专利名称：虚拟干涉型光纤传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器，尤其涉及一种虚拟干涉型光纤传感器。
技术背景干涉型光纤传感器是一种利用光的干涉来实现某种物理量测量功能的传感器。干涉型光纤传感器通常包括了Michelson干涉型光纤传感器，Mach-Zehnder 干涉型光纤传感器，Fabry-Perot干涉型光纤传感器，Sagnac干涉型光纤传感器 等多种不同结构，干涉型光纤传感器在声学压力，弱磁场，加速度，微震动， 角速度，温度各种物理量的测量方面得到了广泛的应用。 一个典型的Sagnac干 涉型光纤传感器结构如图l所示，它主要包括了激光器、第一耦合器、起偏器、 第二耦合器、相位调制器、光纤环、光电检测器、保偏光纤。相较于传统的干涉型传感器，干涉型光纤传感器因采用了光纤技术而具有 更高的测量精度和灵巧的结构，也正因如此，对干涉型光纤传感器输出信号的 检测与解调也提出了较高的要求。但在解调系统的设计与测试过程中，直接采 用干涉型光纤传感器作为输出信号源会产生一定的困难。首先，正如图l所示， 光路部分的构建比较繁琐，并且用于高精度测量的隔振水平台成本较高。其次， 以双光束干涉型光纤传感器为例，由于输出与相位呈周期性关系，因此确定所 检测的相位位于第几象限极为重要，在实际操作中，时常出现特殊相位点相互 混淆的情形。而为了检测解调算法在这些点时是否会出错，我们需要干涉型光 纤传感器能够非常精确地调整输出，使输出信号的相位值达到这些特殊相位点， 而这在操作过程中是非常困难的。基于以上原因，设计出一种虚拟的干涉型光纤传感器具有很重要的意义， 该型虚拟干涉型光纤传感器不仅具有比较简单的结构和较短的制作周期，更可 以模拟各种光纤干涉仪系统的前端输出，对后端的解调系统进行方便的测试与 特殊相位点检测，达到很好的效果。 发明内容本发明提供了一种结构简单、制造成本低廉且检测精度高的虚拟干涉型光 纤传感器。虚拟干涉型光纤传感器中的单片机与正弦载波产生模块、通用函数信号生 成模块相连接，单片机与虚拟待测物理量生成模块、通用函数信号生成模块相 连接。所述的通用函数信号生成模块的内部模块连接关系为第一信号调整模块 与第一正弦信号生成模块、模拟除法器、第一乘法器、加法器、第二乘法器相 连接；第二信号调整模块与第二正弦信号生成模块、模拟除法器相连接；第一 基准电压模块，第二基准电压模块与第一减法器、比例系数生成模块，第一乘 法器相连接；第三基准电压模块，第四基准电压模块与第二减法器、偏置常数 设置模块、加法器相连接；增益控制模块与第二乘法器相连接；电压/角度转换 设置模块与第一正弦信号生成模块，第二正弦信号生成模块相连接。所述的正弦载波产生模块的内部模块连接关系为单片机与第一寄存器、 相位累加器、第二寄存器、相位调制器、正弦波形查找表、数模转换模块相连 接；单片机与第三寄存器、相位调制器相连接。所述的虚拟待测物理量生成模块的内部模块连接关系为单片机与解码器， 驱动器模块、锁存器模块、开关网络模块、流压转换模块相连接，基准电压生 成模块与开关网络相连接。本发明通过简单的电路设计构建出各种类型，结构的干涉型光纤传感器， 并提供高精度，高稳定性的虚拟干涉型光纤传感器输出电学信号，方便对各种 解调系统进行测试与改进。可方便的精确改变虚拟待测物理量，达到检测中的 特殊相位点，检测解调系统在这些特殊相位点是否会出现错误解调。这些特殊 相位点在使用真实的干涉型光纤传感器时是很难精确达到的。本发明与计算机产生模拟信号的技术相比，具有不弓I入高频数字量化噪声， 结构简单等特点。它较低的成本，较短的制作周期，使其在实际工程应用中可达到很好的效果。
图1是典型的Sagnac干涉型光纤传感器结构图；图2是虚拟干涉型光纤传感器结构图；图3是正弦载波产生模块原理图；图4是虚拟待测物理量生成模块原理图；图5是通用函数信号生成模块原理图； 图6是虚拟Sagnac干涉型光纤传感器输出信号波形图； 图7是真实Sagnac干涉型光纤传感器输出信号波形图； 图8是解调输出的Sagnac相移与输入虚拟相移电压基准信号关系曲线图。
具体实施方式
