[发明专利]一种基于光电振荡器的振动传感装置

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光电振荡器的振动传感装置。

背景技术

光纤传感器具有信噪比高，灵敏度高，稳定性强，耐腐蚀等特点，广泛应用于应力，温度，振动，电场等参数的测量，特别是恶劣环境下传统传感器已经无法胜任的领域，如核电、矿井、油井，大型发电机组等强辐射与电磁干扰环境下的测量。

光纤传感器可分为无源与有源两大类。典型的无源传感器包括以光纤为传感元件和以光纤光栅为传感元件的传感器。前者原理为：外界物理量变化导致光纤折射率变化，从而使其内传输的光信号的参数(相位、偏振态等)发生变化，并通过干涉检测得到待求物理量。该类传感器灵敏度高，但易受外界环境与光源光强波动的干扰，一般需通过正交解调等技术来改善其稳定性；另外，该类传感器工作于其传递函数的正交点上，动态范围非常小。以光纤光栅为传感元件的传感器原理为：外界物理量变化导致光栅布拉格波长变化，通过解调光栅反射或者透射光谱即可得到待求物理量。该类传感器结构简单，易复用，但其长期漂移较大且解调系统复杂昂贵。

常见的有源光纤传感器如光电振荡器传感器，光纤激光器传感器等。该类传感器利用振荡器的谐振腔作为敏感元件，当施加在谐振腔上的物理量变化时，谐振腔光纤由于热光效应、弹光效应等，其折射率发生变化，即等效腔长发生变化，腔内固有模式间隔也相应地变化，通过解调其振荡频率即可得到待测物理量。不同于干涉型强度解调传感器，该类传感器将传感信号编码在振荡频率上，不受激光器光强波动的影响。其中基于光纤激光器的传感器因其振荡信号为光信号，为实现解调需要工作于多模状态并拍频，然而多模拍频信号在高频率处的信噪比不高，其灵敏度受到限制。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于光电振荡器的振动传感装置，能够实现对振动信号的高灵敏度，高动态范围的解调。

一种基于光电振荡器的振动传感装置，包括：激光器、一分二的光耦合器、光移相器、传感头、偏振控制器、马赫-增德尔调制器、二合一的光耦合器、储能光纤、光电探测器、带通滤波器、射频放大器、3dB功分器、参考振荡器、混频器、低通滤波器、模数转换器和上位机；其中：

所述的激光器用于产生激光；

所述一分二的光耦合器用于将所述的激光分为传感光路和参考光路；

所述的光移相器用于对所述传感光路的光载波进行移相；

所述的传感头用于拾取外部振动信息，从而对光移相器输出传感光路的光载波进行相位调制，得到含有振动信息的相移光载波信号；

所述的偏振控制器用于调节参考光路的偏振态；

所述的马赫-增德尔调制器用于将3dB功分器输出的一路振荡信号B调制到偏振控制器输出的参考光路的光载波上，得到抑制光载波的正负一阶边带光信号；

所述二合一的光耦合器用于将所述的相移光载波信号和正负一阶边带光信号合成为一路相移载波双边带调制光信号；

所述的储能光纤用于对所述的相移载波双边带调制光信号进行延时；

所述的光电探测器用于将延时后的相移载波双边带调制光信号转换成振荡信号A；

所述的带通滤波器用于对所述的振荡信号A进行带通滤波；

所述的射频放大器用于对滤波后的振荡信号A进行功率放大；

所述的3dB功分器用于将放大后的振荡信号A分为等功率的两路振荡信号B，一路送至马赫-增德尔调制器的射频输入口，另一路送至混频器；

所述的参考振荡器用于产生与振荡信号B频率相同的参考振荡信号；

所述的混频器用于使振荡信号B与参考振荡信号进行鉴相，输出一路低频的鉴相信号；

所述的低通滤波器用于对所述的鉴相信号进行低通滤波，得到解调电压信号；

所述的模数转换器用于对所述的解调电压信号进行模数转换，得到数字信号；

所述的上位机用于对所述的数字信号进行解析，提取得到振动信息。

进一步地，所述的激光器采用窄线宽半导体激光器；利用窄线宽半导体激光器所产生的激光具有较低的相对强度噪声，有利于降低光电振荡器的相位噪声。

进一步地，所述的储能光纤采用单模光纤；成本低廉，对于频率较高的待测振动信号具有较好的灵敏度。

进一步地，所述的低通滤波器采用有源低通滤波器，可提供大于20dB的增益，以保证锁相环路的锁定带宽。

进一步地，所述的光移相器利用所述的解调电压信号对传感光路的光载波进行移相。