反射式干涉型光纤传感器系统技术方案

本实用新型专利技术提出了一种反射式干涉型光纤传感器的通用方案。它包括光源、光电探测器、光学器件集成组件、探头以及基于相关调制解调的数字闭环信号处理单元组成。其中光学器件集成组件由第一分光合光器件、Y型Y型光相位调制器、第二分光合光器件、光延迟器组成，作用包括分光合光、光起偏、偏振光分解、和光相位调制。该光纤传感器的通用方案具有互易性光路，提高了传感器对温度、振动等环境因素的抗干扰能力；它采用方波偏置调制结合阶梯波反馈调制的数字闭环微弱信号检测方法，使得传感器由此可以高线性度、高准确度地测得待测物理量大小。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤传感器，尤其涉及反射式干渉型的光纤传感器。
技术介绍
近30年来，光纤传感器技术得到了快速发展，现在已经是传感技术的ー个重要领域，其发展直接影响到许多行业的进歩。与传统的传感器相比，光纤传感器的特点主要包括(I)抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全；(2)灵敏度高；(3)重量轻，体积小，外形可变；(4)测量对象广泛；(5)对被测介质影响小；(6)便于复用，便于成网；(7)成本低等等。由于上述优点，光纤传感器技术在电力、石油化工、生医生化、航空航天、国防、环境保护与检测等诸多领域有广泛的应用或应用前景。它利用外界因素改变光纤中光的強度 (振幅)、相位、偏振态或波长(频率)，具体可測量物理量包括电流、电压、电场、磁场、电功率、温度、应力、应变、振动、速度、角速度、血流、体压、气体浓度等等。但是光纤传感器应用光纤等光学材料作为光传感和传输介质，而光学材料特性一般都容易受到温度、振动、压カ等周围环境的影响。尤其是对于相位调制型光纤传感器而言，相位调制型光纤传感器中的光电子模块容易受到温度、振动、压カ等外界因素干扰，导致其传感精度不良，使用寿命也受到影响。现有的光纤电流传感器技术參见CN100575959C、CN101299147B、CN101364475B、CN101521104B、CN101692401B、CN101915866A、CN101957395A、CN102087307A、CN102082606A坐寸ο本专利技术的目的在于以下几个方面一、采用本专利技术设计的光纤传感器测量范国大，測量范围最大可远远突破干渉信号周期性限制；ニ、采用本专利技术设计的光纤传感器测量灵敏度高；三、采用闭环信号检测方案，保证了采用本专利技术设计的光纤传感器在測量范围都具有很好的测量线性度(即在測量范围内不用校正传感器的标度因素)；四、本专利技术结构简单，光路和电路均易于模块化和集成；五、采用本专利技术设计的光纤传感器光路互易性好，抗干扰能力强；六、采用本专利技术设计的光纤传感器体积小，重量轻，便于组网设计。
技术实现思路
为了简化系统并有效提高系统可靠性，有必要针对传感器的信号处理单元和数据采集单元进行一体化设计，从而保证传感器的集成度和稳定性。鉴于上述情况，本专利技术提供ー种光纤传感器，包括光源、光学器件集成组件、探头、光电探测器、信号处理单元。所述光学器件集成组件中包括Y型光相位调制器；所述光学器件集成组件将光源输出的光线起偏为两束线偏振光并传输至探头；接收从探头处返回的光线并使得返回的光线在所述Y型光相位调制器中发生干渉；将干涉结果输出到光电探测器；接收来自信号处理单元的反馈调制信息；所述光电探測器接收光学器件集成组件的光信号输出，利用光电效应将光信号转换为电信号，将电信号输出到信号处理单元；所述信号处理单元中接收光电探測器的输出的信号，对所述信号进行处理，并将信号处理结果作为反馈调制信息反馈给所述光学器件集成组件。根据本专利技术的ー个方面，所述光学器件集成组件中还包括第一分光合光器件、第二分光合光器件，光延迟器；第一分光合光器件接收光源输出的光线，并将该光线全部或部分地通过光纤输入到Y型光相位调制器；将光路中返回的两束偏振光的干涉结果经过光纤输出到光电探测器；第二分光合光器件接收Y型光相位调制器输出的两束偏振光，并将其转换为模式正交的形式后耦合在同一根保偏光纤中输出到光延迟器；接受钛光延迟器返回的两束模式正交的线偏振光，并将其转换成偏振模式相同的线偏振光后，分解至第二分光合光器件的 两个保偏光纤尾纤回传至Y型光相位调制器；光延迟器在第二分光合光器件至探头之间传输两束模式正交偏振光并调整传感器本征周期的大小。