪结构，需要在激光器内部或者在干涉仪中的一个臂上加入相位调制器并要求非平衡干涉仪，这样就需要线宽很窄的激光器，而窄线宽的激光器将极大提高了整个系统价格。此外，基于外差法的解调方案，则需要在干涉仪的一个臂上加入移频器，会增加系统的复杂度和体积。
[0004]上述三种方案均不利于系统的小型化，且需要使用线宽很窄的激光器（约kHz量级），从而造成系统体积偏大，价格偏高的技术问题。
[0005]目前的光纤加速度传感系统，为了实现低的系统相位噪声及高振动分辨率，需要采用线宽为kHz量级的半导体激光器或者光纤激光器，解调方案多采用相位生成载波方法或者外差法，以及基于椭圆拟合方法的解调方案等。基于以上三种方案的光纤加速度传感系统均需要在激光内部或者传感光路中引入调制器，需要线宽很窄的激光器，一般线宽为kHz量级，这不仅会增加系统的复杂度，也会增加系统的成本和功耗，不利于系统的小型化集成。基于椭圆拟合方法的解调方案，为了实现高精度拟合，一般要求调制信号相位变化不小于π/2，拟合的椭圆弧度不小于1/4个圆弧，且需要调制频率是待测信号频率与幅度乘积的两倍以上。
[0006]为解决传统光纤加速度传感系统无法实现对微振动信号的高精度椭圆拟合及信号解调，同时相位调制器的引入提高了系统对窄线宽激光器的线宽需求（约kHz量级），不利于系统的低成本、低功耗和小型化的问题。本专利技术提供一种光纤加速度传感系统及方法，通过平衡式干涉仪将振动信号转变为光的相位变化，生成双路相位差为2π/3的干涉信号来实现振动加速度探测，在保证高精度测量的同时，极大的降低了光纤传感系统对窄线宽激光器的线宽需求，从而大幅度降低光纤传感系统的成本；通过引入扁平式马达避免在光路中增加相位调制器，在进一步降低光纤传感系统的成本及功耗的同时，实现系统的小型化；在
光纤传感系统开始监测前，通过扁平式马达的振动主动引入相位变化不小于π/2，拟合用的椭圆弧度不小于1/4个圆弧的调制信号，促使光纤传感系统满足高精度椭圆拟合的监测条件，从而实现微振动信号的高精度拟合和解调；此外，本专利技术便于组成无线光纤振动监测阵列，不需要光缆施工，从而降低了施工难度和施工成本。

技术实现思路

[0007]针对上述问题，提供一种光纤加速度传感系统及方法，包括光纤传感系统，所述光纤传感系统包括激光器、平衡式干涉仪、双路光电探测器、电源驱动及信号处理模块和扁平式马达。本专利技术通过平衡式干涉仪将振动信号转变为光的相位变化，生成双路相位差为2π/3的干涉信号来实现振动加速度探测，大幅度降低光纤传感系统的成本；通过引入扁平式马达避免在光路中增加相位调制器，实现了光纤传感系统的低成本、低功耗和小型化；通过在光纤传感系统开始监测前，扁平式马达的振动主动引入相位变化不小于π/2，拟合用的椭圆弧度不小于1/4个圆弧的调制信号，促使光纤传感系统满足高精度椭圆拟合的监测条件，从而实现微振动信号的高精度拟合和解调。
[0008]为达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是。
[0009]一种光纤加速度传感系统，包括光纤传感系统，所述光纤传感系统包括激光器、平衡式干涉仪、双路光电探测器、电源驱动及信号处理模块和扁平式马达；所述平衡式干涉仪包括耦合器、法拉第旋转镜、上臂敏感光纤和下臂敏感光纤；所述上臂敏感光纤和下臂敏感光纤长度相等；所述扁平式马达用于在监测的微振动信号不足以实现高精度椭圆拟合解调时，在所述光纤传感系统开始监测前主动引入相位变化不小于π/2，拟合用的椭圆弧度不小于1/4个圆弧的调制信号，使得所述光纤传感系统满足高精度椭圆拟合的监测条件，从而实现微振动信号的解调。
[0010]优选的，所述电源驱动及信号处理模块在所述光纤传感系统启动时向扁平式马达输出电源信号，所述电源信号驱动扁平式马达产生振动信号，所述振动信号被所述平衡式干涉仪采集并输出高精度椭圆拟合的调制信号后，所述电源驱动及信号处理模块自动切断输出至扁平式马达的电源信号。
[0011]优选的，所述电源驱动及信号处理模块可对所述激光器输入的电源进行降噪处理，并为所述激光器提供低噪声电源和温度调控。
[0012]优选的，所述耦合器采用3
