CN106949838A - 一种光纤位移传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤位移传感系统，主要解决现有技术中存在的环境适应性差、环境因素影响大、稳定性差的技术问题，本发明通过采用包括信号源、待测物体，与信号源连接的二等分功分器；二等分功分器第一输出端连接直调激光器；直调激光器连接光纤位移传感探头；光纤位移传感探头与高速光电探测器连接；IQ混频器射频输入端与所述高速光电探测器，本振输入端与二等分功分器第二输出端连接，输出端依次连接后处理模块；信号源用于输出微波信号，微波信号经二等分功分器后通过直调激光器变为光载波信号；高速光电探测器用于转换光波信号为微波信号的技术方案，较好的解决了该问题，可用于光纤位移传感器的工业生产中。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，可用于通信领域，医疗器械中，特别涉及到一种光纤位移传感系统。
背景技术
传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，包括抗电磁和原子辐射干扰的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在如高温区，如核辐射区，起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光信号经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质发生变化，成为被调制的信号源，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。
目前光纤位移传感器主要有光纤光栅，光纤法珀和光纤M-Z干涉仪等类型的传感器。现有技术中的光纤位移传感系统存在的技术问题是传感器的环境适应性差，光信号的抖动，环境温度等因素的变化对传感器的性能影响很大。因此，提供一种不受环境因素影响、稳定性高的光纤位移传感系统就很有必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在环境适应性查、稳定性低的技术问题。提供一种光纤位移传感系统，该光纤位移系统具测量速度快，测量范围大，并且不受环境因素的影响等特点。
为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：
一种光纤位移传感系统，所述光纤位移传感系统包括信号源101、待测物体，与信号源101连接的二等分功分器；所述二等分功分器103第一输出端连接直调激光器102；所述直调激光器102连接光纤位移传感探头106；所述光纤位移传感探头106与高速光电探测器104连接；所述IQ混频器105射频输入端与所述高速光电探测器104，本振输入端与二等分功分器第二输出端连接，输出端依次连接后处理模块；所述信号源101用于输出微波信号，微波信号经二等分功分器103分配后通过直调激光器102调制为光载波信号；所述高速光电探测器104用于转换所述光纤位移传感探头106输出的光波信号为微波信号；所述IQ混频器105用于将射频输入端信号分为正交的I路信号及Q路喜欢好，I路信号及Q路信号均与本振端输入信号混频；所述后处理模块用于解调混频器输出信号为待测物体位移量。
上述技术方案中，为优化，进一步地，所光纤位移传感探头106包括套筒301，均固设于套筒301上的光缆302及扩束准直透镜303；所述光缆302包括光发射单模光纤203以及贴设于光发射单模光纤203四周的N芯多模接收光纤204；其中N为正整数。
进一步地，所述后处理模块包括信号放大器109，与信号放大器109依次连接的数据采集电路201及信号处理及显示模块202。
进一步地，所述后处理模块还包括滤波器108，所述滤波器108连接于混频器输出端及信号放大器109；所述滤波器108通带频率范围包括混频器输出端工作频率，所述滤波器108用于消除干扰信号。
进一步地，所述滤波器108为低通滤波器，所述低通滤波器的截止频率大于混频器输出端工作频率。
