[发明专利]一种光纤EFPI传感器解调装置

说明书

本发明公开了一种综合光谱解调、强度解调技术的光纤EFPI传感器高速解调装置，可应用于大动态范围低频信号和高频微扰动同时存在的工作环境，有效提取传感器特征信息。该装置通过采用光谱解调技术确定光纤EFPI传感器的准静态腔长，在此基础上由强度解调技术得到腔长的高频微扰，实现高速解调。为避免强度解调中出现“盲区”现象，该装置采用双波长强度解调技术，确保在一定EFPI腔长变化范围内始终存在位于“非盲区”的光信号。

技术领域

本发明属于光纤传感领域，尤其涉及一种光纤外腔法布里-珀罗干涉型(EFPI)传感器解调装置。

背景技术

光纤EFPI传感器被广泛应用于压力、应变、振动、温度等参数监测，是光纤传感技术的典型代表产品，在航天、航空、海洋、地质、医疗健康等领域发挥着重要作用。随着光纤EFPI传感器应用领域拓展，高频信号测量逐渐成为该类传感器应用的瓶颈。该瓶颈主要是归结于光纤EFPI传感器解调端能力不足。光纤EFPI传感器解调的本质在于获取EFPI腔长。低精细度光纤EFPI传感器可近似为双光束干涉，其解调方法可分为强度解调、光谱解调和光楔解调。光谱解调需要获取光纤EFPI传感器输出宽带光信号的光谱分布，无论采用扫描激光法、体相位光栅CCD光谱分光法或傅里叶变换光谱法均难以在极短时间内获取光谱信息。光楔解调方法需获取光楔不同位置处的自相关强度分布，也需要依赖线阵CCD进行光强度分布测量，其速度与光谱法相仿，均难以满足高速光纤EFPI传感器解调需求。强度解调方法通过三角函数运算，可高速获取对应的腔长信息，但存在腔长可变化动态范围小、易出现过周期、“盲区”等现象。

另一方面，结构材料超声探伤、环境脉动压力监测等典型高频应用往往伴随温度变化、结构变形、静态压力。而温度等缓变信号往往对EFPI腔长产生显著影响，EFPI腔长变化呈现出大动态范围准直流量与小动态范围高频交流量叠加的特性。现有各种解调方法难以充分满足上述复杂环境应用需求，限制了光纤EFPI传感器的进一步应用。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种光纤EFPI传感器解调装置，实现大动态范围低频信号和高频微扰动同时存在的环境下的传感器高速解调，拓展了光纤EFPI传感器的应用领域。

本发明的技术解决方案是：

一种光纤EFPI传感器解调装置，包括光源、第一分光耦合器、第二分光耦合器、第三分光耦合器、第四分光耦合器、光纤环行器、光谱测量模块、数据采集及处理终端、双波长强度参考模块和双波长强度测量模块；

光源用于向第一分光耦合器提供主动测量宽带光信号；

第一分光耦合器将宽带光信号分为两路，其中一路通过光纤环行器传输给传感器，另一路经第二分光耦合器，分成两路，进入双波长强度参考模块，进行滤波和强度测量，得到的强度参考信号输出给数据采集及处理终端；

传感器的反射光信号经光纤环行器传输给第三分光耦合器，第三分光耦合器将接收的光信号分成了两路，其中一路进入光谱测量模块进行光谱测量，测量得到的电信号输出给数据采集及处理终端；另一路经第四分光耦合器分成两路，进入双波长强度测量模块，进行滤波和强度测量，得到的强度测量信号输出给数据采集及处理终端；

数据采集及处理终端根据光谱测量结果计算得到传感器准静态腔长，根据准静态腔长、强度参考信号和强度测量信号计算得到传感器腔长高频微扰量和实际腔长。

双波长强度参考模块和双波长强度测量模块组成相同，均包括两组窄带光强度探测单元，每组窄带光强度探测单元包括一个窄带滤波器和一个光电探测器，两组窄带光强度探测单元中的窄带滤波器中心波长分别为λ₁、λ₂，λ₁、λ₂应满足传感器腔长变化范围内的强度解调需求，确保始终至少有一个中心波长位于强度解调“盲区”外。

数据采集及处理终端根据光谱测量结果，通过傅里叶变换、自相关或寻峰算法，确定传感器准静态腔长；