[发明专利]一种基于非平衡迈克尔逊光纤干涉仪的非接触微振动测量系统

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于非平衡迈克尔逊光纤干涉仪的非接触微振动测量系统。

背景技术

早期利用迈克尔逊干涉原理测量的系统采用透镜形式，因其体积大、不便于操作而逐渐被光纤迈克尔逊干涉仪取代。干涉型传感器具有很高的灵敏度和精度，而干涉信号的解调精度直接影响着干涉型传感器的检测精度。现有的解调方案采用干涉条纹计数的方法来计算干涉相位的变化，再根据相位变化与测量臂光程的变化还原出振动信号。这种方法受光强的影响大，要求两束光具有较高的对比度，并且不能精确测量相位变化大于π幅度的信号和振动方向，这就限制了光纤迈克尔逊干涉仪的测量应用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于非平衡迈克尔逊光纤干涉仪的非接触微振动测量系统，该系统通过被测物体的振动来改变迈克尔逊光纤干涉仪一臂的光程，从而使两臂光程差产生变化，进而利用基于反正切(ARCTAN)计算的相位生成载波(PGC)相位解调技术进行干涉信号的解调，实现高精度的在线测量。

本发明的技术方案是：

一种基于非平衡迈克尔逊光纤干涉仪的非接触微振动测量系统，该系统依次通过窄带光源、耦合器、非平衡迈克尔逊光纤干涉仪两臂，其中一路经光纤自聚焦透镜垂直照射到振动物体表面后返回到自聚焦透镜并耦合进光纤，另一路经参考臂光纤末端的反射装置返回，两路光再通过耦合器并发生干涉，干涉信号由光电探测器(PD)转换为电信号并输出，最后通过数据处理模块，同时数据处理模块生成载波信号控制相位调制器，对参考臂光纤进行相位调制，最终利用基于反正切(ARCTAN)计算的相位生成载波(PGC)相位解调技术，由数据处理模块进行信号处理，得出解调结果。

上述方案中，所述的光纤自聚焦透镜采用尾纤式自聚焦透镜，由自聚焦透镜出射平行光，经被测物体表面垂直反射后再通过自聚焦透镜耦合进光纤。

上述方案中，所述的光纤末端的反射装置采用在光纤末端的切面上镀膜形成反射镜、尾纤式自聚焦透镜与反射镜形成的反射回路或光纤环形镜(FLM)。

上述方案中，所述的数据处理模块包括模数转换(ADC)模块、数模转换(DAC)模块、信号发生模块和信号处理模块。

上述方案中，所述的数据处理模块生成载波信号对参考臂光纤进行调制方法采用由数据处理模块生成载波信号直接加载在缠绕在参考臂上的压电陶瓷(PZT)、电光调制器或声光调制器上；或者由信号发生器生成载波信号加载在缠绕在参考臂上的压电陶瓷、电光调制器或声光调制器上，同时数据处理模块采集信号发生器的输出信号。

本发明的效果和益处是采用迈克尔逊光纤干涉仪与基于反正切(ARCTAN)计算的相位生成载波(PGC)相位解调技术的结合，系统具有高灵敏度、大动态范围、良好线性、对较大信号良好的响应以及不受光强及可见度漂移因素的影响，能实现非接触微振动的在线测量，且成本低，易于实现。

附图说明

图1是一种基于非平衡迈克尔逊光纤干涉仪的非接触微振动测量系统的结构图。

图2是本系统基于ARCTAN计算的PGC相位解调原理框图。

图3是本系统ARCTAN函数的值域扩展原理图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

如图1所示，中心波长为1554.71nm的分布式反馈激光器(DFB)发出激光经单模光纤3dB耦合器分为两路，一路通过测量臂光纤到达光纤自聚焦透镜，调整自聚焦透镜出射平行光垂直照射到被测物体表面，平行光反射后经自聚焦透镜耦合到测量臂光纤并返回到耦合器，另一路经参考臂光纤到达末端反射装置反射并沿参考臂光纤返回到耦合器，两路光在耦合器中发生干涉并从耦合器输出，然后经光电探测器(PD)转换为电信号，并由数据处理模块采集，同时数据处理模块输出载波信号加载在缠绕在参考臂上的相位调制器上，最终利用基于反正切(ARCTAN)计算的相位生成载波(PGC)相位解调技术，由数据处理模块进行信号处理，得出解调结果。

当相位调制函数为Ccos(ω_ct)，干涉信号光强的输出表达式可以写为

其中A是与干涉仪输入光强、耦合器插入损耗和偏振衰落等有关的直流项，B是干涉信号中携带相位信息部分的有效信号的幅度，C是相位调制幅度，ω_c是相位调制频率。