基于法布里-珀罗标准具的静压和声压双参量测量的传感系统及方法技术方案

本发明专利技术属于光纤传感技术领域，提出了一种基于法布里

【技术实现步骤摘要】
基于法布里
‑
珀罗标准具的静压和声压双参量测量的传感系统及方法


[0001]本专利技术涉及光纤传感
，尤其涉及一种基于法布里
‑
珀罗标准具的静压和声压双参量测量的传感系统及方法。

技术介绍

[0002]法布里
‑
珀罗干涉(FPI)型光纤传感器可以设计成多种对声压敏感的结构，由于其结构紧凑、灵敏度高、抗电磁干扰等优势在压力、声等参数监测方面被广泛应用，是光纤传感技术的典型代表产品，在工业制造、医疗检测、航空航天等领域发挥着重要作用。随着FPI传感器应用领域拓展，高静压背景下高频声压信号测量逐渐成为该类传感器应用的瓶颈。当前，以膜片式非本征法布里
‑
珀罗干涉(EFPI)光纤压力传感器较为常见，其通过探测膜片受压形变所引起的法布里
‑
珀罗腔长变化来实现对压力参量的传感。而由于该类型传感器主要依靠膜片的机械形变来实现传感器的测量性能，传感器的灵敏度、分辨率、动态范围等性能指标常受到膜片的材料、厚度、半径等参数的限制。另一方面，在航空声学、涡轮发动机等典型应用中，压力往往表现出动态声压叠加在大的静态压力上的特性，对静压和高频声压的实时精确测量对提高气轮机的性能和寿命有重要的现实意义。高静压背景往往会超出传统EFPI光纤压力传感器膜片的线性测量范围，从而无法实现高静压的测量。同时，静态压力等缓变信号往往对EFPI传感器腔长产生显著影响，EFPI传感器腔长变化呈现出静压导致的大动态范围准静态直流量与声压引起的小动态范围高频交流量叠加的特性，目前，难以实现高静压背景下的声压测量。因此，实现上述复杂环境测量的新型传感器结构和相应双参量精确解调算法是亟需解决的问题。
[0003]近年来，光纤法布里
‑
珀罗标准具(FPE)型传感结构成为FPI压力传感方向的研究热点。FPE型传感器的结构如图2所示，由两块高度平行、部分透射的高反射镜构成。其测量原理如图3所示，主要是依赖于检测腔内静压力改变、声波扰动引起的反射镜之间的空气折射率变化来实现传感功能。该方法的优势：(1)不涉及膜片机械变形部分即可实现压力测量，具有很好的频率响应、较大的动态范围、在高声压级下传感器依旧可以正常工作。(2)高反射率的FPE型传感器精细度高，反射谱线非常尖锐，因此可以实现压力参量的高灵敏度检测。FPE型传感器尤其适用于高静压环境下，静压和声压双参量高灵敏测量。
[0004]在光纤FPI传感的现有解调技术中，基于白光干涉的光谱解调方法是最常用的方法。光谱解调需要获取光纤FPI传感器输岀干涉光信号的光谱分布，无论采用扫描激光、光栅光谱仪等方法均难以在极短时间内获取光谱信息且系统成本高，无法满足光纤非本征法布里
‑
珀罗传感器髙频声压信号解调需求。对大动态范围准静态参量与小动态范围高频分量双参量联合传感解调技术中[如文献1:北京遥测技术研究所，航天长征火箭技术有限公司.一种光纤EFPI传感器解调装置:CN201811393529.9[P].2019
‑
03
‑
08；文献2：X.Fu et al.，"Intensity Demodulation Based Fiber Sensor for Dynamic Measurement of Acoustic Wave and Lateral Pressure Simultaneously，"in IEEE Photonics Journal，
vol.8，no.6，pp.1
‑
13，Dec.2016；]，一般采用宽带光源、窄带光源结合或宽带光源、波分复用器和多个探测器结合办法，系统结构复杂，光路之间易出现串扰。现有FPI传感器的解调方法难以满足复杂环境对静压和声压双参量测量应用需求，限制了光纤FPI传感器在高静压背景下高频声信号测量方向的进一步应用。
[0005]基于Vernier调谐效应的分布式布拉格反射器(Vernier tuned distributed Bragg reflector，VT
‑
DBR)激光器作为一种快速宽可调谐激光器，它已被广泛用于光学相干断层扫描(OCT)和激光雷达研究领域，得益于其快速全谱扫描和精确单波长窄线宽输出两种模式之间的灵活切换特性，在FPE型传感器测量过程中，可以同时满足多种解调算法的光源需求，是FPE多参量传感测量应用中的理想光源。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种基于法布里
‑
珀罗标准具的静压和声压双参量测量的传感系统及方法，实现大动态范围低频静压和高频微扰声压同时存在环境下传感器的高速解调。
[0007]本专利技术的技术方案：
[0008]一种基于法布里
‑
珀罗标准具的静压和声压双参量测量的传感系统，包括光纤法布里
‑
珀罗标准具型压力传感器3、波长控制和同步采集模块4、激光器5、光电探测器6、数据处理模块7和光纤环形器8；
