本发明专利技术的一种基于马赫泽德尔干涉结构的高精度光纤传感器属于光纤传感器技术领域。其主要结构有泵浦源(1)、第一光耦合器(2)、光波分复用器(3)等，本发明专利技术用正弦信号作为调制信号，不会产生高频干扰，具有工作更可靠、传感精度高、应用范围广等特点。
【技术实现步骤摘要】
一种基于马赫泽德尔干涉结构的高精度光纤传感器
本专利技术属于光纤传感器的
，特别涉及一种基于马赫泽德尔干涉结构的高精度光纤传感器。
技术介绍
布拉格光纤光栅(FBG)因具有抗电磁干扰、耐化学腐蚀、传输损耗小、体积小重量轻、便于大规模生产等优点，而广泛应用于传感
尤其在微应力检测、恶劣环境的温度探测等方面，光纤传感器具有独特的优势，一方面温度或应力的非常微小的变化，布拉格光纤光栅均能敏感地探测出来，具有很高的灵敏度，另一方面在恶劣环境如潮湿、强电磁干扰条件下，布拉格光纤光栅不易损坏，工作性能不受影响，且信号传输不受干扰。这些优点使得布拉格光纤光栅传感器广泛应用于桥梁、隧道以及建筑物结构的微应力变化监测、矿井温度安全监测等重要安全生产场所。与本专利技术最接近的现有技术是大连理工大学李宏的硕士学位论文《分布式光纤Bragg光栅传感器解调技术的研究》，该文献提供了一种基于非平衡马赫泽德尔干涉法解调技术的布拉格光纤光栅应力传感系统(参见该文献的第5页图1.4)，该光纤传感系统采用马赫泽德尔干涉原理，在干涉仪两臂中的其中一臂上利用压电陶瓷(PZT)提供的调制信号改变该臂的长度，从而改变干涉仪输出光强，干涉仪输出光强随PZT调制信号的变化呈余弦函数规律，如果采用理想锯齿波作为PZT的调制信号，则光纤传感系统的输出直接为余弦波。光纤传感系统通过布拉格光栅感知测量点处应力(或温度)的变化，并反映为反射光谱中心波长的变化，中心波长的变化经过上述马赫泽德尔干涉仪后体现为输出余弦波相位的变化，最后将余弦波的相位和锯齿波的相位相比较，即可反映出布拉格光纤光栅反射谱中心波长的变化，从而实现测量外界应力(或温度)的变化。在上述传感系统中，存在的最大问题是锯齿波不可能做到绝对的理想化，理想的锯齿波下降沿是垂直的，而实际的锯齿波的下降沿总是会有一定的坡度，从而会使后级输出的余弦波存在一个高频抖动，为了消除该高频抖动信号，一般在其后级解调电路中必须使用带通滤波器(BPF)，滤除直流分量和高频分量。但是，一方面该高频分量本身就会对余弦波的相位检测造成影响(过零点位置变化)；另一方面该高频抖动信号的频率受PZT驱动电路性能、PZT本身的迟滞特性(PZT的电特性相当于电容，其两端电压是不能跳变的，因此锯齿波的下降沿是做不到无限短的)以及光纤本身弹性等诸多因素影响，频率大小不定，很难滤除干净；而且，在使用滤波器时，除了会对输出信号的幅频特性产生影响外，还会同时对信号的相频特性产生影响，即滤波是在截止频率附近相位会受到影响，这对于依靠相位变化来测量应力或温度等物理量变化的光纤传感器来说是十分不利的。因此，现有的布拉格光纤光栅传感器还需要进一步改进。
技术实现思路
为了克服现有的布拉格光纤光栅传感器存在的缺点，本专利技术提供一种使用正弦信号作为PZT驱动信号的一种基于马赫泽德尔干涉结构的高精度光纤传感器，从而避免了高频干扰信号的产生，且在对接收到的信号进行处理时无需使用滤波器，从而避免了滤波过程对相位产生的影响。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种基于马赫泽德尔干涉结构的高精度光纤传感器，其结构有，泵浦源1与第一光耦合器2的输入端相连，第一光耦合器2的90％输出端与光波分复用器3的980nm端相连，光波分复用器3的1550nm端与缠绕在第一压电陶瓷12上的光纤的一端相连，缠绕在第一压电陶瓷12上的光纤的另一端与第一光隔离器11的输入端相连，第一压电陶瓷12的控制端与第一PZT驱动电路13的输出端口相连，第一PZT驱动电路13的输入端与数模转换电路14的输出端口相连，数模转换电路14的输入端口与单片机20相连；第一光隔离器11的输出端与光滤波器10的光输入端相连，光滤波器10的电控制端与单片机20相连，光滤波器10的光输出端与光环形器8的第一端口相连，光环形器8的第二端口与布拉格光栅组9的一端相连，光环形器8的第三端口与第三光耦合器6的输入端相连，第三光耦合器6的90％输出端与第二光隔离器5的输入端相连，第二光隔