基于反射光的高频振动传感系统及高频信号解调方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于反射光的高频振动传感系统及高频信号解调方法，包括窄线宽激光器(1)、1

【技术实现步骤摘要】
基于反射光的高频振动传感系统及高频信号解调方法


[0001]本专利技术涉及光电传感领域，具体为一种基于光纤布拉格光栅反射光外差探测的高频振动传感系统及其使用方法。

技术介绍

[0002]随着科技发展，航空航天器、各种机械结构、动力结构都朝着复杂化、大型化、轻量化和智能化等方向发展，为了能够保证各种结构长期稳定工作，各种结构健康监测问题就显得尤为重要。其中声发射无损检测法由于其优异的连续实时动态检测能力、可适应多种极端环境以及可实现非接触式测量而受到广泛关注。
[0003]声发射波作为一种超声波，其频率范围很宽，通常具有1kHz到1MHz范围频率振动，因此，声发射作为无损检测与无损评价手段，一般是采用高灵敏度传感器，在材料或构件受外力的作用，且又远在其达到破损以前，接收来自这些缺陷与损伤开始出现或扩展时所发射的高频振动信号，通过对这些信号的分析、处理来检测、评估材料或构件缺陷、损伤等内部特征。
[0004]光纤光栅传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、易于嵌入材料内部、电无源、易复用组网、耐恶劣环境等优点被广泛用于结构健康检测系统中。然而当前基于光纤布拉格光栅强度解调的高频振动传感系统往往使用相移光栅等带宽较窄的光栅传感器，相比于普通光纤光栅，相移光栅因为其较大光谱边带斜率导致其工作区域变小，在传感测量过程中，系统极其容易受到环境因素的影响使得入射光波长漂移导致测量结果存在较大误差。且相移光栅制作需要较高的刻写技术和经济成本，不适用于光栅检测网络的铺设和实际应用。