[0009]光纤法布里
‑
珀罗标准具型压力传感器3用于测量静压和声压，其包括导入光纤1和光纤法布里
‑
珀罗标准具2，二者连接；光纤环形器8分别与光纤法布里
‑
珀罗标准具型压力传感器3、激光器5、光电探测器6相连；波长控制和同步采集模块4分别连接激光器5、光电探测器6、数据处理模块7相连；波长控制和同步采集模块4控制激光器5的波长控制和输出；波长控制和同步采集模块4根据时钟同步，同时进行光电探测器6数据的采集、转换并传输至数据处理模块7；
[0010]光纤环形器8将来自激光器5的光信号引入光纤法布里
‑
珀罗标准具型压力传感器3，来自光纤法布里
‑
珀罗标准具型压力传感器3的反射光信号再次经过光纤环形器8被光电探测器6探测；光电探测器6将探测到的光信号转换为模拟信号，经波长控制和同步采集模块4采集后传输给数据处理模块7进行信号处理和反馈控制；波长控制和同步采集模块4根据接收的用户指令选择进行全光谱扫描模式，后根据阈值条件选择全光谱扫描模式或单波长输出模式，从而实现静压和动态声压的双参量探测。
[0011]所述激光器5为宽可调谐波长扫描激光器，具体为基于Vernier调谐效应的分布式布拉格反射器。所述光纤法布里
‑
珀罗标准具2为无膜片结构。
[0012]一种基于法布里
‑
珀罗标准具的静压和声压双参量测量的传感系统的解调方法，包括以下步骤：
[0013]1)波长控制和同步采集模块4控制激光器5进行线性波长扫描，通过光电探测器6同步采集强度数据，获取光纤法布里
‑
珀罗标准具型压力传感器3的全干涉光谱；
[0014]2)根据光纤法布里
‑
珀罗标准具型压力传感器3的全干涉光谱，再通过白光干涉信号处理算法，计算出在静压环境下的光学腔长L
f
，确定静本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于法布里
‑
珀罗标准具的静压和声压双参量测量的传感系统，其特征在于，该基于法布里
‑
珀罗标准具的静压和声压双参量测量的传感系统包括光纤法布里
‑
珀罗标准具型压力传感器(3)、波长控制和同步采集模块(4)、激光器(5)、光电探测器(6)、数据处理模块(7)和光纤环形器(8)；光纤法布里
‑
珀罗标准具型压力传感器(3)用于测量静压和声压，其包括导入光纤(1)和光纤法布里
‑
珀罗标准具(2)，二者连接；光纤环形器(8)分别与光纤法布里
‑
珀罗标准具型压力传感器(3)、激光器(5)、光电探测器(6)相连；波长控制和同步采集模块(4)分别连接激光器(5)、光电探测器(6)、数据处理模块(7)相连；波长控制和同步采集模块(4)控制激光器(5)的波长控制和输出；波长控制和同步采集模块(4)根据时钟同步，同时进行光电探测器(6)数据的采集、转换并传输至数据处理模块(7)；光纤环形器(8)将来自激光器(5)的光信号引入光纤法布里
‑
珀罗标准具型压力传感器(3)，来自光纤法布里
‑
珀罗标准具型压力传感器(3)的反射光信号再次经过光纤环形器(8)被光电探测器(6)探测；光电探测器(6)将探测到的光信号转换为模拟信号，经波长控制和同步采集模块(4)采集后传输给数据处理模块(7)进行信号处理和反馈控制；波长控制和同步采集模块(4)根据接收的用户指令选择进行全光谱扫描模式，后根据阈值条件选择全光谱扫描模式或单波长输出模式，从而实现静压和动态声压的双参量探测。2.根据权利要求1所述的基于法布里
‑
珀罗标准具的静压和声压双参量测量的传感系统，其特征在于，所述激光器(5)为宽可调谐波长扫描激光器。3.根据权利要求2所述的基于法布里
‑
珀罗标准具的静压和声压双参量测量的传感系统，其特征在于，所述宽可调谐波长扫描激光器为基于Vernier调谐效应的分布式布拉格反射器。4.根据权利要求1或2所述的基于法布里
‑
珀罗标准具的静压和声压双参量测量的传感系统，其特征在于，所述光纤法布里
‑
珀罗标准具(2)为无膜片结构。5.一种基于法布里
‑
珀罗标准具的静压和声压双参量测量的传感系统的解调方法，其特征在于，包括以下步骤：1)波长控制和同步采集模块(4)控制激光器(5)进行线性波长扫描，通过光电探测器(6)同步采集强度数据，获取光纤法布里
‑
珀罗标准具型压力传感器(3)的全干涉光谱；2)根据光纤法布里
‑
珀罗标准具型压力传感器(3)的全干涉光谱，再通过白光干涉信号处理算法，计算出在静压环境下的光学腔长L
f
，确定静压大小，同时确定法布里珀罗腔干涉光谱斜率最大处，即正交工作点对应的波长λ0，使光纤法布里
‑
珀罗标准具型压力传感器(3)的灵敏度最大；其中，n为静压变化环境下的腔内折射率，L是光纤法布里
‑
珀罗标准...

【专利技术属性】
技术研发人员：荆振国，彭伟，张杨，郭逸航，刘悦莹，刘强，李昂，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：