一种高动态响应的FBG应变测量装置的制作方法

本发明属于光纤传感及特性测试技术，具体为一种高动态响应的fbg应变测量装置。

背景技术：

目前，常见的光纤bragg光栅(fbg)动态应变传感解调技术有边缘滤波解调法、可调谐f-p滤波器解调法、匹配光纤光栅调谐滤波解调、非平衡迈克尔逊干涉仪解调法和非平衡m-z干涉仪解调法。干涉法比较容易受到外界环境变化的影响，因此具有极高的检测灵敏度，并且适用于动态测量，其中，非平衡m-z干涉仪解调法对检测微弱的动态bragg波长移动是非常灵敏的。

专利号cn103438939a公开了一种fbg波长解调仪的应变检测装置及方法，其检测方法为：当fbg传感器与待测材料接触时，fbg输出反射光信号至与其连接的ch端口，再经耦合器输出至rj45以太网口，经计算机计算并显示结果。该方法同样使用光纤bragg光栅传感器对应变进行监测，但是其使用可调光纤f-p滤波器解调法并且采用数据采集卡进行信号采集，虽然其测量范围较大，但是不适合于动态环境，分辨率和灵敏度不高，频响和采集速度也不高，且投入成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高动态响应的fbg应变测量装置。

实现本发明目的的技术方案为：一种高动态响应的fbg应变测量装置，包括单模隔离器、1×2光纤耦合器、fbg传感器、非平衡m-z干涉仪、三路信号调理电路、信号采集单元以及解调模块，所述单模隔离器正对光源设置，其输出端与1×2光纤耦合器的a信号端连接，所述fbg传感器与1×2光纤耦合器的b信号端连接，所述非平衡m-z干涉仪用于将1×2光纤耦合器的c端口输出的带有传感信息的光信号解调成三路相位差互为120°的光信号；所述三路信号调理电路，分别用于将解调后的三路光信号转换为电信号并对其进行放大、滤波，所述信号采集单元用于采集放大、滤波后的电信号并将其传送给解调模块；所述解调模块用于对电信号解调得到应变量。

优选地，所述非平衡m-z干涉仪包括2×2光纤耦合器、3×3光纤耦合器，所述2×2光纤耦合器的d输入端与所述1×2光纤耦合器的c端口连接，所述2×2光纤耦合器的两路光信号输出端分别与所述3×3光纤耦合器的其中两路光信号输入端连接，所述3×3光纤耦合器的三路光信号输出端与分别与三路信号调理电路对应连接。

优选地，所述fbg传感器的光栅在23℃到27℃的环境下中心波长为1551.5nm，光栅长度为10mm，带宽为0.14nm，最大反射率为0.96，所述非平衡m-z干涉仪的臂长差最大为5.5mm。

优选地，所述每路信号调理电路包括依次连接的光电转换电路、前置放大电路和多级放大电路。

优选地，所述信号采集单元包括三路a/d转换电路、fpga模块以及dsp模块，所述三路a/d转换电路用于将三路信号调理电路得到的模拟电信号转换为可供dsp采集的数字信号；所述fpga模块用于为所述dsp模块的上电、产生时序以及逻辑控制，fpga模块与dsp模块通过emif进行通讯，fpga模块作为协同处理器，dsp模块作为主处理器，dsp模块采集到的数据传送给解调模块。

优选地，所述解调模块设置在pc机上。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1)本发明中fbg传感器接收应变量信息、电信号采集以及远程传输至pc机，都能够远程操作、实时控制；

2)本发明适用于测量动态信号，且结构简单，无需使用载波信号；

3)本发明的fbg传感器可实现对应变量的快速测量，对电信号的高速采集，且整体装置的体积较小，方便携带，可应用在强电磁干扰、高电压等恶劣环境下，有较高的精度和较大的动态范围。

附图说明

图1是本发明装置的结构图。

图2是信号调理电路图，其中，图2(a)为前置放大电路，图2(b)为多级放大电路。

图3是信号采集单元示意图，其中，图3(a)为dsp芯片及其外设示意图，图3(b)为fpga芯片及其外设示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种高动态响应的fbg应变测量装置，包括单模隔离器1、1×2光纤耦合器2、fbg传感器3、非平衡m-z干涉仪、三路信号调理电路、信号采集单元以及解调模块，所述单模隔离器1正对光源设置，其输出端与1×2光纤耦合器2的a信号端连接，所述fbg传感器3与1×2光纤耦合器2的b信号端连接。

在某些实施例中，fbg传感器设置在待测材料表面上，由os8143型ase(放大自发辐射)宽带光源发出一束中心波长为1550nm的宽带光，经单模隔离器1、1×2光纤耦合器2入射至fbg传感器3，当外界环境参量(应变)发生变化时，bragg波长会发生偏移，导致fbg反射光信号的中心波长发生相应偏移，然后带有动态应变传感信息的光信号反射进非平衡m-z干涉仪中。单模隔离器阻止fbg反射光进入到宽带光源中，提高了稳定性。1×2光纤耦合器将带有应变信息的反射光送入非平衡m-z干涉仪中，2×2光纤耦合器和3×3光纤耦合器组成两臂不等长的非平m-z干涉仪，最后输出三路相位差互为120°的光信号，经过光电转换、前置放大、滤波、多级放大后，得到可供a/d模块采集的模拟信号，最后采用dsp芯片tms320f2812实现对数据的实时采集处理，通过usb2.0将数据传到pc机。

