[发明专利]基于椭圆拟合的光学低频应变检测系统与检测方法

说明书

本发明公开了基于椭圆拟合的光学低频应变检测系统与检测方法，该系统包括激光器、两个干涉仪、相位调制器、信号发生器、双路光电探测器及数据处理模块；两个干涉仪共用一个干涉臂，该共用干涉臂为参考臂；所述相位调制器设置在两个干涉仪的参考臂上；两个干涉仪由其中一个传感臂感知外部应变，而参考臂与另一传感臂用于隔绝外界干扰；本发明所述基于双干涉仪和椭圆拟合算法的光学低频应变检测方法通过在相位解调技术中引入椭圆拟合算法，以处理直流分量的偏置和通道间干涉信号的条纹可见度，可以直接计算出干涉信号的相位差，根据椭圆拟合算法计算出的相位差来计算光纤长度的变化，从而实现对低频应变的检测。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体的，涉及一种基于椭圆拟合的光学低频应变检测系统与检测方法。

背景技术

光纤传感器以其高灵敏度、宽动态范围、抗电磁干扰性等优点在许多领域得到了广泛的应用。传感领域包括温度，折射率，磁场，应变等；光纤应变传感器，特别是对于低频波段，在许多应用中发挥了更重要的作用，如桥梁和建筑物健康检查、地层移动、地震监测等。在光纤应变传感器方面，提出了许多传感器结构，如光纤布拉格光栅、法布里-珀罗干涉仪、萨格纳克干涉仪、马赫-曾德干涉仪、光纤激光等，同时在应变传感领域也有一些应用技术，如弱值放大、相敏光时域反射测量等。

光纤应变传感器的常见结构是传感光纤感知外力，从而导致光纤的横向或轴向应变。这反过来又改变了在光纤芯中传输的光的一个或多个物理特性，如相位、波长、偏振或强度。这些应变传感器可分为两大类：一是基于光学干涉测量，通过解调相位变化可以恢复有用的信号；二是基于频移，包括大多数基于光纤光栅和光纤激光的传感器。其中，干涉传感技术应用最广泛，最可靠，为了消除相位衰落的影响，提出并演示了各种相应的相位解调技术。典型的解调算法主要包括一般外差法，相位生成载波(PGC)，白光干涉测量(WLI)无源相移解调。

PGC具有线性度好，灵敏度高，相位测量精度高，传感器复用等优点。因此，PGC已成为最广泛使用的解调方法。然而，PGC解调方案在动态范围和频率范围上都有局限性。无源相移解调包括双腔干涉仪相移解调技术，多波长相移解调技术，3×3耦合器算法等。无源相移解调技术具有频率响应宽、灵敏度高、动态范围大等特点，被认为是最实用的解调方法。然而，它必须克服两个问题。首先，初始相位差必须精确地固定在π/2或2π/3，然而，精确的固定相位差是不方便和不切实际的。第二，要执行差分交叉乘法(DCM)算法或Arctangent算法(ATAN)，必须排除或归一化非本征法布里-珀罗干涉仪的直流量和条纹可见度，这取决于传感器的反射器和光纤配置的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于椭圆拟合的光学低频应变检测系统与检测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

基于椭圆拟合的光学低频应变检测系统，包括激光器、两个干涉仪、相位调制器、信号发生器、双路光电探测器及数据处理模块；

两个干涉仪共用一个干涉臂，该共用干涉臂为参考臂；

所述相位调制器设置在两个干涉仪的参考臂上；

两个干涉仪由其中一个传感臂感知外部应变，而参考臂与另一传感臂用于隔绝外界干扰；

所述信号发生器和相位调制器在两个干涉仪中引入相位调制信号；

所述的双路光电探测器与两个干涉仪连接，双路光电探测器用于将双路干涉信号转换为双路电信号；

所述数据处理模块与双路光电探测器连接，数据处理模块对双路电信号做基于椭圆拟合算法的相位解调，计算得出双干涉仪相位差变化，进而得出光纤长度变化。

作为本发明的进一步方案，所述干涉仪为光纤干涉仪。

作为本发明的进一步方案，光纤干涉仪包括迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德干涉仪与法布里－珀罗干涉仪。