进一步地，所述数据采集电路201包括多路开关模块，与多路开关模块连接的AD采样模块。
进一步地，所述信号处理及显示模块202包括并联连接的2个微处理单元。
进一步地，所述信号处理及显示模块包括显示模块202为LCD显示屏。
进一步地，所述信号处理及显示模块202还包括并联的限流保护模块及过压保护模块。
信号源101输出的高频微波信号经过功分器103后分为两路微波信号，一路微波信号进入直调激光器102中，该激光器将微波信号加载到光域上而得到一光载微波信号，该光载微波信号通过光发射单模光纤203传输到位移传感探头106中，该光经过扩束准直透镜303扩束准直后入射到待测量位移量的物体107上，待测物107表面的反射光再次通过准直透镜303并通过多模接收光纤204接收，多模接收光纤的输出光载射频信号经高速光电探测器104后变为微波信号，该微波信号进入IQ混频器105的射频输入端，功分器103的另一路微波信号进入IQ混频器105的本振输入端，IQ混频器I分量和Q分量的直流信号经过一低通滤波器108后依次通过信号放大电路109和数据采集电路和信号处理模块后，系统解调的待测物体的位移量通过显示模块显示。
本发明还提出一种基于位移传感系统的位移测量信号分析方法：假设信号源输出信号的频率为f，该信号经功分器103后得到两个相同的微波信号，其中一路作为本振信号直接进入IQ混频器105的本振输入端，该信号可表示为：
Vo为信号幅值，为信号的初相位。功分器输出的另一路信号经过直调激光器调制后得到光载微波信号，该光载微波信号照射到待测物体后经反射入射到高速光电探测器上。假设待测物体的位移量为L，则由于该位移量引起的光载微波信号相位的变化为其中c为光速，由此导致高速光电探测器104输出的微波信号可表示为：该微波信号进入IQ混频器后，混频器将该信号分为两路，一路信号作为I路输入射频信号与本振信号进行混频，另一路信号经过90度相移后作为Q路输入射频信号也与本振信号进行混频，则I路输出信号可表示为：
Q路输出信号可表示为：
将混频器输出的两路直流信号相除可得：
由此，可得待测物体的位移量为：
由上式可知，根据IQ混频器输出的两个直流电压值就可以得到当前待测物的位移量。并且该位移量与待测信号的幅度无关。这极大地降低了光信号抖动及环境因素的影响对位移测量结果的影响。IQ混频器的相位测量精度可达0.050，当微波信号频率为40GHz时，本发明提出的位移传感系统的位移分辨率可达1.05um。由于IQ混频器能实现跨3600相位周期的测量，同时通过调节微波信号的频率，可是本发明提出的位移传感测量范围达几十米。本光纤位移传感系统的工作流程简单，系统上电后，将信号源打开，将位移传感探头固定在待测物前表面，当待测物体发生移动式，系统的显示模块将实时显示当前物体的位移量。
本发明的有益效果：
效果一，减小了外界环境因素的干扰；
效果二，提高了稳定性；
效果三，提高了测试灵敏度；
效果四，提高了最高位移分辨率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1，基于微波鉴相装置的光纤位移传感系统示意图。
图2，光纤位移传感探头示意图。
图3，光缆端面示意图。
图4，后处理模块示意图。
附图中，101-信号源；102-直调激光器；103-功分器；104-高速光电探测器；105-IQ混频器；106-光纤位移传感探头；107-待测物体；108-低通滤波器；109-信号放大电路；201-数据采集电路；202-信号处理及显示模块；203-光发射单模光纤-204-多模接收光纤，1031-功分器第一输出端，1032-功分器第二输出端。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
如图1，本实施例提供一种的光纤位移传感系统，所述光纤位移系统包括信号源101、待测物体，与信号源101连接的二等分功分器；所述二等分功分器103第一输出端连接直调激光器102；所述直调激光器102连接光纤位移传感探头106；所述光纤位移传感探头106与高速光电探测器104连接；所述IQ混频器105射频输入端与所述高速光电探测器104，本振输入端与二等分功分器第二输出端连接，输出端依次连接后处理模块；所述信号源101用于输出微波信号，微波信号经二等分功分器103分配后通过直调激光器102调制为光载波信号；所述高速光电探测器104用于转换所述光纤位移传感探头106输出的光波信号为微波信号；所述IQ混频器105用于将射频输入端信号分为正交的I路信号及Q路喜欢好，I路信号及Q路信号均与本振端输入信号混频；所述后处理模块用于解调混频器输出信号为待测物体位移量。
