【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及振动传感，更具体地，涉及一种基于原子频标的高温光纤振动传感器校准装置及方法。
技术介绍
1、振动传感器作为一种捕获环境振动信息检测装置，在航空航天试验器、工业领域中石油天然气开采、交通运输中的结构健康监测、地质灾害预警、以及地下矿井安全监测等领域有着巨大的应用前景和市场需求。准确获取振动加速度、频率等参数对保障设备结构的安全、稳定和可靠运行至关重要，尤其是在高温环境下。传统的商用电学振动传感器主要包括磁电式、压电式、电容式、电阻式，其共同点是抗电磁干扰能力差、测量频带窄、灵敏度低、需要供电、无法满足航空航天等高温恶劣环境中对振动的测量需求。因此，对适用于高温环境的振动传感测试方法提出迫切需求。
2、近年来，随着光电子技术和光纤传感技术的快速发展，光纤传感器以其抗电磁干扰能力强、灵敏度高、本质无源、耐高温等优势，成为探索高温振动传感器的首选。由于光纤振动传感器敏感元件的弹性模量、热传导系数、热膨胀系数、光折射率等物理性质在不同温度下会有较大差异，特别是在高温下可能会发生蠕变，所以目前国内外商用振动传感器均存在高温高压等极端环境下测不了、测不准、无法自校准等问题。
3、基于此，有必要提供一种可以对高温振动传感器进行实时自校准的方法以及相应的装置，以解决上述问题。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中振动传感器在高温高压的极端环境下无法准确测量振动信号的技术问题，本专利技术提出了一种基于原子频标的高温光纤振动传感器校准装置及方法，以实现振动信号的准确
2、为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于原子频标的高温光纤振动传感器校准装置，包括第一光源、光隔离器、分束器、二次谐波产生器、锁频装置、滤波模块、相位调制器、第二光源、环形器、光谱仪和计算单元；
3、所述第一光源输出的激光经光隔离器后被分束器分为两束，一束经二次谐波产生器进行倍频后，产生二次谐波信号经滤波模块后发送至所述锁频装置，所述锁频装置的输出端与所述第一光源的控制端连接；所述锁频装置用于接收二次谐波信号，并根据二次谐波信号输出锁频信号进而将第一光源输出的激光频率锁定在原子跃迁线上；另一束经相位调制器进行调制产生边带后入射至光谱仪得到原子频率标尺光谱信号；
4、所述第二光源输出的超辐射宽带光源经环形器后入射至光纤振动传感器，光纤振动传感器中产生的传感信号经所述环形器后入射至光谱仪得到振动光谱信号；
5、所述光谱仪的输出端与计算单元连接，所述计算单元用于根据所述原子频率标尺光谱信号对振动光谱信号进行频率校准，得到校准后的自由光谱区，并根据校准后的自由光谱区，得到校准后的振动加速度和频率。
6、所述锁频装置包括：饱和吸收光谱装置、锁相放大器、混频器和反馈环路，锁相放大器用于输出正弦调制信号对第一光源输出的激光信号进行调制；二次谐波产生器输出的二次谐波信号经所述滤波模块滤波后入射到饱和吸收光谱装置，饱和吸收光谱装置产生的饱和吸收光谱与锁相放大器输出的正弦调制信号经混频器后产生混频信号，混频信号经所述反馈环路反馈至第一光源的调制端口，对其输出激光频率进行稳定。
7、所述饱和吸收光谱装置包括偏振分光棱镜、四分之一波片、原子气室、磁屏蔽筒、衰减片、零度高反镜和光电探测器；所述磁屏蔽筒用于放置原子气室以隔离原子气室周围环境中的电磁干扰；
8、所述二次谐波产生器输出的二次谐波信号与原子气室内的原子跃迁共振，经所述滤波模块后依次经偏振分光棱镜、四分之一波片后变成圆偏振光，然后进入原子气室，经过原子气室的二次谐波信号经衰减片后入射至零度高反镜，经零度高反镜反射后，沿原路依次返回衰减片、原子气室、四分之一波片和偏振分光棱镜，然后经偏振分光棱镜后被所述光电探测器探测，得到饱和吸收光谱。
9、所述原子气室内的原子为铷原子，所述第一光源输出激光的波长为1560.50nm。
10、所述滤波模块包括第一双色镜和第二双色镜，所述第一双色镜和第二双色镜对第一光源输出激光的透射率大于99%，对二次谐波产生器产生的二次谐波信号的反射率大于99%。
11、所述的一种基于原子频标的高温光纤振动传感器校准装置，还包括信号发生器；所述信号发生器的输出端与所述相位调制器的电输入端连接，用于向所述相位调制器输入驱动调制信号；所述相位调制器为光纤相位调制器。
12、所述的一种基于原子频标的高温光纤振动传感器校准装置，还包括控温精度为0.01℃的控温仪，所述控温仪用于对所述二次谐波产生器进行温度控制使其工作在最佳相位匹配温度点。
13、此外，本专利技术还提供了一种基于原子频标的高温光纤振动传感器校准方法，基于所述的一种基于原子频标的高温光纤振动传感器校准装置实现，包括以下步骤：
14、步骤1：开启装置，通过光谱仪分别采集原子频率标尺光谱信号和光纤振动传感器输出的振动光谱信号；
15、步骤2：获取相位调制器的调制频率ω，并获取原子频率标尺光谱信号中载波与一级边带之间的频率差ω’，以及振动光谱信号中对应的自由光谱区fsr’，计算自由光谱区修正值fsr；计算公式为：
16、fsr/fsr’=ω/ω’；
17、步骤3：根据自由光谱区修正值fsr计算光纤振动传感器中的fp腔的腔长 l，计算公式为：
18、；
19、其中， c表示真空中光速， n表示介质折射率；
20、步骤4：根据加速度与腔长 l的标定关系，得到振动加速度大小，并根据振动光谱信号确定振动频率。
21、所述步骤1具体包括以下步骤：
22、步骤101：开启第一光源和二次谐波产生器；
23、步骤102：通过所述锁频装置将第一光源输出的激光频率锁定在原子跃迁线上；
