一种基于光电振荡器的振动传感装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光电振荡器的振动传感装置。
【背景技术】
[0002] 光纤传感器具有信噪比高，灵敏度高，稳定性强，耐腐蚀等特点，广泛应用于应力， 温度，振动，电场等参数的测量，特别是恶劣环境下传统传感器已经无法胜任的领域，如核 电、矿井、油井，大型发电机组等强辐射与电磁干扰环境下的测量。
[0003] 光纤传感器可分为无源与有源两大类。典型的无源传感器包括以光纤为传感元件 和以光纤光栅为传感元件的传感器。前者原理为：外界物理量变化导致光纤折射率变化，从 而使其内传输的光信号的参数（相位、偏振态等）发生变化，并通过干涉检测得到待求物理 量。该类传感器灵敏度高，但易受外界环境与光源光强波动的干扰，一般需通过正交解调等 技术来改善其稳定性；另外，该类传感器工作于其传递函数的正交点上，动态范围非常小。 以光纤光栅为传感元件的传感器原理为：外界物理量变化导致光栅布拉格波长变化，通过 解调光栅反射或者透射光谱即可得到待求物理量。该类传感器结构简单，易复用，但其长期 漂移较大且解调系统复杂昂贵。
[0004] 常见的有源光纤传感器如光电振荡器传感器，光纤激光器传感器等。该类传感器 利用振荡器的谐振腔作为敏感元件，当施加在谐振腔上的物理量变化时，谐振腔光纤由于 热光效应、弹光效应等，其折射率发生变化，即等效腔长发生变化，腔内固有模式间隔也相 应地变化，通过解调其振荡频率即可得到待测物理量。不同于干涉型强度解调传感器，该类 传感器将传感信号编码在振荡频率上，不受激光器光强波动的影响。其中基于光纤激光器 的传感器因其振荡信号为光信号，为实现解调需要工作于多模状态并拍频，然而多模拍频 信号在高频率处的信噪比不高，其灵敏度受到限制。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于光电振荡器的振动 传感装置，能够实现对振动信号的高灵敏度，高动态范围的解调。
[0006] -种基于光电振荡器的振动传感装置，包括：激光器、一分二的光親合器、光移相 器、传感头、偏振控制器、马赫-增德尔调制器、二合一的光耦合器、储能光纤、光电探测器、 带通滤波器、射频放大器、3dB功分器、参考振荡器、混频器、低通滤波器、模数转换器和上位 机；其中：
[0007] 所述的激光器用于产生激光；
[0008] 所述一分二的光親合器用于将所述的激光分为传感光路和参考光路；
[0009] 所述的光移相器用于对所述传感光路的光载波进行移相；
[0010] 所述的传感头用于拾取外部振动信息，从而对光移相器输出传感光路的光载波进 行相位调制，得到含有振动信息的相移光载波信号；
[0011] 所述的偏振控制器用于调节参考光路的偏振态；
[0012] 所述的马赫-增德尔调制器用于将3dB功分器输出的一路振荡信号B调制到偏振 控制器输出的参考光路的光载波上，得到抑制光载波的正负一阶边带光信号；
[0013] 所述二合一的光耦合器用于将所述的相移光载波信号和正负一阶边带光信号合 成为一路相移载波双边带调制光信号；
[0014] 所述的储能光纤用于对所述的相移载波双边带调制光信号进行延时；
[0015] 所述的光电探测器用于将延时后的相移载波双边带调制光信号转换成振荡信号 A；
[0016] 所述的带通滤波器用于对所述的振荡信号A进行带通滤波；
[0017] 所述的射频放大器用于对滤波后的振荡信号A进行功率放大；
[0018] 所述的3dB功分器用于将放大后的振荡信号A分为等功率的两路振荡信号B，一路 送至马赫-增德尔调制器的射频输入口，另一路送至混频器；
[0019] 所述的参考振荡器用于产生与振荡信号B频率相同的参考振荡信号；
[0020] 所述的混频器用于使振荡信号B与参考振荡信号进行鉴相，输出一路低频的鉴相 信号；
[0021] 所述的低通滤波器用于对所述的鉴相信号进行低通滤波，得到解调电压信号；
[0022] 所述的模数转换器用于对所述的解调电压信号进行模数转换，得到数字信号；
[0023] 所述的上位机用于对所述的数字信号进行解析，提取得到振动信息。
