虛擬幹涉型光纖傳感器的製作方法
2023-04-27 15:25:41 2
專利名稱：虛擬幹涉型光纖傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及傳感器，尤其涉及一種虛擬幹涉型光纖傳感器。
技術背景幹涉型光纖傳感器是一種利用光的幹涉來實現某種物理量測量功能的傳感器。幹涉型光纖傳感器通常包括了Michelson幹涉型光纖傳感器，Mach-Zehnder 幹涉型光纖傳感器，Fabry-Perot幹涉型光纖傳感器，Sagnac幹涉型光纖傳感器 等多種不同結構，幹涉型光纖傳感器在聲學壓力，弱磁場，加速度，微震動， 角速度，溫度各種物理量的測量方面得到了廣泛的應用。 一個典型的Sagnac幹 涉型光纖傳感器結構如圖l所示，它主要包括了雷射器、第一耦合器、起偏器、 第二耦合器、相位調製器、光纖環、光電檢測器、保偏光纖。相較於傳統的幹涉型傳感器，幹涉型光纖傳感器因採用了光纖技術而具有 更高的測量精度和靈巧的結構，也正因如此，對幹涉型光纖傳感器輸出信號的 檢測與解調也提出了較高的要求。但在解調系統的設計與測試過程中，直接採 用幹涉型光纖傳感器作為輸出信號源會產生一定的困難。首先，正如圖l所示， 光路部分的構建比較繁瑣，並且用於高精度測量的隔振水平臺成本較高。其次， 以雙光束幹涉型光纖傳感器為例，由於輸出與相位呈周期性關係，因此確定所 檢測的相位位於第幾象限極為重要，在實際操作中，時常出現特殊相位點相互 混淆的情形。而為了檢測解調算法在這些點時是否會出錯，我們需要幹涉型光 纖傳感器能夠非常精確地調整輸出，使輸出信號的相位值達到這些特殊相位點， 而這在操作過程中是非常困難的。基於以上原因，設計出一種虛擬的幹涉型光纖傳感器具有很重要的意義， 該型虛擬幹涉型光纖傳感器不僅具有比較簡單的結構和較短的製作周期，更可 以模擬各種光纖幹涉儀系統的前端輸出，對後端的解調系統進行方便的測試與 特殊相位點檢測，達到很好的效果。 發明內容本發明提供了一種結構簡單、製造成本低廉且檢測精度高的虛擬幹涉型光 纖傳感器。虛擬幹涉型光纖傳感器中的單片機與正弦載波產生模塊、通用函數信號生 成模塊相連接，單片機與虛擬待測物理量生成模塊、通用函數信號生成模塊相 連接。所述的通用函數信號生成模塊的內部模塊連接關係為第一信號調整模塊 與第一正弦信號生成模塊、模擬除法器、第一乘法器、加法器、第二乘法器相 連接；第二信號調整模塊與第二正弦信號生成模塊、模擬除法器相連接；第一 基準電壓模塊，第二基準電壓模塊與第一減法器、比例係數生成模塊，第一乘 法器相連接；第三基準電壓模塊，第四基準電壓模塊與第二減法器、偏置常數 設置模塊、加法器相連接；增益控制模塊與第二乘法器相連接；電壓/角度轉換 設置模塊與第一正弦信號生成模塊，第二正弦信號生成模塊相連接。所述的正弦載波產生模塊的內部模塊連接關係為單片機與第一寄存器、 相位累加器、第二寄存器、相位調製器、正弦波形查找表、數模轉換模塊相連 接；單片機與第三寄存器、相位調製器相連接。所述的虛擬待測物理量生成模塊的內部模塊連接關係為單片機與解碼器， 驅動器模塊、鎖存器模塊、開關網絡模塊、流壓轉換模塊相連接，基準電壓生 成模塊與開關網絡相連接。本發明通過簡單的電路設計構建出各種類型，結構的幹涉型光纖傳感器， 並提供高精度，高穩定性的虛擬幹涉型光纖傳感器輸出電學信號，方便對各種 解調系統進行測試與改進。可方便的精確改變虛擬待測物理量，達到檢測中的 特殊相位點，檢測解調系統在這些特殊相位點是否會出現錯誤解調。這些特殊 相位點在使用真實的幹涉型光纖傳感器時是很難精確達到的。本發明與計算機產生模擬信號的技術相比，具有不弓I入高頻數字量化噪聲， 結構簡單等特點。它較低的成本，較短的製作周期，使其在實際工程應用中可達到很好的效果。
圖1是典型的Sagnac幹涉型光纖傳感器結構圖；圖2是虛擬幹涉型光纖傳感器結構圖；圖3是正弦載波產生模塊原理圖；圖4是虛擬待測物理量生成模塊原理圖；圖5是通用函數信號生成模塊原理圖； 圖6是虛擬Sagnac幹涉型光纖傳感器輸出信號波形圖； 圖7是真實Sagnac幹涉型光纖傳感器輸出信號波形圖； 圖8是解調輸出的Sagnac相移與輸入虛擬相移電壓基準信號關係曲線圖。
