[發(fā)明專利]基于光電振蕩器的準(zhǔn)分布式光纖扭轉(zhuǎn)角度測(cè)量裝置和方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010922852.1
• 申請(qǐng)日: 2020-09-04
• 公開（公告）號(hào): CN112129243B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 范志強(qiáng);蘇君;邱琪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/26
• 分類號(hào): G01B11/26
• 代理公司: 成都智言知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51282
• 代理人: 濮云杉

本發(fā)明提出一種基于光電振蕩器的準(zhǔn)分布式光纖扭轉(zhuǎn)角度測(cè)量裝置和方法，可應(yīng)用于扭矩的多點(diǎn)測(cè)量領(lǐng)域。發(fā)明通過波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同傳感位置的選擇。當(dāng)選定特定傳感位置后，形成兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的光電振蕩器，其中一個(gè)為參考光電振蕩器，另一個(gè)為測(cè)量光電振蕩器。兩個(gè)光電振蕩器通過波分復(fù)用技術(shù)共用長(zhǎng)光纖延遲模塊，形成互參考結(jié)構(gòu)。兩個(gè)光電振蕩器產(chǎn)生的頻率相同的微波信號(hào)鑒相，獲得光纖扭轉(zhuǎn)角度引起的微波信號(hào)的相位波動(dòng)，形成光纖扭轉(zhuǎn)角度的相位解調(diào)方式。通過調(diào)諧測(cè)量光電振蕩器中可調(diào)諧激光器模塊的波長(zhǎng)，依次選擇傳感位置，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量。最終實(shí)現(xiàn)基于光電振蕩器的、溫度不敏感的、可多點(diǎn)測(cè)量、準(zhǔn)分布式光纖扭轉(zhuǎn)角度測(cè)量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于準(zhǔn)分布式光纖測(cè)量與傳感領(lǐng)域，具體涉及了一種基于光電振蕩器的準(zhǔn)分布式光纖扭轉(zhuǎn)角度測(cè)量方法。

背景技術(shù)

扭矩是表征橋梁、建筑、火車軌道等工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部扭力及內(nèi)部損壞程度的關(guān)鍵參數(shù)，通過測(cè)量光纖扭轉(zhuǎn)角度是實(shí)現(xiàn)扭矩測(cè)量的重要測(cè)量方法之一。實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體多點(diǎn)扭矩測(cè)量和分析是提高結(jié)構(gòu)安全和系統(tǒng)效率的重要技術(shù)手段。高精度的、快速的、多點(diǎn)扭矩測(cè)量對(duì)檢測(cè)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)、減少安全事故意義重大。

光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、測(cè)量靈敏度高、抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)，因此光纖扭矩傳感逐漸替代傳統(tǒng)基于電子技術(shù)的扭矩傳感方法成為主流技術(shù)。通常，通過測(cè)量光纖扭轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)扭矩測(cè)量。傳統(tǒng)的扭矩傳感器主要分為以下兩類：一是基于電學(xué)方法的扭矩傳感器，此類傳感器易受電噪聲及溫度的干擾；二是基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的扭矩傳感器，此類傳感器體積龐大，且易受電磁干擾。光纖扭矩傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、測(cè)量靈敏度高、抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于扭矩測(cè)量。目前，光纖扭轉(zhuǎn)傳感模塊通常是光纖光柵如長(zhǎng)周期光纖光柵、光纖布拉格光柵、相移光纖布拉格光柵和干涉儀如Mach-Zehnder、薩格納克等。

近年來(lái)，光電振蕩器被用于光纖傳感領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)高速、高分辨率的物理參數(shù)測(cè)量。然而，基于光電振蕩器的傳感器易受溫度等環(huán)境因素的影響。而且，基于光電振蕩器的傳感器通常為單點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量。因此，基于光電振蕩器實(shí)現(xiàn)光纖扭轉(zhuǎn)角度的多點(diǎn)、精確、快速測(cè)量、不受溫度等環(huán)境因素影響是亟待解決的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中難以排除溫度等外界因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，且信號(hào)解調(diào)速度不高，因而難以滿足高精度的實(shí)時(shí)扭矩測(cè)量且無(wú)法實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量的問題，提供了一種基于光電振蕩器的準(zhǔn)分布式光纖扭轉(zhuǎn)角度測(cè)量裝置和方法，有效克服溫度等環(huán)境因素對(duì)光纖扭轉(zhuǎn)角度測(cè)量結(jié)果的影響，提高實(shí)時(shí)光纖扭轉(zhuǎn)角度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度，且成本低，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量，能用于需要測(cè)量扭轉(zhuǎn)角度和方向的各種場(chǎng)合。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明基于光電振蕩器的準(zhǔn)分布式光纖扭轉(zhuǎn)角度測(cè)量裝置，包括參考光電振蕩器、測(cè)量光電振蕩器、微波鑒相模塊、信號(hào)處理模塊，所述參考光電振蕩器的輸出微波信號(hào)與測(cè)量光電振蕩器的輸出微波信號(hào)同時(shí)輸入微波鑒相模塊中，微波鑒相模塊將輸出的鑒相結(jié)果輸出到信號(hào)處理模塊，其中：

參考光電振蕩器，用于消除包括溫度在內(nèi)的外界因素對(duì)距離及其相關(guān)參數(shù)測(cè)量結(jié)果的影響；

測(cè)量光電振蕩器，用于與參考光電振蕩器相比較得出待測(cè)值；

微波鑒相模塊，用于將來(lái)自參考光電振蕩器的微波信號(hào)和來(lái)自測(cè)量光電振蕩器的微波信號(hào)進(jìn)行鑒相；

信號(hào)處理模塊，用于將來(lái)自頻譜測(cè)量模塊的微波信號(hào)的頻譜信息、頻率計(jì)數(shù)模塊測(cè)得的中頻信號(hào)實(shí)時(shí)頻率，通過公式計(jì)算獲得距離及其相關(guān)參數(shù)；

本發(fā)明使用參考光電振蕩器和測(cè)量光電振蕩器，兩個(gè)光電振蕩器的初始振蕩頻率相同，且兩個(gè)光電振蕩器的初始環(huán)路延時(shí)相等，兩個(gè)光電振蕩器的相位差始終為零，溫度等環(huán)境因素對(duì)兩個(gè)光電振蕩器的輸出頻率的影響相同，使測(cè)量結(jié)果不受溫度等環(huán)境因素的影響；本發(fā)明解調(diào)信號(hào)為兩個(gè)光電振蕩器的微波信號(hào)相位差，測(cè)量難度小，解調(diào)成本低。