一种基于双干涉信号间相位差的加速度检测系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于双干涉信号间相位差的加速度检测系统和方法，包括：干涉仪，用于将激光器发出的光束信号经过分束和耦合，产生两路干涉信号，所述干涉仪设置有两个干涉臂，且干涉仪设置有两个，两个所述干涉仪共用一个干涉臂，该干涉臂为共享臂；弹性体，两个干涉仪的另外两个干涉臂分别缠绕在两个所述弹性体表面；信号发生器，用于发射信号以调制激光器的中心频率，所述信号发生器在两路干涉信号中引入相位调制信号；两个干涉信号间的相位差变化表征加速度信号；两个干涉仪同时测量加速度，提高了加速度测量的灵敏性，提高了干涉结构的利用率，抑制了光源相位噪声的影响，同时也省去了对参考干涉仪的屏蔽设置，减小了外界声压信号对加速度信号测量的影响

【技术实现步骤摘要】
一种基于双干涉信号间相位差的加速度检测系统和方法


[0001]本专利技术涉及光纤传感
，具体涉及一种基于双干涉信号间相位差的加速度检测系统和方法
。

技术介绍

[0002]光纤传感器以其高灵敏度
、
宽动态范围
、
抗电磁干扰性等优点在许多领域得到了广泛的应用
。
传感领域包括温度，折射率，磁场，应变等；光纤加速度传感器，特别是对于低频波段，在许多应用中发挥了更重要的作用，如桥梁和建筑物健康检查
、
地层移动
、
地震监测等
。
基于双干涉信号间相位差的加速度检测技术为我们的光纤加速度测量领域提供了新的思路，通过椭圆拟合算法，计算出双干涉信号间相位差的变化，利用该相位差变化表征外界的加速度
。
[0003]在光纤干涉传感技术检测加速度信号时，存在以下科学技术问题：受到环境声压信号或温度变化的干扰，测量分辨率较低；光源频率噪声引入干涉信号中的光源相位噪声，抬升了检测系统的本底噪声，降低了加速度测量分辨率；为避免外界信号对参考干涉仪作用而导致测量失真，需对检测系统中参考干涉仪进行加速度和声压信号的隔避，增加了传感系统的复杂性
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于双干涉信号间相位差的加速度检测系统和方法，解决以下技术问题：
[0005]在现有的光纤干涉传感技术检测加速度信号时，加速度测量的灵敏度较低，光源相位噪声
、
环境声压信号噪声或温度变化对加速度信号测量分辨率的影响较大，需要对参考干涉仪设置屏蔽加速度
、
环境声压信号等外界信号的屏蔽设置
。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0007]一种基于双干涉信号间相位差的加速度检测系统，包括：
[0008]干涉仪，用于将激光器发出的光束信号经过分束和耦合，所述干涉仪设置有两个，且每个干涉仪均设置有两个干涉臂，两个所述干涉仪共用一个干涉臂，该干涉臂为共享臂；
[0009]弹性体，两个所述干涉仪的另外两个干涉臂分别缠绕在两个所述弹性体表面，并分别与共享臂在光耦合器处形成两路干涉信号；
[0010]信号发生器，用于发射信号调制激光器的中心频率，所述信号发生器在两路干涉信号中引入相位调制信号；
[0011]光电探测器，用于将两路干涉信号均转换为电信号，所述光电探测器通过光耦合器与两个所述干涉仪连接；
[0012]信号处理模块，用于对两路电信号做基于椭圆拟合算法的相位差解调，得出两路干涉信号的相位差，所述信号处理模块与两个光电探测器连接
。
[0013]作为本专利技术进一步的方案：两个所述弹性体之间设置有夹持质量块，夹持质量块
和两个所述弹性体在加速度的作用下形成推挽式结构
。
[0014]作为本专利技术进一步的方案：两个干涉仪的另外两个干涉臂分别为第一传感臂和第二传感臂，所述第一传感臂和第二传感臂缠绕分别在两个弹性体表面；
[0015]两个所述弹性体表面缠绕的第一传感臂和第二传感臂的缠绕部分的长度和缠绕路线均相同
。
[0016]作为本专利技术进一步的方案：所述第一传感臂的光束信号和第二传感臂的光束信号分别与共享臂的光束信号在光耦合器处形成两路干涉信号
。
[0017]一种基于双干涉信号间相位差的加速度检测方法
,
其特征在于，包括以下步骤：
[0018]S1
：通过激光器发出的光束信号经干涉仪的分束器后，经过缠绕在弹性体外侧的干涉臂后，在光耦合器处相干涉，形成两路干涉信号，并传输到光电探测器；
[0019]S2
：通过信号发生器对激光器的中心频率进行调制；
[0020]S3
：通过光电探测器将所述的两路干涉信号均转换为电信号；
[0021]S4
：通过信号处理模块中的数据采集卡将两路所述电信号均转换为数字信号；
[0022]S5
：通过信号处理模块对两路数字信号做基于椭圆拟合算法的数字化解调，得出两个干涉信号的相位差
β
，并计算得出光纤长度变化量
2*
Δ
L
，通过光纤长度变化量
2*
Δ
L
表征加速度值
。
[0023]作为本专利技术进一步的方案：所述步骤
S1
包括以下步骤：
[0024]通过激光器发出的光束信号经干涉仪的分束器后分为三路光束信号，三路光束信号分别为第一光束信号
、
第二光束信号和第三光束信号；
[0025]所述第一光束信号依次经过两个弹性体中的其中一个弹性体表面缠绕的第二传感臂和光耦合器二，到达光电探测器一；