其中，如图2及图3，光纤位移传感探头106包括套筒301，依据均固设于套筒301上的光缆302及扩束准直透镜303；所述光缆302包括光发射单模光纤203以及贴设于光发射单模光纤203四周的多芯多模接收光纤204。探头有利于最大限度的收集待测移动物体发射回来的光信号，提高整个位移传感系统的灵敏度。
根据IQ混频器输出的两个直流电压值就可以得到当前待测物的位移量。并且该位移量与待测信号的幅度无关。这极大地降低了光信号抖动及环境因素的影响对位移测量结果的影响。IQ混频器的相位测量精度可达0.050，当微波信号频率为40GHz时，本发明提出的位移传感系统的位移分辨率可达1.05um。由于IQ混频器能实现跨3600相位周期的测量，同时通过调节微波信号的频率，可是本发明提出的位移传感测量范围达几十米。
其中，后处理模块包括信号放大器109，与信号放大器109依次连接的数据采集电路201及信号处理及显示模块202。后处理模块通过将混频信号进行放大，便于数据采集电路采集信号供信号处理及显示模块进行数据解调，通过解调及算法运算，计算出待测物体的位移量。
所述数据采集电路201包括多路开关模块，与多路开关模块连接的AD采样模块。数据采集模块通过多路开关模块能够在时序上间歇启动数据采集模块，能够降低模块功耗，实现低功耗的光纤位移传感系统，降低成本。
所述信号处理及显示模块202包括并联连接的2个微处理单元。通过使用并联的2个微处理单元，能够减小单个微处理单元的负荷，提高光纤位移传感系统的容量。
所述信号处理及显示模块包括显示模块202为LCD显示屏，该LCD显示屏能够通过触摸屏进行相关设置或操作，能够减少按键操作，提高结构空间利用率。所述信号处理及显示模块202还包括并联的限流保护模块及过压保护模块，通过添加过流保护及过压保护模块，提高系统的稳定性，减小故障率。
本实施例中光纤位移传感系统的工作原理：信号源101输出的高频微波信号经过功分器103后分为两路微波信号，一路微波信号进入直调激光器102中，该激光器将微波信号加载到光域上而得到一光载微波信号，该光载微波信号通过光发射单模光纤203传输到位移传感探头106中，该光经过扩束准直透镜303扩束准直后入射到待测量位移量的物体107上，待测物107表面的反射光再次通过准直透镜303并通过多模接收光纤204接收，多模接收光纤的输出光载射频信号经高速光电探测器104后变为微波信号，该微波信号进入IQ混频器105的射频输入端，功分器103的另一路微波信号进入IQ混频器105的本振输入端，IQ混频器I分量和Q分量的直流信号经过后处理模块解调出待测物体的位移量，通过显示模块显示。
本光纤位移传感系统的工作流程简单，系统上电后，将信号源打开，将位移传感探头固定在待测物前表面，当待测物体发生移动式，系统的显示模块将实时显示当前物体的位移量。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上进一步改进后处理模块，能够进一步减小外界因素对光纤位移传感系统的干扰。
所述后处理模块还包括滤波器108，所述滤波器108连接于混频器输出端及信号放大器109；所述滤波器108通带频率范围包括混频器输出端工作频率，所述滤波器108用于消除干扰信号。所述滤波器108为低通滤波器，所述低通滤波器的截止频率大于混频器输出端工作频率。
通过滤波器来对混频器工作频率外的干扰信号进行滤除，能够进一步减小干扰，特别是环境因数的干扰。能够提高本实施例中的光纤位移传感系统的稳定性、灵敏度。
本发明还提出一种基于位移传感系统的位移测量信号分析方法：假设信号源输出信号的频率为f，该信号经功分器103后得到两个相同的微波信号，其中一路作为本振信号直接进入IQ混频器105的本振输入端，该信号可表示为：