技术实现思路

[0005]基于上述问题，本专利技术提出一种基于反射光的高频振动传感系统，实现了利用常见反射率布拉格光栅对高频振动信号进行快速采集和解调的功能，从而解决了在高频振动测量领域对高成本特种光纤光栅的依赖。
[0006]本专利技术利用以下的技术方案来实现：
[0007]一种基于反射光的高频振动传感系统，实现了振动信号采集和解调，该系统包括窄线宽激光器(1)、1
×
2光纤耦合器(2)、声光调制器(3)、2
×
2光纤耦合器(4)、光纤环形器(5)、光纤光栅传感器(6)、平衡光电探测器(7)和数据采集卡(8)和上位机控制系统(9)；所述窄线宽激光器(1)与所述1
×
2光纤耦合器(2)相连，经所述1
×
2光纤耦合器(2)产生两路输出：一路为90％的信号光输出，另一路为10％本振参考光输出；
[0008]其中，在信号光传输光路中设置串联的所述声光调制器(3)、所述光纤环形器(5)和所述光栅传感器(6)；1
×
2光纤耦合器的第一输出端(201)连接至所述声光调制器(3输入端，所述声光调制器(3)输出端连接至光纤环形器的输入端(501)，所述光纤环形器的第一输出端(502)连接至所述光栅传感器(6)；在本振参考光传输光路中设置串联的所述2
×
2光纤耦合器(4)、所述平衡光电探测器(7)、所述数据采集卡(8)和所述上位机控制系统(9)；1
×
2光纤耦合器的第一输出端(202)连接至2
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2光纤耦合器的第一输入端(401)，2
×
2光纤耦合器的第一输出端(403)、2
×
2耦合器的第二输出端(404)分别与平衡光电探测器的第一输入端(701)、平衡光电探测器的第二输入端(702)相连，所述(8)进一步包括数据采集卡的信号输出模块(801)和数据采集卡的信号采集模块(802)，所述平衡光电探测器(7)输出端连接至数据采集卡的信号采集模块(802)；
[0009]光纤环形器第二输出端(503)连接至2
×
2耦合器的第二输入端(402)；
[0010]数据采集卡的信号输出模块(801)连接至声光调制器(3)；
[0011]所述上位机控制系统(9)与窄线宽激光器(1)相连，对入射光进行调制。
[0012]利用一种基于反射光的高频振动传感系统实现高频振动信号的解调方法，该方法包括以下步骤：
[0013]步骤1、窄线宽激光器(1)发出的激光束经1
×
2光纤耦合器(2)分成两路，一路经声光调制器(3)调制，此路为信号臂；另一路本振光为参考臂，两路光信号在2
×
2光纤耦合器(4)中形成拍频信号；拍频信号被2
×
2光纤耦合器(4)分成1:1的两束进入平衡光电探测器(7)，平衡光电探测器(7)对两束入射信号进行差分处理，去除其直流分量和系统共模噪声，保留包含振动信号的交流分量；
[0014]步骤2、利用上位机控制系统(9)的控制程序调节窄线宽激光器(1)的输出激光，使输出激光波长接近光栅传感器(6)的布拉格光栅反射谱的中心波长，以及，调整激光输出功率低于声光调制器(3)的最大额定功率；
[0015]步骤3、数据信号输出模块(801)向声光调制器3输出直流射频信号，声光调制器根据射频信号对入射光进行调制；
[0016]步骤4、数据信号采集模块(802)根据香农采样定律以大于待采集信号频率两倍的采集频率进行数据采集；
[0017]步骤5、将数据采集信号送到解调程序，所述解调程序采用正交解调算法进行以下处理：
[0018]平衡光电探测器(7)采集的拍频信号如公式(1)所示，
[0019][0020]其中，I
S
(t)表示采集到的光电流，E
R
表示反射光信号振幅，E
C
表示参考信号的振幅，ω表示声光调制器的移频量，表示反射光的附加相位，包含调制光栅的待测振动信号，t表示采集时间；
[0021]通过对拍频信号进行傅里叶变换，得到拍频信号的频域信息，如公式(2)所示，
[0022][0023]其中，Y(k)表示变换后的频谱幅值，n表示拍频信号的长度，W
n
＝e
(
‑
2πi)/n
，j和k表示光电流I
S
和频谱幅值Y(k)序列的第j和k个数据点，i表示虚数单位；
[0024]在频谱中频谱幅值Y(k)最大时对应的频率值为声光调制器施加的频率值ω；将拍频信号与频率为ω的本振信号交叉相乘后再通过低通滤波器过滤，之后，通过反正切算法和解包裹算法还原得到振动信号。
[0025]与现有光栅振动传感系统相比，本专利技术具有以下优点：
[0026](1)基于光纤布拉格光栅的反射光相位对振动信号进行表征，光信号相位变化比光功率强度变化更加敏感，因此较基于光强的振动传感系统对高频振动信号的探测灵敏度更高；
[0027](2)窄线宽激光器发射的激光束波长在光栅反射谱反射峰的范围内即可，对光栅传感器无过高要求，对大部分反射率光纤光栅具有普适性；普通光纤光栅价格低廉，更适合实际应用检测和大规模铺设。
附图说明
[0028]图1为本专利技术的基于光纤布拉格光栅反射光的高频振动传感系统结构示意图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于反射光的高频振动传感系统，实现了振动信号采集和解调，其特征在于，该系统包括窄线宽激光器(1)、1
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2光纤耦合器(2)、声光调制器(3)、2
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2光纤耦合器(4)、光纤环形器(5)、光纤光栅传感器(6)、平衡光电探测器(7)和数据采集卡(8)和上位机控制系统(9)；所述窄线宽激光器(1)与所述1
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2光纤耦合器(2)相连，经所述1
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2光纤耦合器(2)产生两路输出：一路为90％的信号光输出，另一路为10％本振参考光输出；其中，在信号光传输光路中设置串联的所述声光调制器(3)、所述光纤环形器(5)和所述光栅传感器(6)；1
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2光纤耦合器的第一输出端(201)连接至所述声光调制器(3)输入端，所述声光调制器(3)输出端连接至光纤环形器的输入端(501)，所述光纤环形器的第一输出端(502)连接至所述光栅传感器(6)；在本振参考光传输光路中设置串联的所述2
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2光纤耦合器(4)、所述平衡光电探测器(7)、所述数据采集卡(8)和所述上位机控制系统(9)；1
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2光纤耦合器的第一输出端(202)连接至2
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2光纤耦合器的第一输入端(401)，2
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2光纤耦合器的第一输出端(403)、2
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2耦合器的第二输出端(404)分别与平衡光电探测器的第一输入端(701)、平衡光电探测器的第二输入端(702)相连，所述(8)进一步包括数据采集卡的信号输出模块(801)和数据采集卡的信号采集模块(802)，所述平衡光电探测器(7)输出端连接至数据采集卡的信号采集模块(802)；光纤环形器第二输出端(503)连接至2
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2耦合器的第二输入端(402)；数据采集卡的信号输出模块(801)连接至声光调制器(3)；所述上位机控制系统(9)与窄线宽激光器(1)相连，对入射光进行调制。2.利用一种基于反射光的高频振动传感系统实现高频振动信号的解调...

【专利技术属性】
技术研发人员：张学智，陈冠龙，刘铁根，江俊峰，彭敏，刘召柱，孙浩楠，刘琨，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：