[發明專利]一種基于非平衡邁克爾遜光纖干涉儀的非接觸微振動測量系統

無效

• 申請號: 201210062212.3
• 申請日: 2012-03-09
• 公開（公告）號: CN102564564A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 荊振國;邢傳奇
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 侯明遠

技術領域

本發明屬于光纖傳感技術領域，涉及一種基于非平衡邁克爾遜光纖干涉儀的非接觸微振動測量系統。

背景技術

早期利用邁克爾遜干涉原理測量的系統采用透鏡形式，因其體積大、不便于操作而逐漸被光纖邁克爾遜干涉儀取代。干涉型傳感器具有很高的靈敏度和精度，而干涉信號的解調精度直接影響著干涉型傳感器的檢測精度?，F有的解調方案采用干涉條紋計數的方法來計算干涉相位的變化，再根據相位變化與測量臂光程的變化還原出振動信號。這種方法受光強的影響大，要求兩束光具有較高的對比度，并且不能精確測量相位變化大于π幅度的信號和振動方向，這就限制了光纖邁克爾遜干涉儀的測量應用范圍。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于非平衡邁克爾遜光纖干涉儀的非接觸微振動測量系統，該系統通過被測物體的振動來改變邁克爾遜光纖干涉儀一臂的光程，從而使兩臂光程差產生變化，進而利用基于反正切(ARCTAN)計算的相位生成載波(PGC)相位解調技術進行干涉信號的解調，實現高精度的在線測量。

本發明的技術方案是：

一種基于非平衡邁克爾遜光纖干涉儀的非接觸微振動測量系統，該系統依次通過窄帶光源、耦合器、非平衡邁克爾遜光纖干涉儀兩臂，其中一路經光纖自聚焦透鏡垂直照射到振動物體表面后返回到自聚焦透鏡并耦合進光纖，另一路經參考臂光纖末端的反射裝置返回，兩路光再通過耦合器并發生干涉，干涉信號由光電探測器(PD)轉換為電信號并輸出，最后通過數據處理模塊，同時數據處理模塊生成載波信號控制相位調制器，對參考臂光纖進行相位調制，最終利用基于反正切(ARCTAN)計算的相位生成載波(PGC)相位解調技術，由數據處理模塊進行信號處理，得出解調結果。

上述方案中，所述的光纖自聚焦透鏡采用尾纖式自聚焦透鏡，由自聚焦透鏡出射平行光，經被測物體表面垂直反射后再通過自聚焦透鏡耦合進光纖。

上述方案中，所述的光纖末端的反射裝置采用在光纖末端的切面上鍍膜形成反射鏡、尾纖式自聚焦透鏡與反射鏡形成的反射回路或光纖環形鏡(FLM)。

上述方案中，所述的數據處理模塊包括模數轉換(ADC)模塊、數模轉換(DAC)模塊、信號發生模塊和信號處理模塊。

上述方案中，所述的數據處理模塊生成載波信號對參考臂光纖進行調制方法采用由數據處理模塊生成載波信號直接加載在纏繞在參考臂上的壓電陶瓷(PZT)、電光調制器或聲光調制器上；或者由信號發生器生成載波信號加載在纏繞在參考臂上的壓電陶瓷、電光調制器或聲光調制器上，同時數據處理模塊采集信號發生器的輸出信號。

本發明的效果和益處是采用邁克爾遜光纖干涉儀與基于反正切(ARCTAN)計算的相位生成載波(PGC)相位解調技術的結合，系統具有高靈敏度、大動態范圍、良好線性、對較大信號良好的響應以及不受光強及可見度漂移因素的影響，能實現非接觸微振動的在線測量，且成本低，易于實現。

附圖說明

圖1是一種基于非平衡邁克爾遜光纖干涉儀的非接觸微振動測量系統的結構圖。

圖2是本系統基于ARCTAN計算的PGC相位解調原理框圖。

圖3是本系統ARCTAN函數的值域擴展原理圖。

具體實施方式

以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施方式。

如圖1所示，中心波長為1554.71nm的分布式反饋激光器(DFB)發出激光經單模光纖3dB耦合器分為兩路，一路通過測量臂光纖到達光纖自聚焦透鏡，調整自聚焦透鏡出射平行光垂直照射到被測物體表面，平行光反射后經自聚焦透鏡耦合到測量臂光纖并返回到耦合器，另一路經參考臂光纖到達末端反射裝置反射并沿參考臂光纖返回到耦合器，兩路光在耦合器中發生干涉并從耦合器輸出，然后經光電探測器(PD)轉換為電信號，并由數據處理模塊采集，同時數據處理模塊輸出載波信號加載在纏繞在參考臂上的相位調制器上，最終利用基于反正切(ARCTAN)計算的相位生成載波(PGC)相位解調技術，由數據處理模塊進行信號處理，得出解調結果。

當相位調制函數為Ccos(ω_ct)，干涉信號光強的輸出表達式可以寫為

其中A是與干涉儀輸入光強、耦合器插入損耗和偏振衰落等有關的直流項，B是干涉信號中攜帶相位信息部分的有效信號的幅度，C是相位調制幅度，ω_c是相位調制頻率。