[发明专利]基于光电振荡器的准分布式光纤扭转角度测量装置和方法

说明书

本发明提出一种基于光电振荡器的准分布式光纤扭转角度测量装置和方法，可应用于扭矩的多点测量领域。发明通过波分复用技术实现不同传感位置的选择。当选定特定传感位置后，形成两个结构相同的光电振荡器，其中一个为参考光电振荡器，另一个为测量光电振荡器。两个光电振荡器通过波分复用技术共用长光纤延迟模块，形成互参考结构。两个光电振荡器产生的频率相同的微波信号鉴相，获得光纤扭转角度引起的微波信号的相位波动，形成光纤扭转角度的相位解调方式。通过调谐测量光电振荡器中可调谐激光器模块的波长，依次选择传感位置，实现准分布式测量。最终实现基于光电振荡器的、温度不敏感的、可多点测量、准分布式光纤扭转角度测量。

技术领域

本发明属于准分布式光纤测量与传感领域，具体涉及了一种基于光电振荡器的准分布式光纤扭转角度测量方法。

背景技术

扭矩是表征桥梁、建筑、火车轨道等工程结构内部扭力及内部损坏程度的关键参数，通过测量光纤扭转角度是实现扭矩测量的重要测量方法之一。实现结构体多点扭矩测量和分析是提高结构安全和系统效率的重要技术手段。高精度的、快速的、多点扭矩测量对检测结构健康状态、减少安全事故意义重大。

光纤传感器具有结构紧凑、重量轻、测量灵敏度高、抗电磁干扰等优势，因此光纤扭矩传感逐渐替代传统基于电子技术的扭矩传感方法成为主流技术。通常，通过测量光纤扭转角度实现扭矩测量。传统的扭矩传感器主要分为以下两类：一是基于电学方法的扭矩传感器，此类传感器易受电噪声及温度的干扰；二是基于电磁感应现象的扭矩传感器，此类传感器体积庞大，且易受电磁干扰。光纤扭矩传感器具有结构紧凑、重量轻、测量灵敏度高、抗电磁干扰等优势被广泛应用于扭矩测量。目前，光纤扭转传感模块通常是光纤光栅如长周期光纤光栅、光纤布拉格光栅、相移光纤布拉格光栅和干涉仪如Mach-Zehnder、萨格纳克等。

近年来，光电振荡器被用于光纤传感领域，可以实现高速、高分辨率的物理参数测量。然而，基于光电振荡器的传感器易受温度等环境因素的影响。而且，基于光电振荡器的传感器通常为单点测量系统，无法实现多点测量。因此，基于光电振荡器实现光纤扭转角度的多点、精确、快速测量、不受温度等环境因素影响是亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中难以排除温度等外界因素对测量结果的影响，且信号解调速度不高，因而难以满足高精度的实时扭矩测量且无法实现多点测量的问题，提供了一种基于光电振荡器的准分布式光纤扭转角度测量装置和方法，有效克服温度等环境因素对光纤扭转角度测量结果的影响，提高实时光纤扭转角度测量系统的测量精度，且成本低，实现多点测量，能用于需要测量扭转角度和方向的各种场合。

为实现上述发明目的，本发明基于光电振荡器的准分布式光纤扭转角度测量装置，包括参考光电振荡器、测量光电振荡器、微波鉴相模块、信号处理模块，所述参考光电振荡器的输出微波信号与测量光电振荡器的输出微波信号同时输入微波鉴相模块中，微波鉴相模块将输出的鉴相结果输出到信号处理模块，其中：

参考光电振荡器，用于消除包括温度在内的外界因素对距离及其相关参数测量结果的影响；

测量光电振荡器，用于与参考光电振荡器相比较得出待测值；

微波鉴相模块，用于将来自参考光电振荡器的微波信号和来自测量光电振荡器的微波信号进行鉴相；

信号处理模块，用于将来自频谱测量模块的微波信号的频谱信息、频率计数模块测得的中频信号实时频率，通过公式计算获得距离及其相关参数；

本发明使用参考光电振荡器和测量光电振荡器，两个光电振荡器的初始振荡频率相同，且两个光电振荡器的初始环路延时相等，两个光电振荡器的相位差始终为零，温度等环境因素对两个光电振荡器的输出频率的影响相同，使测量结果不受温度等环境因素的影响；本发明解调信号为两个光电振荡器的微波信号相位差，测量难度小，解调成本低。