具體實施方式
如圖2所示，虛擬幹涉型光纖傳感器中的單片機與正弦載波產生模塊、通用函數信號生成模塊相連接，單片機與虛擬待測物理量生成模塊、通用函數信 號生成模塊相連接。其中正弦載波產生模塊用來產生穩定性高，可精確控制頻 率與相位的正弦波，它與通用函數信號生成模塊的載波信號輸入埠相連，為 通用函數信號生成模塊提供高精度，高穩定性的正弦載波；虛擬待測物理量生 成模塊可生成高精度的虛擬待測物理量電壓參考信號，與通用函數信號生成模 塊的虛擬待測物理量輸入埠相連，為通用函數信號生成模塊提供虛擬的待測 物理量，並可精確的改變其輸入值。通用函數信號生成模塊可以依據使用需要 改變其設置並根據其工作原理模擬生成各種幹涉式光纖傳感器的電學輸出信 號。如圖3所示，正弦載波產生模塊的內部模塊連接關係為單片機與第一寄 存器、相位累加器、第二寄存器、相位調製器、正弦波形査找表、數模轉換模 塊相連接；單片機與第三寄存器、相位調製器相連接。正弦載波產生模塊利用 單片機來設置正弦載波的頻率，相位，採用高速査表法生成了頻率，相位可調 的正弦載波信號。其具體實施方法為由圖3中的單片機輸出頻率控制字，相 位控制字與系統時鐘，系統時鐘為第一寄存器，第二寄存器，第三寄存器提供 統一的時鐘信號；頻率控制字輸入至第一寄存器，在相位累加器處與相位累加 器輸出的反饋信號進行累加，累加結果進入第二寄存器；相位控制字進入第三 寄存器，與第二寄存器中的頻率控制字累加結果在相位調製器處相加，其結果 進入正弦波形查找表後輸出數字量正弦波，經過數模轉換後輸出頻率，相位可 調的高精度正弦載波信號。如圖4所示，虛擬待測物理量生成模塊的內部模塊連接關係為單片機與 解碼器，驅動器模塊、鎖存器模塊、開關網絡模塊、流壓轉換模塊相連接；基 準電壓生成模塊與開關網絡相連接。利用該模塊可產生高精度的可調的虛擬待 測物理量電壓基準信號。其具體實施方式
為由圖4中基準電壓生成模塊生成 高精度的穩定基準電壓信號，作為開關網絡中基準電壓；解碼器，驅動器模塊 由並行數字接口接入來自單片機提供的數字量，經鎖存器，開關網絡後產生穩 定的模擬電流基準信號。該信號經流壓轉化模塊後輸出穩定的虛擬待測物理量 電壓基準信號。如圖5所示，通用函數信號生成模塊的內部模塊連接關係為第一信號調 整模塊與第一正弦信號生成模塊、模擬除法器、第一乘法器、加法器、第二乘 法器相連接；第二信號調整模塊與第二正弦信號生成模塊、模擬除法器相連接; 第一基準電壓模塊，第二基準電壓模塊與第一減法器、比例係數生成模塊，第一乘法器相連接；第三基準電壓模塊，第四基準電壓模塊與第二減法器、偏置 常數設置模塊、加法器相連接；增益控制模塊與第二乘法器相連接；電壓/角度 轉換設置模塊與第一正弦信號生成模塊，第二正弦信號生成模塊相連接。利用 第一信號調整模塊將正弦載波與虛擬待測物理量電壓基準信號接入第一正弦信 號生成模塊；利用第二信號調整模塊為第二正弦信號生成模塊提供輸入信號； 由比例係數生成模塊提供比例係數，偏置常數設置模塊提供適當的直流偏置， 增益控制模塊為整個輸出信號提供相應參數，從而得到了虛擬幹涉型光纖傳感 器的輸出信號。通用函數信號生成模塊的通用運算功能函數為(1)sin(Z>2- 6。其中，sin"- q)為第一正弦信號生成模塊的輸出；sin(62- ^為第二正弦信號生成模塊的輸出；sin("2- ^)為模擬除法器的輸出;c2- q為比例係數生成模塊的輸 sm(&2- 6)出；c/2-《為偏置常數設置模塊的輸出；A為增益控制模塊的輸出；^為通用函 數信號生成模塊最終的輸出。下面例舉虛擬Sagnac幹涉型光纖傳感器的具體實施方式
