[发明专利]一种基于光纤法珀传感器的非扫描式解调系统

说明书

本发明涉及一种基于光纤法珀传感器的非扫描式解调系统，属于光纤传感技术领域。该系统包括：正透镜、第一自由曲面反射镜、第二自由曲面反射镜、光楔、平凸柱透镜、线阵CCD和数据处理器；正透镜用于接收从光纤法珀传感器获取的具有腔长信息的光，该光经过光纤出射到正透镜上，并将该光发散为平行光；第一自由曲面反射镜用于接收经正透镜发散后的平行光，将其转化为平顶光；第二自由曲面反射镜用于将平顶光出射方向准直，保证入射到光楔的信号光都垂直于其表面；平凸柱透镜用于将光楔透过的矩形光斑转化为一维线性光；线阵CCD用于探测经过平凸柱透镜透过的一维线性光，输出电压信号。本发明能有效解调信号对比度，可提高解调系统的解调精度。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于光纤法珀传感器的非扫描式解调系统。

背景技术

光纤法布里-珀罗传感器(Optical Fiber Fabry-Perot Sensor，简称光纤法珀传感器)是一种技术成熟、应用普遍的干涉性光纤传感器。它具有结构简单、稳定性好、体积小、质量轻、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点，广泛运用于桥梁结构健康监测、土木工程、大型民用建筑安全监测等领域。

光纤法珀传感器的核心是光纤法珀腔，它是在毛细管中固定两段光纤，并保证两端面平整且相互平行，从而形成一个腔长为L的微腔，其结构示意图如图1所示。法珀腔的反射光信号表达式分别为：其中，λ为入射光波长，I₀(λ)为入射光谱，R是法珀腔端面反射率，L是法珀腔腔长。当被测结构发生变化时，传感器的腔长L也会随之发生变化。通过解调腔长L即可获得被测结构的变化。

非扫描式相关解调方法利用光楔实现对腔长L的硬件相关解调，没有可移动部件，稳定性好，是目前光纤法-珀传感器应用较广的解调方法，菲索公司研制的解调系统如图2所示，该系统通过粘接的方式将法珀传感器封装在被测基体表面，宽带光源出射光经耦合器注入到光纤法珀传感器，随后在法珀腔两端面反射并产生干涉，传感器反射光经耦合器另一路传输至解调模块。光信号经凹柱面反射镜整形为一维线性光，然后通过光楔进行二次干涉，最后解调光信号被线阵CCD探测接收。线阵CCD接收信号会在光楔厚度与传感器腔长相等的位置出现一个光强极大值，通过分析线阵光电探测器像敏元最大光强处所对应的光楔厚度，即可解调出光纤法-珀传感器的腔长，由腔长变化表征被测基体的应变。

天津大学研制的解调系统如图3所示，与菲索公司的不同在于采用了偏振片与晶体光楔。携带有腔长信息的反射光通过柱透镜被聚焦为线性光，线性光通过偏振片1后变成线偏振光，随后通过光楔被分解为e光和o光，e光和o光通过偏振片2，振动方向被投影到同一方向，最后线阵CCD检测出干涉光强极大值的位置，即可得到被测光纤法珀传感器腔长。

以上两种系统利用光楔实现硬件相关解调，没有可移动部件，稳定性好；但解调模块中仅有凹柱面反射镜或柱透镜对传感器出射光进行整形，入射到光楔表面的信号光能量分布不均匀且角度不垂直，对解调信号对比度有一定影响，具体存在的问题有：

(1)解调模块中光纤出射光呈空间高斯分布，能量集中会导致线阵光电探测器两端像元探测不到光信号，进而降低系统测量范围。

(2)解调模块光纤出射光角度发散，不垂直于光楔表面的入射光对解调信号对比度没有贡献，只会增加本底噪声。

综上所述，对于解调系统，角度垂直于光楔表面的入射光可以在光楔表面产生干涉条纹，即增大有效解调信号对比度，而入射角不垂直于光楔的光被CCD接收，只会增大解调信号中的直流分量即本底噪声，对腔长解调没有帮助。

针对上述解调系统的问题，本发明提出一种新的非扫描式解调系统，用于提高解调系统的解调精度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于光纤法珀传感器的非扫描式解调系统，用于有效解调信号对比度，可提高解调系统的解调精度。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：