专利名称：基于一种新型解调方法的光纤加速度传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于非对称性3X3耦合器输出信号的无载波解调的光纤加速度传感器。
背景技术：
现有的加速度传感器都是利用压扁效应，使电场或磁场发生变化而测量加速度的。而周围环境中存在的电磁场对加速度传感器干扰很大，所以现有的加速度传感器对工作环境要求较高，而且测量精度低，很难测出微弱的加速度信号。干涉型光学传感器(如光纤加速度传感器)能够达到很高的灵敏度，可以用来探测微弱的物理量(如加速度)而且光信号不受环境电磁场的干扰，对工作环境要求不高。 在实际应用中，必须用适当的信号处理技术自动且线性地将被测信号提取出来。目前，应用较多的相位检测方法是相位生成载波算法，其中包括零差法、合成外差法、交流相位跟踪法等。相比而言，3X3耦合器法输出信号可靠稳定，且不需要在光路部分引入载波调制，使得系统已调信号频率降低，因而系统的采样频率可以降低，有利于数字解调系统的设计；同时光路部分相对简单，有利于集成光学传感器的研发。现有的光纤加速度传感器采用的是基于对称性3X3耦合器输出信号无载波解调方法，该方法假设传感系统是在对称性设计的基础上进行的。但是由于工艺等原因，传感系统很难达到理想的严格对称性，所以现有的对称性3X3耦合器输出信号无载波解调方法对3 X 3耦合器的对称性以及PIN探测器和前置放大器的性能具有很高的要求，不利于在实际中广泛地应用。
发明内容本实用新型目的是克服现有加速度传感器容易受到环境中电磁信号的干扰，测量精度不高，工作环境要求严格的不足，提供测量精度高、环境适应性强、使用简便的基于一种新型解调方法的光纤加速度传感器。本实用新型为解决其技术问题采用的方案是光纤加速度传感器，由传感探头、探测器和解调器构成；所述的传感探头由采用基于非对称性3X3耦合器的光纤M-Z干涉仪和简谐振子组成，光纤M-Z干涉仪的输入端是一只1 X 2耦合器，输出端是一只非对称性3 X 3 耦合器，简谐振子加在光纤M-Z干涉仪的信号臂上；传感探头的三路信号输出分别经第一探测器、第二探测器和第三探测器与解调器的三个输入端相连；所述的解调器包括三路A/ D转换器，三路A/D转换器的输入端作为解调器的三个输入端，三路A/D转换器的输出端连接数字信号处理器。激光器发出的一束光经1X2耦合器分成两路，当外界产生震动的加速度信号，简谐振子会将震动信号转化为光纤的形变进而导致光纤中的光产生相位差，根据干涉仪原理两路信号会在3X3耦合器中发生干涉，从而将光的相位变化转化为光强变化， 并输出三路光信号，该三路光信号分别由三个探测器将光信号转化为电信号并传输到解调器的输入端三个A/D转换器中，三个A/D转换器将模拟电信号转化为数字信号，并传输到解调器中的数字信号处理器中进行数字解调，从而得到外界的加速度信号。所述的简谐振子包括壳体，信号臂光纤由壳体穿过，信号臂光纤上设置质量块，该质量块两侧通过横向限制弹簧连接块状弹簧，块状弹簧固定在质量支架上。当外界有震动的加速度信号产生，简谐振子中的横向限制弹簧和块状弹簧会随震动发生形变，感性变会导致质量块产生位移，进而使插在质量块中的光纤发生形变。本实用新型的优点和有益效果本实用新型的光纤加速度传感器，能够很好的解决现有加速度传感器容易受到环境中电磁信号的干扰，测量精度不高，工作环境要求严格的问题，同现有加速度传感器相比降低了对传感系统的工艺要求，现实中更容易实现，对工作环境要求低。并且把解调工作放到了数字信号处理器中，对信号的解调实时性好，精度高。同时可以将解调数据通过网络上传给其他客户端，方便以后的传感器组网。本实用新型可以应用于石油勘探，房屋、桥梁等建筑物的检测等多个领域。
图1为光纤加速度传感器结构图。图中，1为激光器，2为1 X 2耦合器，3为信号臂，4为参考臂，5为简谐振子，6为非对称性3 X 3耦合器，7为第一探测器，8为第二探测器，9为第三探测器，10为解调器，10-1 为三路A/D转换器，10-2为数字信号处理器。图2为简谐振子结构示意图。图中，5-1为壳体，5-2为块状弹簧，5-3为信号臂光纤，5-4为质量支架，5-5为横向限制弹簧，5-6为质量块。图3为数字信号处理器的解调框图。
具体实施方式