[0026]所述第二光束信号依次经过另一个弹性体表面缠绕的第一传感臂和光耦合器三，到达光电探测器二；
[0027]所述第三光束信号经光耦合器一分成两束分信号，两束分信号分别经由光耦合器二和光耦合器三到达光电探测器一和光电探测器二；
[0028]所述第一光束信号与第三光束信号在光耦合器二处相干涉，所述第三光束信号与第二光束信号在光耦合器三处相干涉，形成两路干涉信号；
[0029]其中，所述光耦合器包括：光耦合器一
、
光耦合器二和光耦合器三；
[0030]所述光电探测器包括：光电探测器一和光电探测器二
。
[0031]作为本专利技术进一步的方案：所述步骤
S2
中，通过信号发生器对激光器的中心频率进行调制，包括以下步骤：
[0032]所述信号发生器在两路干涉信号中引入相位调制信号，所述相位调制信号幅度大于
π
/2
，且所述相位调制信号的频率处于待测信号的频带之外
。
[0033]作为本专利技术进一步的方案：所述步骤
S3
中，通过光电探测器将所述的两路干涉信号均转换为电信号，包括以下步骤：
[0034]两路干涉信号均转换的电信号，通过以下公式表示：
[0035][0036]其中，
a1
和
a2
分别为两路干涉信号的直流值，
b1
和
b2
分别为两路干涉信号的条纹对比度，
n
为光纤的有效折射率，
L1
和
L2
分别为两个干涉仪的臂长差，
φ1和
φ2分别为两路干涉信号的初始相位差，
β
为两路干涉信号中相位信号之差，即双干涉信号的相位差，
Δ
f
为调制激光器中心频率
f
的幅度，
c
为真空中的光速，
θ
s
为相位调制信号的相位量，
L
代表
L1
和
L2
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于双干涉信号间相位差的加速度检测系统，其特征在于，包括：干涉仪，用于将激光器发出的光束信号经过分束和耦合，所述干涉仪设置有两个，且每个干涉仪均设置有两个干涉臂，两个所述干涉仪共用一个干涉臂，该干涉臂为共享臂；弹性体，两个所述干涉仪的另外两个干涉臂分别缠绕在两个所述弹性体表面，并分别与共享臂在光耦合器处形成两路干涉信号；信号发生器，用于发射信号调制激光器的中心频率，所述信号发生器在两路干涉信号中引入相位调制信号；光电探测器，用于将两路干涉信号均转换为电信号，所述光电探测器通过光耦合器与两个所述干涉仪连接；信号处理模块，用于对两路电信号做基于椭圆拟合算法的相位差解调，得出两路干涉信号的相位差，所述信号处理模块与两个光电探测器连接
。2.
根据权利要求1所述的一种基于双干涉信号间相位差的加速度检测系统
,
其特征在于，两个所述弹性体之间设置有夹持质量块，夹持质量块和两个所述弹性体在加速度的作用下形成推挽式结构
。3.
根据权利要求1所述的一种基于双干涉信号间相位差的加速度检测系统
,
其特征在于，两个干涉仪的另外两个干涉臂分别为第一传感臂和第二传感臂，所述第一传感臂和第二传感臂缠绕分别在两个弹性体表面；两个所述弹性体表面缠绕的第一传感臂和第二传感臂的缠绕部分的长度和缠绕路线均相同
。4.
根据权利要求3所述的一种基于双干涉信号间相位差的加速度检测系统
,
其特征在于，所述第一传感臂的光束信号和第二传感臂的光束信号分别与共享臂的光束信号在光耦合器处形成两路干涉信号
。5.
一种基于双干涉信号间相位差的加速度检测方法
,
其特征在于，包括以下步骤：
S1
：通过激光器发出的光束信号经干涉仪的分束器后，经过缠绕在弹性体外侧的干涉臂后，在光耦合器处相干涉，形成两路干涉信号，并传输到光电探测器；
S2
：通过信号发生器对激光器的中心频率进行调制；
S3
：通过光电探测器将所述的两路干涉信号均转换为电信号；
S4
：通过信号处理模块中的数据采集卡将两路所述电信号均转换为数字信号；
S5
：通过信号处理模块对两路数字信号做基于椭圆拟合算法的数字化解调，得出两个干涉信号的相位差
β
，并计算得出光纤长度变化量
2*
Δ
L
，通过光纤长度变化量
2*
Δ
L
表征加速度值
。6.
根据权利要求5所述的一种基于双干涉信号间相位差的加速度检测方法
,
其特征在于，所述步骤
S1
包括以下步骤：通过激光器发出的光束信号经干涉仪的分束器后分为三路光束信号，三路光束信号分别为第一光束信号
、
第二光束信号和第三光束信号；所述第一光束信号依次经过两个弹性体中的其中一个弹性体表面缠绕的第二传感臂和光耦合器二，到达光电探测器一；所述第二光束信号依次经过另一个弹性体表面缠绕的第一传感臂和光耦合器三，到达
光电探测器二；所述第三光束信号经光耦合器一分成两束分信号，两束分信号分别经由光耦合器二和光耦合器三到达光电探测器一和光电探测器二；所述第一光束信号与第三光束信号在光耦合器二处相干涉，所述第三光束信号与第二光束信号在光耦合器三处相干涉，形成两路干涉信号；其中，所述光耦合器包括：光耦合器一
、
光耦合器二和光耦合器三；所述光电探测器包括：光电探测器一和光电探测器二
。7.
根据权利要求5所述的一种基于双干涉信号间相位差的加速度检测方法
,
其特征在于，所述步骤
S2
中，通过信号发生器对激光器的中心频率进行调制，包括以下步...

【专利技术属性】
技术研发人员：时金辉，俞本立，吴许强，光东，左铖，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：