根据本专利技术的ー个方面，所述信号处理单元中还包括放大滤波単元、模数转换单元、数字解调单元、积分单元、数字累加単元、数模转换及驱动单元、数值滤波単元、接ロ转换单元；其中放大滤波単元，对光电探測器的输出电信号进行处理，实现其幅值放大和噪声降低；模数转换单元，接收放大滤波单元的输出，将经过放大滤波的模拟信号转换为数字信号，然后输出到数字解调单元；数字解调单元，接收模数转换单元输出，将经过解调后的数字信号输出到积分单元进行积分运算；积分单元，接收数字解调单元的输出，将解调后的信号进行积分，得到反馈阶梯波的台阶高度信号，并将该信号分别输出给数字累加単元和数值滤波単元；数字累加単元，接收积分単元的输出，并按照时间步长对其进行累加，得到数字阶梯波信号，该数字阶梯波信号与偏置调制方波叠加，叠加结果作为数模转换及驱动单元的输入信号；数模转换及驱动单元，接收数字累加単元的输出，将数字阶梯波与调制方波转换为模拟电信号，然后把该电信号输出给Y型光相位调制器，从而驱动Y型光相位调制器对光信号进行调制，以在两束相干偏振光间引入偏置调制相位和反馈调制相位；数值滤波単元，接收积分単元的输出，对接收到的信号进行滤波，得到滤波结果信号，并将该信号输出到接ロ转换单元；接ロ转换单元，接收数值滤波单元的输出，将该输出信号转换为符合特定格式的输出信号，并以数字信号形式输出。根据本专利技术的ー个方面，所述Y型光相位调制器是Y型集成光学光相位调制器。根据本专利技术的ー个方面，干涉时的相位差始终保持在土 /2左右的干涉最灵敏区域。根据本专利技术的ー个方面，在信号处理单元中，数字解调单元、积分单元、数值滤波単元集成为独立的数字处理单元。如附图所示，根据下文对最佳实施方式的详细描述，本专利技术公开的这些和其他目的、特征和优点将更为明显。附图说明图I是本专利技术的光纤传感器一个实施例的结构示意图；图2是光纤传感器中进行方波调制的原理图；图3是对阶梯波进行调制的波形示意图；图4是对信号进行解调的波形示意图。具体实施方式图I是本专利技术所涉及的反射式相位调制型光纤传感器的一个实施例的示意图。根据该实施例，该光纤传感器包括光源、第一分光合光器件(即图I中的分光合光器件I)、Y型光相位调制器、第二分光合光器件(即图I中的分光合光器件2)、光延迟器、光电探测器、放大滤波单元、模数转换单元、数字解调单元、积分单元、数字累加単元、数模转换及驱动单元、数值滤波单元、接ロ转换单元。由于本专利技术所设计的传感器可以用作通用传感器，因此其中的探头的作用是对待 测量进行检测，探头的构成可根据具体待測量种类而定。比如測量电压的探头，它就主要有电光调制晶体构成。至于测定其它的待測量，则本领域的技术人员可以根据需要而自行选取相应的探头，因此本专利技术的重点不在于探头本身的改进，下文对探头结构及其组成不再详叙。在该实施例中，第一分光合光器件、Y型光相位调制器、第二分光合光器件、光延迟器既可以统ー集成为ー个独立的光学组件，称为光学器件集成组件，也可以按照设计需求，将这些器件组成多个组件，以提高系统的集成程度，便于组件的生产，也有利于提高组件的可替换性。在优选的情况下，第一分光合光器件、Y型光相位调制器、第二分光合光器件、光延迟器构成模块化的光学器件集成组件。在该实施例中，放大滤波单元、模数转换单元、数字解调单元、积分单元、数字累加単元、数模转换及驱动单元、数值滤波単元、接ロ转换单元既可以统ー集成为ー个独立的信号处理模块，称为信号处理单元(即图I中的闭环信号处理单元)，也可以按照设计需求，将这些器件组成多个组件，以提高系统的集成程度，便于组件的生产本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种反射式干涉型光纤传感器系统，包括光源、光学器件集成组件、探头、光电探测器、信号处理单元，其特征在于，所述光纤传感器为反射式干涉型光纤传感器；所述光纤传感器中，两束模式正交的线偏振光沿同一根保偏光纤的两个正交模式传输至探头，并在探头内发生反射并使得两束光的正交模式互换，之后沿原光路返回；所述光学器件集成组件中包括Y型光相位调制器；所述光学器件集成组件将光源输出的光线起偏为两束线偏振光并传输至探头；接收从探头处返回的光线并使得返回的光线在所述Y型光相位调制器中发生干涉；将干涉结果输出到光电探测器；接收来自信号处理单元的反馈调制信息；所述光电探测器接收光学器件集成组件的光信号输出，利用光电效应将光信号转换为电信号，将电信号输出到信号处理单元；所述信号处理单元中接收光电探测器的输出的信号，对所述信号进行处理，并将信号处理结果作为反馈调制信息反馈给所述光学器件集成组件中的Y型光相位调制器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：石金华，
申请(专利权)人：扬州永阳光电科贸有限公司，
类型：实用新型
国别省市：