以下结合附图，具体说明本实用新型提供的基于非对称性3X3耦合器输出信号的无载波解调算法的光纤加速度传感器的构成和解调原理。如图1所示，本实用新型的光纤加速度传感器由传感探头、探测器及解调器构成。 传感探头由采用基于非对称性3 X 3耦合器的光纤M-Z干涉仪和简谐振子组成，光纤M-Z干涉仪的输入端是一只1X2耦合器2，输出端是一只非对称性3X3耦合器6，简谐振子5设置在干涉仪的信号臂3上。传感探头的三路信号输出分别经第一探测器7、第二探测器8和第三探测器9后送入解调器10的三个输入端；所述的解调器包括三路A/D转换器10-1，三路A/D转换器的输入端作为解调器的三个输入端，三路A/D转换器的输出端连接数字信号处理器10-2，测得的加速度值由解调器输出。如图2所示，所述的简谐振子包括壳体5-1，信号臂光纤5-3由壳体穿过，信号臂光纤上设置质量块5-6，该质量块两侧通过横向限制弹簧5-5连接块状弹簧5-2，块状弹簧固定在质量支架5-4上。测量过程及原理被测信号加在干涉仪的信号臂3上，当外部施加震动时，简谐振子5中的块状弹簧 5-2和横向限制弹簧5-5随震动产生形变，从而使质量块5-6产生位移，穿过质量块5-6的信号臂光纤5-3随着产生的位移而发生形变，信号臂光纤5-3中的光相位发生变化，从而实现简谐振子5把加速度变化转化为信号臂中光信号的相位变化。在非对称性3X3耦合器中，信号臂3和参考臂4的两束光发生干涉，将相位变化转换为光强变化。由三路PIN探测器将光强信号转换为电信号。经三路A/D转换器10-1采样送至数字信号处理器10-2中进行数字信号处理。该数字信号处理器由ARM+DSP双CPU处理器构成(数字信号处理器也可以采用其他方案实现，如SOPC技术等)，根据非对称性3X3耦合器输出信号的无载波解调算法对数字信号进行解调。解调出的一个与外部加速度信号成线性关系的信号可以通过网络上传给其他客户端，也可以经D/A转化成电压信号输出，供分析仪器使用。如图3所示，非对称性3 X 3耦合器输出信号的无载波解调算法包括分为去除直流分量、核心解调和自动增益控制(AGC)三个部分，由于得到的三路信号是非对称的，所以在数字解调算法中，要去除由于信号不对称对解调结果的影响。1.将耦合器三路输出中的直流部分去除非对称情况下，经图1所示的M-Z干涉仪中的非对称性3 X 3耦合器得到分别带有直流分量C1, C2, C3的三路输出信号U1 = C^B1 cos Φu2 = C2+B2 cos (Φ-2 π /3- δ》U3 = C3+B3 cos (Φ+2 π /3+ δ 2)其中，C”Bi, δ δ2( = 1,2,3)为常量。C1 乒 C2 乒 C35B1 ^ B2 ^ B3, S1^ δ 2。 三路输出信号之和为Ui+^+Ug = {Ci+^+Cg+ffiCOS [Φ (t)-Aj}其中，
权利要求1.基于一种新型解调方法的光纤加速度传感器，其特征在于该传感器由传感探头、探测器和解调器构成；所述的传感探头由采用基于非对称性3X3耦合器的光纤M—Z干涉仪和简谐振子组成，光纤M—Z干涉仪的输入端是一只1 X 2耦合器，输出端是一只非对称性 3 X 3耦合器，简谐振子加在光纤M_Z干涉仪的信号臂上；传感探头的三路信号输出分别经第一探测器、第二探测器和第三探测器后送入解调器的三个输入端；所述的解调器包括三路A/D转换器，三路A/D转换器的输入端作为解调器的三个输入端，三路A/D转换器的输出端连接数字信号处理器，测得的加速度值由解调器输出。
2.根据权利要求1所述的光纤加速度传感器，其特征在于，所述的简谐振子包括壳体， 信号臂光纤由壳体穿过，信号臂光纤上设置质量块，该质量块两侧通过横向限制弹簧连接块状弹簧，块状弹簧固定在质量支架上。
专利摘要基于一种新型解调方法的光纤加速度传感器由传感探头、探测器和解调器构成；传感探头由基于非对称性3×3耦合器的光纤M—Z干涉仪和简谐振子组成，简谐振子加在干涉仪的信号臂上；传感探头的三路信号输出分别经三个探测器后送入解调器的三个输入端；解调器包括三路A/D转换器和数字信号处理器，测得的加速度值由解调器输出。当外部施加震动时，简谐振子使得信号臂中的光相位产生变化。参考臂和信号臂在3×3耦合器内发生干涉，将相位变化转换成光强变化，输出的光强信号经探测器转化为电信号，传输给解调器。解调器可对三路非对称信号进行解调、频谱分析显示及网络传输控制等。该传感器对信号的解调实时性好，精度高。可应用于石油勘探，建筑检测等领域。
文档编号G01P15/093GK202066872SQ20112011130
公开日2011年12月7日 申请日期2011年4月15日 优先权日2011年4月15日
发明者尉春华, 王峰, 王金海, 田倩倩, 郑羽 申请人:天津工业大学