如图2所示，虚拟干涉型光纤传感器中的单片机与正弦载波产生模块、通用函数信号生成模块相连接，单片机与虚拟待测物理量生成模块、通用函数信 号生成模块相连接。其中正弦载波产生模块用来产生稳定性高，可精确控制频 率与相位的正弦波，它与通用函数信号生成模块的载波信号输入端口相连，为 通用函数信号生成模块提供高精度，高稳定性的正弦载波；虚拟待测物理量生 成模块可生成高精度的虚拟待测物理量电压参考信号，与通用函数信号生成模 块的虚拟待测物理量输入端口相连，为通用函数信号生成模块提供虚拟的待测 物理量，并可精确的改变其输入值。通用函数信号生成模块可以依据使用需要 改变其设置并根据其工作原理模拟生成各种干涉式光纤传感器的电学输出信 号。如图3所示，正弦载波产生模块的内部模块连接关系为单片机与第一寄 存器、相位累加器、第二寄存器、相位调制器、正弦波形査找表、数模转换模 块相连接；单片机与第三寄存器、相位调制器相连接。正弦载波产生模块利用 单片机来设置正弦载波的频率，相位，采用高速査表法生成了频率，相位可调 的正弦载波信号。其具体实施方法为由图3中的单片机输出频率控制字，相 位控制字与系统时钟，系统时钟为第一寄存器，第二寄存器，第三寄存器提供 统一的时钟信号；频率控制字输入至第一寄存器，在相位累加器处与相位累加 器输出的反馈信号进行累加，累加结果进入第二寄存器；相位控制字进入第三 寄存器，与第二寄存器中的频率控制字累加结果在相位调制器处相加，其结果 进入正弦波形查找表后输出数字量正弦波，经过数模转换后输出频率，相位可 调的高精度正弦载波信号。如图4所示，虚拟待测物理量生成模块的内部模块连接关系为单片机与 解码器，驱动器模块、锁存器模块、开关网络模块、流压转换模块相连接；基 准电压生成模块与开关网络相连接。利用该模块可产生高精度的可调的虚拟待 测物理量电压基准信号。其具体实施方式
为由图4中基准电压生成模块生成 高精度的稳定基准电压信号，作为开关网络中基准电压；解码器，驱动器模块 由并行数字接口接入来自单片机提供的数字量，经锁存器，开关网络后产生稳 定的模拟电流基准信号。该信号经流压转化模块后输出稳定的虚拟待测物理量 电压基准信号。如图5所示，通用函数信号生成模块的内部模块连接关系为第一信号调 整模块与第一正弦信号生成模块、模拟除法器、第一乘法器、加法器、第二乘 法器相连接；第二信号调整模块与第二正弦信号生成模块、模拟除法器相连接; 第一基准电压模块，第二基准电压模块与第一减法器、比例系数生成模块，第一乘法器相连接；第三基准电压模块，第四基准电压模块与第二减法器、偏置 常数设置模块、加法器相连接；增益控制模块与第二乘法器相连接；电压/角度 转换设置模块与第一正弦信号生成模块，第二正弦信号生成模块相连接。利用 第一信号调整模块将正弦载波与虚拟待测物理量电压基准信号接入第一正弦信 号生成模块；利用第二信号调整模块为第二正弦信号生成模块提供输入信号； 由比例系数生成模块提供比例系数，偏置常数设置模块提供适当的直流偏置， 增益控制模块为整个输出信号提供相应参数，从而得到了虚拟干涉型光纤传感 器的输出信号。通用函数信号生成模块的通用运算功能函数为(1)sin(Z>2- 6。其中，sin"- q)为第一正弦信号生成模块的输出；sin(62- ^为第二正弦信号生成模块的输出；sin("2- ^)为模拟除法器的输出;c2- q为比例系数生成模块的输 sm(&2- 6)出；c/2-《为偏置常数设置模块的输出；A为增益控制模块的输出；^为通用函 数信号生成模块最终的输出。下面例举虚拟Sagnac干涉型光纤传感器的具体实施方式
。Sagnac干涉型光 纤传感器具有的输出信号形式为Sg =会/2 V (1 + cos。/ sin w,+人)} ( 2 )其中，/。为光的强度；a为系统的损耗系数；h为光电转换效率；□/为调制深度; /,既为待检测的Sagnac相移。将由正弦载波产生模块生成的正弦载波信号加上由虚拟待测物理量生成模块生成的虚拟相移电压基准信号^后送入通用函数信号生成模块，该模块即可 以生成如公式(1)所示的函数信号。其具体实施方法为首先设置电压/角度的转换比例，目前设置为50。/F。将由正弦载波产生模 块生成的正弦载波0/sinv^与由虚拟待测物理量生成模块生成的虚拟相移电压基准八经第一信号调整模块调整后作为A的输入信号，其形式为"/,+口/si諸 (3) 将"2的输入设置为1. 8V，对应角度为9(T，则"2 = 90'，正弦信号生成模块1输出的 信号为<formula>formula see original document page 7</formula>(4)<formula>formula see original document page 7</formula>