离器5的输出端与掺铒光纤4的一端相连，掺铒光纤4的另一端与光波分复用器3的公共端相连；第三光耦合器6的10％输出端输出与第四光耦合器7的输入端相连，第四光耦合器7的一个输出端与第五光耦合器26的一个输入端相连，第四光耦合器7的另一个输出端与缠绕在第二压电陶瓷25上的光纤的一端相连，缠绕在第二压电陶瓷25上的光纤的另一端与第五光耦合器26的另一个输入端相连，第五光耦合器26的输出端与第二光电转换电路27的输入端相连；其特征在于，结构还有，第二光电转换电路27的输出端与函数变换电路28的输入端相连，函数变换电路28的输出端与自适应幅度归一电路29的一个输入端相连，自适应幅度归一电路29的输出端与相位比较电路30的一个输入端相连；可控频率源23的输入端与单片机20相连，可控频率源23的输出端与相位比较电路30的另一个输入端相连，相位比较电路30的输出端与单片机20相连；可控频率源23的输出端还与第二PZT驱动电路24的输入端相连，第二PZT驱动电路24的输出端与第二压电陶瓷25的控制端相连；第一光耦合器2的10％输出端与第二光耦合器17的一个输入端相连，第二光耦合器17的另一个输入端与无水乙醇填充光子晶体光纤16的一端相连，无水乙醇填充光子晶体光纤16的另一端与第二光耦合器17的一个输出端相连，第二光耦合器17的另一个输出端与第一光电转换电路18的输入端相连，第一光电转电路18的输出端与模数转换电路19的输入端相连，模数转换电路19的输出端与单片机20相连；单片机20还分别与输入按键15、串口通信模块21、显示屏22相连；所述的函数变换电路28的结构为,电容C3的一端与三角函数转换器U1的管脚12及电阻R2的一端相连，电容C3的另一端作为函数变换电路28的输入端，记为端口ACOS_in，与第二光电转换电路27的输出端相连；电阻R2的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚2、3、4、5、8、11、13接地，管脚9、10与电容C2的一端及-12V电源相连，电容C2的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚6与管脚7相连，管脚16与+12V电源及电容C1的一端相连，电容C1的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚1与滑动变阻器W1的滑动端相连，滑动变阻器W1的一端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与三角函数转换器U1的管脚14相连，滑动变阻器W1的滑动端作为函数变换电路28的输出端，记为端口ACOS_out，与自适应幅度归一电路29的输入端相连；所述的三角函数转换器U1的型号为AD639；所述的自适应幅度归一电路29的结构为，电容C9的一端与电阻R3的一端及芯片U2的管脚3相连，电阻R3的另一端接地，电容C9的另一端作为自适应幅度归一电路29的输入端，记为端口ADAPT_in，与函数变换电路28的端口ACOS_out相连；芯片U2的管脚1、管脚7、管脚8、管脚14均接地，管脚2与管脚4均与+5V电源相连，管脚11与管脚12相连并与电容C5的一端及+5V电源相连，电容C5的另一端接地；芯片U2的管脚13与电容C4的一端相连，电容C4的另一端接地；芯片U2的管脚9与电容C6的一端相连，电容C6的另一端接地；芯片U2的管脚5与电阻R12及电阻R11的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于马赫泽德尔干涉结构的高精度光纤传感器，其结构有，泵浦源(1)与第一光耦合器(2)的输入端相连，第一光耦合器(2)的90％输出端与光波分复用器(3)的980nm端相连，光波分复用器(3)的1550nm端与缠绕在第一压电陶瓷(12)上的光纤的一端相连，缠绕在第一压电陶瓷(12)上的光纤的另一端与第一光隔离器(11)的输入端相连，第一压电陶瓷(12)的控制端与第一PZT驱动电路(13)的输出端口相连，第一PZT驱动电路(13)的输入端与数模转换电路(14)的输出端口相连，数模转换电路(14)的输入端口与单片机(20)相连；第一光隔离器(11)的输出端与光滤波器(10)的光输入端相连，光滤波器(10)的电控