Vo为信号幅值，为信号的初相位。功分器输出的另一路信号经过直调激光器调制后得到光载微波信号，该光载微波信号照射到待测物体后经反射入射到高速光电探测器上。假设待测物体的位移量为L，则由于该位移量引起的光载微波信号相位的变化为其中c为光速，由此导致高速光电探测器104输出的微波信号可表示为：该微波信号进入IQ混频器后，混频器将该信号分为两路，一路信号作为I路输入射频信号与本振信号进行混频，另一路信号经过90度相移后作为Q路输入射频信号也与本振信号进行混频，则I路输出信号可表示为：
Q路输出信号可表示为：
将混频器输出的两路直流信号相除可得：
由此，可得待测物体的位移量为：
由上式可知，根据IQ混频器输出的两个直流电压值就可以得到当前待测物的位移量。并且该位移量与待测信号的幅度无关。这极大地降低了光信号抖动及环境因素的影响对位移测量结果的影响。IQ混频器的相位测量精度可达0.050，当微波信号频率为40GHz时，本发明提出的位移传感系统的位移分辨率可达1.05um。由于IQ混频器能实现跨3600相位周期的测量，同时通过调节微波信号的频率，可是本发明提出的位移传感测量范围达几十米。本光纤位移传感系统的工作流程简单，系统上电后，将信号源打开，将位移传感探头固定在待测物前表面，当待测物体发生移动式，系统的显示模块将实时显示当前物体的位移量。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (9)
1.一种光纤位移传感系统，其特征在于：所述光纤位移系统包括信号源(101)、待测物体，与信号源(101)连接的二等分功分器；
所述二等分功分器(103)第一输出端(1031)连接直调激光器(102)；所述直调激光器(102)连接光纤位移传感探头(106)；所述光纤位移传感探头(106)与高速光电探测器(104)连接；所述IQ混频器(105)射频输入端与所述高速光电探测器(104)，本振输入端与二等分功分器第二输出端(1032)连接，输出端依次连接后处理模块；
所述信号源(101)用于输出微波信号，微波信号经二等分功分器(103)分配后通过直调激光器(102)调制为光载波信号；
所述高速光电探测器(104)用于转换所述光纤位移传感探头(106)输出的光波信号为微波信号；
所述IQ混频器(105)用于将射频输入端信号分为正交的I路信号及Q路信号，I路信号及Q路信号均与本振端输入信号混频；
所述后处理模块用于解调混频器输出信号为待测物体位移量。
2.根据权利要求1所述的光纤位移传感系统，其特征在于：所光纤位移传感探头(106)包括套筒(301)，均固设于套筒(301)上的光缆(302)及扩束准直透镜(303)；所述光缆(302)包括光发射单模光纤(203)以及贴设于光发射单模光纤(203)四周的N芯多模接收光纤(204)；
其中N为正整数。
3.根据权利要求1所述的光纤位移传感系统，其特征在于：所述后处理模块包括信号放大器(109)，与信号放大器(109)依次连接的数据采集电路(201)及信号处理及显示模块(202)。
4.根据权利要求3所述的光纤位移传感系统，其特征在于：所述后处理模块还包括滤波器(108)，所述滤波器(108)连接于混频器输出端及信号放大器(109)；所述滤波器(108)通带频率范围包括混频器输出端工作频率，所述滤波器(108)用于消除干扰信号。
5.根据权利要求4所述的的光纤位移传感系统，其特征在于：所述滤波器(108)为低通滤波器，所述低通滤波器的截止频率大于混频器输出端工作频率。
6.根据权利要求3所述的光纤位移传感系统，其特征在于：所述数据采集电路(201)包括多路开关模块，与多路开关模块连接的AD采样模块。
7.根据权利要求3所述的光纤位移传感系统，其特征在于：所述信号处理及显示模块(202)包括并联连接的2个微处理单元。
8.根据权利要求3所述的光纤位移传感系统，其特征在于：所述信号处理及显示模块包括显示模块(202)为LCD显示屏。
9.据权利要求8所述的光纤位移传感系统，其特征在于：所述信号处理及显示模块(202)还包括并联的限流保护模块及过压保护模块。
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