将62的输入设置为1.8V,对应角度为9(T，将6,的输入设置为0V，则正弦信号生成 模块2输出的信号为S2 = sin(>2 - W = sin(9(T - 0。) = 1 (5)将以上两个函数信号接入模拟除法器模块，则除法器输出形式为S — sin(a2- q)— cos(/"5+C]/ sinw/) & 。"' — sin(V sin(90。- 0)~ (6)由比例系数生成模块为其设置比例系数。-c1;由偏置常数设置模块为函数信号提供直流电压偏置《-《；最后就得到了形如公式(2 )所示的虚拟Sagnac干涉型 光纤传感器的输出信号H(c2- c》s，，)-《)]^K)+(C2-d)sin(9。:H。，諸)] (7)sm(90 - 0 )=4(《-《)+ (c2- q)cos(/^ + 口/sinvvf)]产生的输出信号波形如图6所示，图7是真实的Sagnac干涉型光纤传感器 经PIN管光电转换后的信号波形，说明该虚拟Sagnac干涉型光纤传感器能完美 的模拟真实的Sagnac干涉型光纤传感器的电学输出信号。其输入输出线性度测 试结果如图8所示，说明解调输出的Sagnac相移与输入的虚拟相移电压基准信 号成严格的线性关系，可以实现良好的线性控制性能。
权利要求
1.一种虚拟干涉型光纤传感器，其特征在于单片机与正弦载波产生模块、通用函数信号生成模块相连接，单片机与虚拟待测物理量生成模块、通用函数信号生成模块相连接。
2. 根据权利要求1所述的一种虚拟干涉型光纤传感器，其特征在于所述的 通用函数信号生成模块的内部模块连接关系为第一信号调整模块与第一正弦 信号生成模块、模拟除法器、第一乘法器、加法器、第二乘法器相连接；第二 信号调整模块与第二正弦信号生成模块、模拟除法器相连接；第一基准电压模 块，第二基准电压模块与第一减法器、比例系数生成模块，第一乘法器相连接; 第三基准电压模块，第四基准电压模块与第二减法器、偏置常数设置模块、加 法器相连接；增益控制模块与第二乘法器相连接；电压/角度转换设置模块与第 一正弦信号生成模块，第二正弦信号生成模块相连接。
3. 根据权利要求1所述的一种虚拟干涉型光纤传感器，其特征在于所述的 正弦载波产生模块的内部模块连接关系为单片机与第一寄存器、相位累加器、 第二寄存器、相位调制器、正弦波形査找表、数模转换模块相连接；单片机与 第三寄存器、相位调制器相连接。
4. 根据权利要求1所述的一种虚拟干涉型光纤传感器，其特征在于所述的 虚拟待测物理量生成模块的内部模块连接关系为单片机与解码器，驱动器模 块、锁存器模块、开关网络模块、流压转换模块相连接，基准电压生成模块与 开关网络相连接。
全文摘要
本发明公开了一种虚拟干涉型光纤传感器。单片机与正弦载波产生模块、通用函数信号生成模块相连接；单片机与虚拟待测物理量生成模块、通用函数信号生成模块相连接。本发明通过简单的电路设计模拟各种类型的干涉型光纤传感器，并提供高精度，高稳定性的虚拟干涉型光纤传感器输出电学信号，方便对各种解调系统进行测试与改进。可精确改变虚拟待测物理量，从而达到各特殊相位点，并检测解调系统在这些特殊相位点是否会出现解调错误。这些特殊相位点在使用真实的干涉型光纤传感器时是很难精确达到的。本发明与计算机模拟技术相比，具有不引入高频数字量化噪声，结构简单等特点。它较低的成本，较短的制作周期，使其在工程应用中具有很好的效果。
文档编号G01D5/26GK101271005SQ20081006114
公开日2008年9月24日 申请日期2008年3月11日 优先权日2008年3月11日
发明者周柯江, 孙国鑫 申请人:浙江大学