制端与单片机(20)相连，光滤波器(10)的光输出端与光环形器(8)的第一端口相连，光环形器(8)的第二端口与布拉格光栅组(9)的一端相连，光环形器(8)的第三端口与第三光耦合器(6)的输入端相连，第三光耦合器(6)的90％输出端与第二光隔离器(5)的输入端相连，第二光隔离器(5)的输出端与掺铒光纤(4)的一端相连，掺铒光纤(4)的另一端与光波分复用器(3)的公共端相连；第三光耦合器(6)的10％输出端输出与第四光耦合器(7)的输入端相连，第四光耦合器(7)的一个输出端与第五光耦合器(26)的一个输入端相连，第四光耦合器(7)的另一个输出端与缠绕在第二压电陶瓷(25)上的光纤的一端相连，缠绕在第二压电陶瓷(25)上的光纤的另一端与第五光耦合器(26)的另一个输入端相连，第五光耦合器(26)的输出端与第二光电转换电路(27)的输入端相连；其特征在于，结构还有，第二光电转换电路(27)的输出端与函数变换电路(28)的输入端相连，函数变换电路(28)的输出端与自适应幅度归一电路(29)的一个输入端相连，自适应幅度归一电路(29)的输出端与相位比较电路(30)的一个输入端相连；可控频率源(23)的输入端与单片机(20)相连，可控频率源(23)的输出端与相位比较电路(30)的另一个输入端相连，相位比较电路(30)的输出端与单片机(20)相连；可控频率源(23)的输出端还与第二PZT驱动电路(24)的输入端相连，第二PZT驱动电路(24)的输出端与第二压电陶瓷(25)的控制端相连；第一光耦合器(2)的10％输出端与第二光耦合器(17)的一个输入端相连，第二光耦合器(17)的另一个输入端与无水乙醇填充光子晶体光纤(16)的一端相连，无水乙醇填充光子晶体光纤(16)的另一端与第二光耦合器(17)的一个输出端相连，第二光耦合器(17)的另一个输出端与第一光电转换电路(18)的输入端相连，第一光电转电路(18)的输出端与模数转换电路(19)的输入端相连，模数转换电路(19)的输出端与单片机(20)相连；单片机(20)还分别与输入按键(15)、串口通信模块(21)、显示屏(22)相连；所述的函数变换电路(28)的结构为,电容C3的一端与三角函数转换器U1的管脚12及电阻R2的一端相连，电容C3的另一端作为函数变换电路(28)的输入端，记为端口ACOS_in，与第二光电转换电路(27)的输出端相连；电阻R2的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚2、3、4、5、8、11、13接地，管脚9、10与电容C2的一端及‑12V电源相连，电容C2的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚6与管脚7相连，管脚16与+12V电源及电容C1的一端相连，电容C1的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚1与滑动变阻器W1的滑动端相连，滑动变阻器W1的一端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与三角函数转换器U1的管脚14相连，滑动变阻器W1的滑动端作为函数变换电路(28)的输出端，记为端口ACOS_out，与自适应幅度归一电路(29)的输入端相连；所述的三角函数转换器U1的型号为AD639；所述的自适应幅度归一电路(29)的结构为，电容C9的一端与电阻R3的一端及芯片U2的管脚3相连，电阻R3的另一端接地，电容C9的另一端作为自适应幅度归一电路(29)的输入端，记为端口ADAPT_in，与函数变换电路(28)的端口ACOS_out相连；芯片U2的管脚1、管脚7、管脚8、管脚14均接地，管脚2与管脚4均与+5V电源相连，管脚11与管脚12相连并与电容C5的一端及+5V电源相连，电容C5的另一端接地；芯片U2的管脚13与电容C4的一端相连，电容C4的另一端接地；芯片U2的管脚9与电容C6的一端相连，电容C6的另一端接地；芯片U2的管脚5与电阻R12及电阻R11的一端相连，电阻R12的另一端接地，电阻R11的另一端与运放U4的输出端及电容C8的一端相连，运放U8的正电源端接+5V电源，负电源端接地；电容C8的另一端与电阻R10的一端相连，电阻R10的另一端与运放U4的同相输入端...