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3光纤耦合器，所述激光器产生的激光通过耦合器的一个输入端，经所述耦合器的耦合输出至上臂敏感光纤、下臂敏感光纤和第三输出端，所述上臂敏感光纤和下臂敏感光纤输入的激光分别经法拉第旋转镜后返回至耦合器内，并输出双路光信号至双路光电探测器，由双路光电探测器将双路光信号转化为双路电信号输出至电源驱动及信号处理模块，并由电源驱动及信号处理模块进行矫正后解调，最终解调出待测信号。
[0013]优选的，所述第三输出端做消返处理。
[0014]优选的，所述上臂敏感光纤缠绕至弹性体上，所述下臂敏感光纤缠绕至振动不敏感的质量块上。
[0015]优选的，所述上臂敏感光纤与下臂敏感光纤分别缠绕至对应的两个弹性体上，并与质量块构成质量
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弹簧系统。
[0016]优选的，所述平衡式干涉仪输出的双路光信号的相位差为2π/3，所述双路光信号经双路光电探测器转化为双路电信号，并输出至所述电源驱动及信号处理模块。
[0017]优选的，所述双路电信号通过电源驱动及信号处理模块矫正，得到相位差为π/2的双路正交信号，并由所述电源驱动及信号处理模块解调获取待测信号。
[0018]优选的，一种采用上述光纤传感系统获取微振动信号的方法，包括以下步骤。
[0019]S1：通过电源驱动及信号处理模块产生电源信号驱动扁平式马达产生振动信号，所述振动信号被所述平衡式干涉仪采集并输出高精度椭圆拟合的调制信号后，所述电源驱动及信号处理模块自动断开输出至扁平式马达的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光纤加速度传感系统，其特征在于：包括光纤传感系统，所述光纤传感系统包括激光器、平衡式干涉仪、双路光电探测器、电源驱动及信号处理模块和扁平式马达；所述平衡式干涉仪包括耦合器、法拉第旋转镜、上臂敏感光纤和下臂敏感光纤；所述上臂敏感光纤和下臂敏感光纤长度相等；所述扁平式马达用于在监测的微振动信号不足以实现高精度椭圆拟合解调时，在所述光纤传感系统开始监测前主动引入相位变化不小于π/2，拟合用的椭圆弧度不小于1/4个圆弧的调制信号，使得所述光纤传感系统满足高精度椭圆拟合的监测条件，从而实现微振动信号的解调。2.如权利要求1所述的一种光纤加速度传感系统，其特征在于：所述电源驱动及信号处理模块在所述光纤传感系统启动时向扁平式马达输出电源信号，所述电源信号驱动扁平式马达产生振动信号，所述振动信号被所述平衡式干涉仪采集并输出高精度椭圆拟合的调制信号后，所述电源驱动及信号处理模块自动切断输出至扁平式马达的电源信号。3.如权利要求2所述的一种光纤加速度传感系统，其特征在于：所述电源驱动及信号处理模块可对所述激光器输入的电源进行降噪处理，并为所述激光器提供低噪声电源和温度调控。4.如权利要求1所述的一种光纤加速度传感系统，其特征在于：所述耦合器采用3
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3光纤耦合器，所述激光器产生的激光通过耦合器的一个输入端，经所述耦合器的耦合输出至上臂敏感光纤、下臂敏感光纤和第三输出端，所述上臂敏感光纤和下臂敏感光纤输入的激光分别经法拉第旋转镜后返回至耦合器内发生干涉，并输出双路光信号至双路光电探测器，由双路光电探测器将双路光信号转化为双路电信号输出至电源驱动及信号处理模块，并由电源驱动及信号处理模块进行矫正后解调，最终解调出待测信号。5.如权利要求4述的一种光纤加速度传感系统，其特征在于：所述第三输出端做消返处理。6.如权利要求4所述的一种光纤加速度传感系统，其特征在于：所述上臂敏感光纤缠绕至弹性体上，所述下臂敏感光纤缠绕至振动不敏感的质量块上。7.如权利要求6所述的一种光纤加速度传感系统，其特征在于：所述上臂敏感光纤与下臂敏感光纤分别缠绕至对应的两个弹性体上，并与...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗家童，程建民，王晓冬，俞本立，
申请(专利权)人：安徽至博光电科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：