24、步骤103：开启相位调制器，以使其输出激光两侧形成边带，通过所述光谱仪获取用于校准的原子频率标尺光谱信号；
25、步骤104：开启第二光源，使处于高温振动环境的光纤振动传感器工作，通过所述光谱仪获取振动光谱信号。
26、本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：
27、1、本专利技术利用原子跃迁线作为绝对频率标准，对光纤振动传感器输出的光谱信号进行校准，解决了激光中心波长的快速抖动引起光谱仪获得的光谱展宽导致校准误差大的问题，从而改善光谱测量的精度，以提高振动传感器的校准精度。
28、2、本专利技术通过利用相位调制器在激光载波的两侧对称位置处产生的正负一级边带与其构成了频率标尺，可以对振动信号解调设备采集到的光纤振动传感器输出的多光束干涉光谱信号中的腔长变化信息进行实时校准，从而实时准确获取周围环境中的振动信息，有效解决了传统振动传感器在高温高压等恶劣环境下无法自校准的难题，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于原子频标的高温光纤振动传感器校准装置，其特征在于，包括第一光源（101）、光隔离器（102）、分束器（103）、二次谐波产生器（104）、锁频装置（119）、滤波模块（118）、相位调制器（208）、第二光源（201）、环形器（202）、光谱仪（206）和计算单元（207）；
2.根据权利要求1所述的一种基于原子频标的高温光纤振动传感器校准装置，其特征在于，所述锁频装置（119）包括：饱和吸收光谱装置（117）、锁相放大器（114）、混频器（115）和反馈环路（116），锁相放大器（114）用于输出正弦调制信号对第一光源（101）输出的激光信号进行调制；二次谐波产生器（104）输出的二次谐波信号经所述滤波模块（118）滤波后入射到饱和吸收光谱装置（117），饱和吸收光谱装置（117）产生的饱和吸收光谱与锁相放大器（114）输出的正弦调制信号经混频器（115）后产生混频信号，混频信号经所述反馈环路（116）反馈至第一光源（101）的调制端口，对其输出激光频率进行稳定。
3.根据权利要求2所述的一种基于原子频标的高温光纤振动传感器校准装置，其特征在
4.根据权利要求3所述的一种基于原子频标的高温光纤振动传感器校准装置，其特征在于，所述原子气室（109）内的原子为铷原子，所述第一光源（101）输出激光的波长为1560.50nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于原子频标的高温光纤振动传感器校准装置，其特征在于，所述滤波模块（118）包括第一双色镜（105）和第二双色镜（106），所述第一双色镜（105）和第二双色镜（106）对第一光源（101）输出激光的透射率大于99%，对二次谐波产生器（104）产生的二次谐波信号的反射率大于99%。
6.根据权利要求1所述的一种基于原子频标的高温光纤振动传感器校准装置，其特征在于，还包括信号发生器（209）；所述信号发生器（209）的输出端与所述相位调制器（208）的电输入端连接，用于向所述相位调制器（208）输入驱动调制信号；
7.根据权利要求1所述的一种基于原子频标的高温光纤振动传感器校准装置，其特征在于，还包括控温精度为0.01℃的控温仪，所述控温仪用于对所述二次谐波产生器（104）进行温度控制使其工作在最佳相位匹配温度点。
8.一种基于原子频标的高温光纤振动传感器校准方法，其特征在于，基于权利要求1~7任一项所述的一种基于原子频标的高温光纤振动传感器校准装置实现，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的一种基于原子频标的高温光纤振动传感器校准方法，其特征在于，所述步骤1具体包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于原子频标的高温光纤振动传感器校准装置，其特征在于，包括第一光源（101）、光隔离器（102）、分束器（103）、二次谐波产生器（104）、锁频装置（119）、滤波模块（118）、相位调制器（208）、第二光源（201）、环形器（202）、光谱仪（206）和计算单元（207）；
2.根据权利要求1所述的一种基于原子频标的高温光纤振动传感器校准装置，其特征在于，所述锁频装置（119）包括：饱和吸收光谱装置（117）、锁相放大器（114）、混频器（115）和反馈环路（116），锁相放大器（114）用于输出正弦调制信号对第一光源（101）输出的激光信号进行调制；二次谐波产生器（104）输出的二次谐波信号经所述滤波模块（118）滤波后入射到饱和吸收光谱装置（117），饱和吸收光谱装置（117）产生的饱和吸收光谱与锁相放大器（114）输出的正弦调制信号经混频器（115）后产生混频信号，混频信号经所述反馈环路（116）反馈至第一光源（101）的调制端口，对其输出激光频率进行稳定。
3.根据权利要求2所述的一种基于原子频标的高温光纤振动传感器校准装置，其特征在于，所述饱和吸收光谱装置（117）包括偏振分光棱镜（107）、四分之一波片（108）、原子气室（109）、磁屏蔽筒（110）、衰减片（111）、零度高反镜（112）和光电探测器（113）；所述磁屏蔽筒（110）用于放置原子气室（109）以隔离原子气室（109）周围环境中的电磁干扰；...
【专利技术属性】
技术研发人员：白建东，郑永秋，曹盛洁，陈佳敏，薛晨阳，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
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