[发明专利]一种基于相位比较的微应力传感器

说明书

本发明的一种基于相位比较的微应力传感器属于光纤传感器技术领域。其主要结构有泵浦源(1)、光波分复用器(2)、掺铒光纤(3)等。本发明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。

技术领域

本发明属于光纤传感器的技术领域，特别涉及一种基于相位比较的微应力传感器。

背景技术

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，而广泛应用于传感技术领域。目前，应力传感器在工程技术领域具有广泛应用。特别是在纳米粒子相互作用，细胞力学等新兴领域，对于微应力传感器具有迫切需求，桥梁、隧道以及建筑物结构的安全监测更是离不开微应力传感器。而布拉格光纤光栅由于其上述优点使得其构成的应力传感器相比于其它传感器具有更高的可靠性，也更适合恶劣条件下的使用。

与本发明最接近的现有技术是南开大学刘波的博士毕业论文《光纤光栅传感系统的研究与实现》，该文献提供了一种基于非平衡迈克尔逊干涉法解调技术的布拉格光纤光栅传感系统(参见该文献的第24页图3.4)，该光纤传感系统采用非平衡迈克尔逊干涉原理，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非平衡迈克尔逊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应力传感器还需要进一步改进。

发明内容

为了克服现有的布拉格光纤光栅应力传感器存在的缺点，本发明提供一种使用正弦信号作为PZT驱动信号的基于相位比较的微应力传感器，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。

本发明的目的通过以下技术方案实现：