进一步的实施例中，所述非平衡m-z干涉仪包括2×2光纤耦合器4、3×3光纤耦合器5，所述2×2光纤耦合器4的d输入端与所述1×2光纤耦合器2的c端口连接，所述2×2光纤耦合器4的两路光信号输出端分别与所述3×3光纤耦合器5的其中两路光信号输入端连接，所述3×3光纤耦合器5的三路光信号输出端与分别与三路信号调理电路对应连接。

进一步的实施例中，所述fbg传感器3的光栅在23℃到27℃的环境下中心波长为1551.5nm，光栅长度为10mm，带宽为0.14nm，最大反射率为0.96，所述非平衡m-z干涉仪的臂长差最大为5.5mm。

进一步的实施例中，所述每路信号调理电路包括依次连接的光电转换电路6、前置放大电路7和多级放大电路8。如图2(a)所示，由带尾纤的pin型光电管分别对三路光信号进行光电转换、前置放大和滤波，结合实际需要，光电管工作在反偏置的光伏模式下(加反向电压5v)，因为其具有高切换速度、高响应速度，适合于高速测量。然后由光电转换前置放大器ths4601对电信号进行第一次放大，而且可以实现电流-电压的转换。ths4601放大器是高速fet输入运放，有高输入阻抗、较大的信噪比和较大的增益带宽积，此时电路中还用反馈电阻和并联电容构成一个低通滤波器，来滤除高频噪声。如果a/d转换模块直接采集此微弱信号，会造成噪声过大，精度降低，所以后面还需级联放大电路对信号再放大。

如图2(b)所示，采用两片opa2846双通道宽带低噪声放大器作为级联放大电路，实现两级放大和低通滤波，图2(b)仅为对一路信号的处理，另外两路相同。级联放大电路可无失真放大约169倍的电信号。为了能够无失真的放大信号，opa2846芯片的同相端加上一个平衡电阻与地相连，其阻值通常为反馈电阻与opa2846芯片反相端输入电阻并联后的数值。同时，在电路中加入旁路电容和去耦电容，滤除电路中的高频成分和干扰信号。

进一步的实施例中，所述信号采集单元包括三路a/d转换电路9、fpga模块10以及dsp模块11，所述三路a/d转换电路9用于将三路信号调理电路得到的模拟电信号转换为可供dsp采集的数字信号；所述fpga模块10用于为所述dsp模块11的上电、产生时序以及逻辑控制，fpga模块10与dsp模块11通过emif进行通讯，fpga模块10作为协同处理器，dsp模块11作为主处理器，dsp模块11采集到的数据传送给解调模块。

在某些实施例中，如图3(a)所示，采用32位定点dsp芯片tms320f2812内置的a/d转换完成数据的采集，将转换后的数据预先储存到片内外的sdram和flash中，再经dsp进行前端的数字信号处理，通过usb总线传给pc机，并且在pc机上进行显示、分析和控制。该方案完全可以满足信号采集处理对较高精度和实时性的要求。tms320f2812的最高工作频率为150mhz，片内内置128k*16位的flash和18k*16位的sram，片外扩展512k*16位的flash和256k*16位的sram，同时，它带有12位adc，有16个通道，单通道转换的时间是80ns，输入电压最大3v，因此dsp最大采样速率可达到25mhz。usb2.0电路的控制芯片选用cypress公司的cy7c68013，方便同pc进行通讯。

如图3(b)所示，采用芯片ep2c8q208c8辅助dsp工作。dsp通过emif与fpga通讯，并且向fpga发送命令，对外部模拟量进行采集调理。在fpga的控制下，a/d转换模块将调理后的模拟电信号转换为数字信号。fpga可以产生所有的时序信号，完成时序逻辑控制。

进一步的实施例中，所述解调模块设置在pc机上。

本发明采用三步移相解调算法能实现动态物理量的解调。干涉仪的结构由2×2光纤耦合器和3×3光纤耦合器组成，输出3个在相位上互差120°的信号，光强为：

其中，k＝1,2,3分别代表三路信号。a为输出光强的平均值，即直流分量。i0为干涉条纹的峰值强度。为fbg传感器相位差信号，即待测信号。φ(t)为环境变化或其它干扰产生的相位差，可用高通滤波器滤除，所以计算时可不考虑这部分。然后经过隔直、微分、交叉相乘、积分、滤波后得到：

由此，可解调出相位信息。非平衡m-z干涉仪中耦合器两臂的相位差为：

其中，n为纤芯的折射率。l为干涉仪的光程差。λb为fbg的中心波长。干涉仪的相位变化仅由λb的变化引起，所以相位变化可表示为：

其中，ε为所测的应变量，kε为fbg应变灵敏度系数，是常数，可通过标定实验确定。综上所述，解调出所测的应变量信息，结果可在pc机上显示。

综上所述，fbg传感器将带有应变信息的光信号传送至非平衡m-z干涉仪中，解调成三路相位差互为120°的光信号，再由光电转换电路、前置放大电路、多级放大电路组成信号调理模块，对其进行处理，得到电压足够大、噪声等干扰信号足够小的三路模拟电信号。a/d转换电路对其进行模/数转换，fpga和dsp完成资源分配、数据采集、控制和网络传输，最后在pc机上进行算法解调，在显示页面上实现应变量的显示、分析和控制等功能。