[发明专利]一种基于相位比较的微应力传感器

摘要

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。

主权项

1.一种基于相位比较的微应力传感器，其结构有，泵浦源(1)与光波分复用器(2)的980nm端相连，光波分复用器(2)的1550nm端与缠绕在第一压电陶瓷(11)上的光纤的一端相连，缠绕在第一压电陶瓷(11)上的光纤的另一端与第一光隔离器(10)的输入端相连，第一压电陶瓷(11)的控制端与第一PZT驱动电路(12)的输出端口相连，第一PZT驱动电路(12)的输入端与数模转换电路(13)的输出端口相连，数模转换电路(13)的输入端口与单片机(16)相连；第一光隔离器(10)的输出端与光滤波器(9)的光输入端相连，光滤波器(9)的电控制端与单片机(16)相连，光滤波器(9)的光输出端与光环形器(7)的第一端口相连，光环形器(7)的第二端口与布拉格光栅组(8)的一端相连，光环形器(7)的第三端口与第一光耦合器(5)的输入端相连，第一光耦合器(5)的90％输出端与第二光隔离器(4)的输入端相连，第二光隔离器(4)的输出端与掺铒光纤(3)的一端相连，掺铒光纤(3)的另一端与光波分复用器(2)的公共端相连；第一光耦合器(5)的10％输出端输出与第二光耦合器(6)的输入端相连，第二光耦合器(6)的一个输出端与第二法拉第旋转镜(23)的输入端相连，第二光耦合器(6)另一个输出端与缠绕在第二压电陶瓷(21)上的光纤的一端相连，缠绕在第二压电陶瓷(21)上的光纤的另一端与第一法拉第旋转镜(22)的输入端相连，第二光耦合器(6)的另一个输出端与第二光电转换电路(24)的输入端相连；其特征在于，结构还有，第二光电转换电路(24)的输出端与函数变换电路(25)的输入端相连，函数变换电路(25)的输出端与自适应幅度归一电路(26)的一个输入端相连，基准电压电路(28)的输出端与自适应幅度归一电路(26)的另一个输入端相连，自适应幅度归一电路(26)的输出端与相位比较电路(27)的一个输入端相连；可控频率源(19)的输入端与单片机(16)相连，输出端与相位比较电路(27)的另一个输入端相连，相位比较电路(27)的输出端与单片机(16)相连；可控频率源(19)的输出端还与第二PZT驱动电路(20)的输入端相连，第二PZT驱动电路(20)的输出端与第二压电陶瓷(21)的控制端相连；温度传感器(15)与单片机(16)相连；单片机(16)还分别与输入按键(14)、串口通信模块(17)、显示屏(18)相连；所述的函数变换电路(25)的结构为,电容C3的一端与三角函数转换器U1的管脚12及电阻R2的一端相连，电容C3的另一端作为函数变换电路(25)的输入端，记为端口ACOS_in，与第二光电转换电路(24)的输出端相连；电阻R2的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚2、3、4、5、8、11、13接地，管脚9、10与电容C2的一端及‑12V电源相连，电容C2的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚6与管脚7相连，管脚16与+12V电源及电容C1的一端相连，电容C1的另一端接地；三角函数转换器U1的管脚1与滑动变阻器W1的滑动端相连，滑动变阻器W1的一端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与三角函数转换器U1的管脚14相连，滑动变阻器W1的滑动端作为函数变换电路(25)的输出端，记为端口ACOS_out，与自适应幅度归一电路(26)的输入端相连；所述的三角函数转换器U1的型号为AD639；所述的自适应幅度归一电路(26)的结构为，电容C11的一端与电阻R21的一端及芯片U2的管脚3相连，电阻R21