[0024] 进一步地，所述的激光器采用窄线宽半导体激光器；利用窄线宽半导体激光器所 产生的激光具有较低的相对强度噪声，有利于降低光电振荡器的相位噪声。
[0025] 进一步地，所述的储能光纤采用单模光纤；成本低廉，对于频率较高的待测振动信 号具有较好的灵敏度。
[0026] 进一步地，所述的低通滤波器采用有源低通滤波器，可提供大于20dB的增益，以 保证锁相环路的锁定带宽。
[0027] 进一步地，所述的光移相器利用所述的解调电压信号对传感光路的光载波进行移 相。
[0028] 进一步地，所述的马赫-增德尔调制器工作在预设的最小偏置点上，将3dB功分器 输出的一路振荡信号B调制到偏振控制器输出的参考光路的光载波上，得到抑制载波的双 边带信号与传感光路的相移载波拍频时其输出信号只有相位变化，没有强度变化，克服了 普通铌酸锂马赫增德尔调制器的传输响应随偏置点变化的缺点。
[0029] 进一步地，所述的激光器、一分二的光親合器、光移相器、传感头、偏振控制器、马 赫-增德尔调制器、二合一的光耦合器、储能光纤、光电探测器、带通滤波器、射频放大器和 3dB功分器组成一光电振荡器；光电振荡器能够克服光纤激光器测振中所存在的灵敏度与 信噪比之间的矛盾，且光电振荡器输出信号信噪比高，相位噪声低，能够提高测量分辨率。
[0030] 进一步地，所述一分二的光耦合器与光移相器组成了一个Y波导相位调制器；外 界振动信号会对传感光路进行移相，Y波导相位调制器对该相移进行补偿以使光电振荡器 的振荡频率保持不变。
[0031] 进一步地，所述的光电振荡器、参考振荡器、混频器和低通滤波器组成了一锁相 环，其用于解调光电振荡器输出的调频信号。
[0032] 进一步地，所述的带通滤波器采用窄带带通滤波器，其带宽小于光电振荡器的基 模频率。
[0033] 进一步地，所述参考振荡器的频率等于光电振荡器无传感信号时的自由振荡频 率，在此条件下低通滤波器输出电压正比于瞬时振动量。
[0034] 本发明通过Y波导相位调制器将光源的光分成传感光路与参考光路，振动信号调 制传感光路的相位得到相移载波，该载波与参考光路的抑制载波双边带信号经光耦合器合 路后构成了光纤马赫增德尔调制器，该调制器输出信号在光电探测器中拍频后得到相位随 振动信息调制的射频信号，从而使光电振荡器的振荡信号被调频。该调频信号经过由参考 振荡器，混频器，低通滤波器以及光电振荡器构成的锁相环鉴频后得到传感信号输出。
[0035] 本发明采用光纤马赫增德尔调制器的一臂作为传感头，能够提高振动信号检测的 灵敏度，提高检测精度。与其他无源光纤传感器相比，本发明装置将振动信息编码在振荡信 号的频率上而非强度上，因此对光源功率波动的影响不敏感；与基于光纤激光器的光纤传 感器方案相比，本发明装置的灵敏度更高，且其灵敏度与振荡频率无关，可采用低成本的低 频器件实现，实用性强。
【附图说明】
[0036] 图1为本发明振动传感装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0037] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及【具体实施方式】对本发明的技术方案 进行详细说明。
[0038] 如图1所示，本发明基于光电振荡器的振动传感装置，包括：光电振荡器、混频器 14、微波信号源13、有源低通滤波器15、采集卡16以及计算机17等构成的锁相环解调装 置。其中光电振荡器包括：激光器1、Y波导相位调制器2, 3、传感头4、偏振控制器5、铌酸 锂马赫增德尔调制器6、2X1光耦合器7、储能光纤8、光电探测器9、带通滤波器10、射频放 大器ll、3dB射频耦合器12。
[0039] 本实施方式中，激光器1是具有3kHz线宽的半导体激光器，其输出光为相干光，具 有很低的相对强度噪声与良好的抗环境干扰能力。激光器1的输出光经Y波导相位调制器 后分成等功率的两路光，其中参考光路由偏振控制器5调整偏振态后进入铌酸锂马赫增德 尔调制器6,以获得最小的偏振相关损耗。马赫增德尔调制器6为铌酸锂电光强度调制器， 通过调节其偏置端口使其工作于最小输出点，可获得抑制载波的双边带调制。
[0040] 传感光路经过光移相器3进入传感