。Sagnac幹涉型光 纖傳感器具有的輸出信號形式為Sg =會/2 V (1 + cos。/ sin w,+人)} ( 2 )其中，/。為光的強度；a為系統的損耗係數；h為光電轉換效率；□/為調製深度; /,既為待檢測的Sagnac相移。將由正弦載波產生模塊生成的正弦載波信號加上由虛擬待測物理量生成模塊生成的虛擬相移電壓基準信號^後送入通用函數信號生成模塊，該模塊即可 以生成如公式(1)所示的函數信號。其具體實施方法為首先設置電壓/角度的轉換比例，目前設置為50。/F。將由正弦載波產生模 塊生成的正弦載波0/sinv^與由虛擬待測物理量生成模塊生成的虛擬相移電壓基準八經第一信號調整模塊調整後作為A的輸入信號，其形式為"/,+口/si諸 (3) 將"2的輸入設置為1. 8V，對應角度為9(T，則"2 = 90'，正弦信號生成模塊1輸出的 信號為formula see original document page 7(4)formula see original document page 7
將62的輸入設置為1.8V,對應角度為9(T，將6,的輸入設置為0V，則正弦信號生成 模塊2輸出的信號為S2 = sin(>2 - W = sin(9(T - 0。) = 1 (5)將以上兩個函數信號接入模擬除法器模塊，則除法器輸出形式為S — sin(a2- q)— cos(/"5+C]/ sinw/) & 。"' — sin(V sin(90。- 0)~ (6)由比例係數生成模塊為其設置比例係數。-c1;由偏置常數設置模塊為函數信號提供直流電壓偏置《-《；最後就得到了形如公式(2 )所示的虛擬Sagnac幹涉型 光纖傳感器的輸出信號H(c2- c》s，，)-《)]^K)+(C2-d)sin(9。:H。，諸)] (7)sm(90 - 0 )=4(《-《)+ (c2- q)cos(/^ + 口/sinvvf)]產生的輸出信號波形如圖6所示，圖7是真實的Sagnac幹涉型光纖傳感器 經PIN管光電轉換後的信號波形，說明該虛擬Sagnac幹涉型光纖傳感器能完美 的模擬真實的Sagnac幹涉型光纖傳感器的電學輸出信號。其輸入輸出線性度測 試結果如圖8所示，說明解調輸出的Sagnac相移與輸入的虛擬相移電壓基準信 號成嚴格的線性關係，可以實現良好的線性控制性能。
權利要求
1.一種虛擬幹涉型光纖傳感器，其特徵在於單片機與正弦載波產生模塊、通用函數信號生成模塊相連接，單片機與虛擬待測物理量生成模塊、通用函數信號生成模塊相連接。
2. 根據權利要求1所述的一種虛擬幹涉型光纖傳感器，其特徵在於所述的 通用函數信號生成模塊的內部模塊連接關係為第一信號調整模塊與第一正弦 信號生成模塊、模擬除法器、第一乘法器、加法器、第二乘法器相連接；第二 信號調整模塊與第二正弦信號生成模塊、模擬除法器相連接；第一基準電壓模 塊，第二基準電壓模塊與第一減法器、比例係數生成模塊，第一乘法器相連接; 第三基準電壓模塊，第四基準電壓模塊與第二減法器、偏置常數設置模塊、加 法器相連接；增益控制模塊與第二乘法器相連接；電壓/角度轉換設置模塊與第 一正弦信號生成模塊，第二正弦信號生成模塊相連接。
3. 根據權利要求1所述的一種虛擬幹涉型光纖傳感器，其特徵在於所述的 正弦載波產生模塊的內部模塊連接關係為單片機與第一寄存器、相位累加器、 第二寄存器、相位調製器、正弦波形査找表、數模轉換模塊相連接；單片機與 第三寄存器、相位調製器相連接。
4. 根據權利要求1所述的一種虛擬幹涉型光纖傳感器，其特徵在於所述的 虛擬待測物理量生成模塊的內部模塊連接關係為單片機與解碼器，驅動器模 塊、鎖存器模塊、開關網絡模塊、流壓轉換模塊相連接，基準電壓生成模塊與 開關網絡相連接。
全文摘要
本發明公開了一種虛擬幹涉型光纖傳感器。單片機與正弦載波產生模塊、通用函數信號生成模塊相連接；單片機與虛擬待測物理量生成模塊、通用函數信號生成模塊相連接。本發明通過簡單的電路設計模擬各種類型的幹涉型光纖傳感器，並提供高精度，高穩定性的虛擬幹涉型光纖傳感器輸出電學信號，方便對各種解調系統進行測試與改進。可精確改變虛擬待測物理量，從而達到各特殊相位點，並檢測解調系統在這些特殊相位點是否會出現解調錯誤。這些特殊相位點在使用真實的幹涉型光纖傳感器時是很難精確達到的。本發明與計算機模擬技術相比，具有不引入高頻數字量化噪聲，結構簡單等特點。它較低的成本，較短的製作周期，使其在工程應用中具有很好的效果。
文檔編號G01D5/26GK101271005SQ20081006114
公開日2008年9月24日 申請日期2008年3月11日 優先權日2008年3月11日
發明者周柯江, 孫國鑫 申請人:浙江大學