的另一端接地，电容C11的另一端作为自适应幅度归一电路(26)的输入端，记为端口ADAPT_in，与函数变换电路(25)的端口ACOS_out相连；芯片U2的管脚1、管脚7、管脚8、管脚14均接地，管脚2与管脚4均与+5V电源相连，管脚11与管脚12相连并与电容C5的一端及+5V电源相连，电容C5的另一端接地；芯片U2的管脚13与电容C4的一端相连，电容C4的另一端接地；芯片U2的管脚9与电容C6的一端相连，电容C6的另一端接地；芯片U2的管脚5与电阻R20及电阻R19的一端相连，电阻R20的另一端接地，电阻R19的另一端与运放U8的输出端及电阻R17的一端相连，运放U8的正电源端接+5V电源，负电源端接地；电阻R17的另一端与电阻R15的一端及电阻R16的一端相连，并接到运放U8的反相输入端；运放U8的同相输入端与电阻R18的一端相连，电阻R18的另一端与+2.5V电源相连；电阻R15的另一端与电容C10的一端相连，并接到运放U7的输出端；运放U7的正电源端接+5V电源，负电源端接地；电容C10的另一端与滑动变阻器W3的一端及滑动端相连，并接到运放U7的反相输入端；运放U7的同相输入端与电阻R14的一端相连，电阻R14的另一端与+2.5V电源相连；滑动变阻器W3的另一端与电阻R13的一端相连；电阻R16的另一端与滑动变阻器W2的滑动端及运放U6的输出端相连，滑动变阻器W2的一端与电阻R11的一端相连；电阻R11的另一端与电阻R10的一端相连，并接到运放U6的反相输入端；运放U6的正电源端接+5V电源，负电源端接地；运放U6的同相输入端与电阻R12的一端相连，电阻R12的另一端与+2.5V电源相连；电阻R10的另一端与电阻R13的另一端及电阻R7的一端相连，并接到运放U5的输出端；电阻R7的另一端与电阻R6的一端相连，并接到运放U5的反相输入端；电阻R6的另一端接运放U4的输出端，运放U5的正电源端接+5V电源，负电源端接地；电阻R8的一端与电阻R9的一端相连，并接到运放U5的同相输入端，电阻R9的另一端与+2.5V电源相连；电阻R8的另一端作为自适应幅度归一电路(26)的参考电压端，与基准电压电路(28)的参考电压输出端相连；芯片U2的管脚10作为自适应幅度归一电路(26)的输出端，记为端口ADAPT_out，与相位比较电路(27)的一个输入端相连；芯片U2的管脚10与电容C7的一端相连，电容C7的另一端与电阻R22的一端及运放U3的同相输入端相连，电阻R22的另一端接地；电阻R3的一端与电容C8的一端及二极管D1的正极相连，并接到运放U3的反相输入端，运放U3的衬底(即管脚8)接到运放U3的反相输入端；运放U3的正电源端接+5V电源，负电源端接‑5V电源；电容C8的另一端与二极管D1的负极及二极管D2的正极相连，并接到运放U3的输出端；电阻R3的另一端与电阻R4的一端及运放U4的反相输入端相连，电阻R4的另一端与二极管D2的负极及场效应管Q1的栅极相连，场效应管Q1的源极与电容C9的一端及电阻R5的一端相连，电容C9的另一端与电阻R5的另一端相连并接地；场效应管Q1的源极与场效应管Q1的漏极相连，并接到运放U4的同相输入端；运放U4的反相输入端与运放U4的衬底及运放U4的输出端相连；运放U3的正电源端接+5V电源，负电源端接‑5V电源；所述的芯片U2是可变增益放大器芯片，型号是AD8367；所述的相位比较电路(27)的结构为，电容C12的一端与运放U9的同相输入端及电阻R23的一端相连，电容C12的另一端作为相位比较电路(27)的一个输入端，记为端口PHASE_in1，与自适应幅度归一电路(26)的端口ADAPT_out相连；电阻R23的另一端接地；运放U9的正电源端接+5V电源，负电源端接地，反相输入端接地，输出端接D触发器U10A的CLK端；D触发器U10A的D端口接地；电容C13一端接地，另一端接D触发器U10A的PR