【技术特征摘要】
1.一种基于马赫泽德尔干涉结构的高精度光纤传感器，其结构有，泵浦源(1)与第一光耦合器(2)的输入端相连，第一光耦合器(2)的90％输出端与光波分复用器(3)的980nm端相连，光波分复用器(3)的1550nm端与缠绕在第一压电陶瓷(12)上的光纤的一端相连，缠绕在第一压电陶瓷(12)上的光纤的另一端与第一光隔离器(11)的输入端相连，第一压电陶瓷(12)的控制端与第一PZT驱动电路(13)的输出端口相连，第一PZT驱动电路(13)的输入端与数模转换电路(14)的输出端口相连，数模转换电路(14)的输入端口与单片机(20)相连；第一光隔离器(11)的输出端与光滤波器(10)的光输入端相连，光滤波器(10)的电控制端与单片机(20)相连，光滤波器(10)的光输出端与光环形器(8)的第一端口相连，光环形器(8)的第二端口与布拉格光栅组(9)的一端相连，光环形器(8)的第三端口与第三光耦合器(6)的输入端相连，第三光耦合器(6)的90％输出端与第二光隔离器(5)的输入端相连，第二光隔离器(5)的输出端与掺铒光纤(4)的一端相连，掺铒光纤(4)的另一端与光波分复用器(3)的公共端相连；第三光耦合器(6)的10％输出端输出与第四光耦合器(7)的输入端相连，第四光耦合器(7)的一个输出端与第五光耦合器(26)的一个输入端相连，第四光耦合器(7)的另一个输出端与缠绕在第二压电陶瓷(25)上的光纤的一端相连，缠绕在第二压电陶瓷(25)上的光纤的另一端与第五光耦合器(26)的另一个输入端相连，第五光耦合器(26)的输出端与第二光电转换电路(27)的输入端相连；其特征在于，结构还有，第二光电转换电路(27)的输出端与函数变换电路(28)的输入端相连，函数变换电路(28)的输出端与自适应幅度归一电路(29)的一个输入端相连，自适应幅度归一电路(29)的输出端与相位比较电路(30)的一个输入端相连；可控频率源(23)的输入端与单片机(20)相连，可控频率源(23)的输出端与相位比较电路(30)的另一个输入端相连，相位比较电路(30)的输出端与单片机(20)相连；可控频率源(23)的输出端还与第二PZT驱动电路(24)的输入端相连，第二PZT驱动电路(24)的输出端与第二压电陶瓷(25)的控制端相连；第一光耦合器(2)的10％输出端与第二光耦合器(17)的一个输入端相连，第二光耦合器(17)的另一个输入端与无水乙醇填充光子晶体光纤(16)的一端相连，无水乙醇填充光子晶体光纤(16)的另一端与第二光耦合器(17)的一个输出端相连，第二光耦合器(17)的另一个输出端与第一光电转换电路(18)的输入端相连，第一光电转电路(18)的输出端与模数转换电路(19)的输入端相连，模数转换电路(19)的输出端与单片机(20)相连；单片机(20)还分别与输入按键(15)、串口通信模块(21)、显示屏(22)相连；所述的函数变换电路(28)的结构为,电容C3的一端与三角函数转换器U1的管脚12及电阻R2的一端相连，电容C3的另一端作为函数变换电路(28)的输入端，记为端口ACOS_in，与第二光电转换电路(27)的输出端相连；电阻R2的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚2、3、4、5、8、11、13接地，管脚9、10与电容C2的一端及-12V电源相连，电容C2的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚6与管脚7相连，管脚16与+12V电源及电容C1的一端相连，电容C1的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚1与滑动变阻器W1的滑动端相连，滑动变阻器W1的一端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与三角函数转换器U1的管脚14相连，滑动变阻器W1的滑动端作为函数变换电路(28)的输出端，记为端口ACOS_out，与自适应幅度归一电路(29)的输入端相连；所述的三角函数转换器U1的型号为AD639；所述的自适应幅度归一电路(29)的结构为，电容C9的一端与电阻R3的一端及芯片U2的管脚3相连，电阻R3的另一端接地，电容C9的另一端作为自适应幅度归一电路(29)的输入端，记为端口ADAPT_in，与函数变换电路(28)的端口ACOS_out相连；芯片U2的管脚1、管脚7、管脚8、管脚14均接地，管脚2与管脚4均与+5V电源相连，管脚11与管脚12相连并与电容C5的一端及+5V电源相连，电容C5的另一端接地；芯片U2的管脚13与电容C4的一端相连，电容C4的另一端接地；芯片U2的管脚9与电容C6的一端相连，电容C6的另一端接地；芯片U2的管脚5与电阻R12及电阻R11的一端相连，电阻R12的另一端接地，电阻R11的另一端与运放U4的输出端及电容C8的一端相连，运放U8的正电源端接+5V电源，负电源端接地；电容C8的另一端与电阻R10的一端相连，电阻R10的另一端与运放U4的同相输入端相连；运放U4的反相输入端与滑动变电阻器W3的滑动端相连，滑动变阻器W3的一端与+5V电源相连，滑动变阻器W3的另一端接地；电容C7的一端与电阻R9的一端及运放U4的同相输入端相连，电容C7的另一端接地，电阻R9的另一端与电阻R7的一...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴戈，邱天，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22
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