端；电阻R24一端接D触发器U10A的PR端，另一端接D触发器U10A的Q端；D触发器U10A的CLR端接+5V电源，D触发器U10A的Q非端接D触发器U12A的PR端；电容C14的一端与运放U11的同相输入端及电阻R25的一端相连，电容C12的另一端作为相位比较电路(27)的另一个输入端，记为端口PHASE_in2，与可控频率源(19)的端口SineM_out相连；电阻R25的另一端接地；运放U11的正电源端接+5V电源，负电源端接地，反相输入端接地，输出端接D触发器U10B的CLK端；D触发器U10B的D端口接地；电容C15一端接地，另一端接D触发器U10B的PR端；电阻R26一端接D触发器U10B的PR端，另一端接D触发器U10B的Q端；D触发器U10B的CLR端接+5V电源，D触发器U10B的Q非端接D触发器U12A的CLR端；D触发器U12A的D端和CLK端均接地，Q端作为相位比较电路(27)的输出端，记为端口PHASE_out；所述的基准电压电路(28)的结构为，电阻R27的一端接+5V电源，另一端接运放U13的同相输入端，稳压二极管D3的正极接地，负极接运放U13同相输入端，运放U13的反相输入端与输出端相连，正电源端接+5V电源，负电源端接地，输出端为+2.5V电源，各模块中的+2.5V电源均由该输出端提供；滑动变阻器W4的一端接+2.5V电源，另一端接地，滑动端接运放U14的同相输入端；运放U14的反相输入端接其输出端，正电源端接+5V电源，负电源端接地，输出端作为基准电压电路(28)的输出端，记为端口Vref，与自适应幅度归一电路(26)的参考电压端相连；所述的可控频率源(19)的结构为，电阻R28的一端接+12V电源，另一端接三极管Q1的基极；电阻R29的一端接三极管Q2的基极，另一端接地；电阻R30的一端接+12V，另一端接三极管Q2的集电极；电解电容C17的正极接三极管Q2的集电极，负极接三极管Q3的基极；电阻R31的一端接三极管Q2的发射极，另一端接电解电容C16的正极；电阻R32的一端接电解电容C16的正极，另一端接地；电解电容C16的负极接地；电阻R33的一端接+12V电源，另一端接三极管Q3的基极；电阻R34的一端接三极管Q3的基极，另一端接地；电阻R35的一端接+12V电源，另一端接三极管Q3的集电极；电阻R36的一端接三极管Q3的发射极，另一端接地；电解电容C18的正极接三极管Q3的发射极，负极接地；电解电容C19的正极接三极管Q3的集电极，负极接热敏电阻Rt1的一端；热敏电阻Rt1的另一端接三极管Q2的发射极；电解电容C20正极接三极管Q3的集电极，负极接芯片U15的管脚2；电容C21的一端接芯片U15的管脚3，另一端接芯片U16的管脚2；电容C22的一端接芯片U16的管脚2，另一端接地；电解电容C23的正极接芯片U16的管脚2，负极接三极管Q2的基极；电容C24的一端接芯片U15的管脚5，另一端接地；电容C25的一端接芯片U16的管脚5，另一端接地；芯片U15的管脚1和管脚10接+5V电源，管脚4和管脚6接地；管脚9接电阻R37的一端，管脚8接电阻R38的一端，管脚7接电阻R39的一端；电阻R37的另一端作为可控频率源(19)的一个输入端口，记为端口SineM_in1；电阻R38的另一端作为可控频率源(19)的另一个输入端口，记为端口SineM_in2；端口SineM_in1和端口SineM_in2与单片机16的输入端相连；电阻R39的另一端接+5V电源；芯片U10的管脚1和管脚10接+5V电源，管脚4和管脚6接地；管脚9接电阻R40的一端，管脚8接电阻R41的一端，管脚7接电阻R42的一端；电阻R40的另一端接端口SineM_in1；电阻R41的另一端接端口SineM_in2；电阻R42的另一端接+5V电源；电解电容C18的负极作为可控频率源(19)的输出端口，记为SineM_out。