一种光纤动态疲劳测试设备和测试信号处理方法与流程

本发明属于光纤断裂检测技术领域，尤其涉及一种光纤动态疲劳测试设备和测试信号处理方法。

背景技术：

光纤是现代高速通信系统的主要传输介质，其性能优劣直接关系到通信质量的好坏。光纤的一个重要性能是使用寿命，这一性能通过动态疲劳参数进行表征。所谓动态疲劳是指通过一个恒定位移速率的夹板给光纤施加应力，测量光纤断裂时的断裂应力和时间，求出动态韦伯参数和动态疲劳因子，进而预测光纤的寿命。在上述测试过程中，需要及时准确地检测光纤断裂时的信号，并从中提取有用的信息，因此需要一种装置对光纤断裂的过程进行监测，并对断裂时的信号进行采集和分析。

实际测试中，由于相应国际标准要求的夹板位移速率最低达到了1um/s，最高达到了1000um/s,且有±10％的精度要求，以及光纤断裂时的音频信号是一个极为微弱的超声信号，这就使得光纤动态疲劳测试系统的设计和实现具有一定的技术难度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种光纤动态疲劳测试设备和测试信号处理方法，提高了光纤断裂应力计算的准确度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：首先提供一种光纤动态疲劳测试设备，包括压槽、声发射传感器、信号转换电路、数字信号处理设备、步进电机位移台，声发射传感器将振动信号转换为电压信号；信号转换电路将声发射传感器输出的电压信号进行模数转换，并将转换后的数字量输出；数字信号处理设备接收数字量，将数字量对应的时域信号转换到频域进行分析，并由该数字信号处理设备输出驱动脉冲信号，控制步进电机转动。

按上述技术方案，步进电机位移台与压槽连接，通过脉冲信号控制产生位移。

按上述技术方案，还包括活动压槽，设置在压槽上方，与压槽配合调整光纤的弯曲半径。

按上述技术方案，声发射传感器为中低频声发射传感器。

按上述技术方案，所述压槽为金属压槽，活动压槽为金属活动压槽。

本发明还提供一种光纤动态疲劳测试信号处理方法，该方法包括以下步骤，步骤一，声发射传感器将振动信号转换为电压信号；步骤二，信号转换电路将声发射传感器输出的电压信号进行模数转换，并将转换后的数字量输出；步骤三，数字信号处理设备接收数字量，将数字量对应的时域信号转换到频域进行分析，并由该数字信号处理设备输出驱动脉冲信号，控制步进电机转动。

按上述技术方案，所述步骤三具体包括，对控制脉冲信号和数字信号的频域处理进行独立进程控制和计时，对信号进行快速傅里叶变换(fft)，并对fft的耗时进行控制；对快速傅里叶变换之后的结果进行频域分析，仅响应符合光纤断裂频域特征的幅频信号，计算光纤断裂时的断裂应力。

按上述技术方案，所述对控制脉冲信号和数字信号的频域处理进行独立进程控制和计时具体包括，数字信号处理设备在内部通过两个各自独立的进程控制脉冲信号的产生(记为进程a)和数字信号的频域处理(记为进程b)，当光纤发生断裂时，进程a发出控制脉冲的间隔为t1，进程b将信号处理完毕并判定为一次光纤断裂事件的耗时为t2。

按上述技术方案，所述对信号进行快速傅里叶变换(fft)，并对fft的耗时进行控制具体包括，在采样点数和采样频率固定的情况下，数字信号处理设备采用多级流水线使得t2为一定值。

按上述技术方案，所述计算光纤断裂时的断裂应力具体包括，光纤断裂瞬间的断裂应力由此时压槽与活动压槽之间的间距计算得到，压槽与活动压槽之间之间的间距由步进电机位移台控制，计算在t2时间间隔内产生脉冲的个数n(n＝t2/t1，取整数部分)，换算出从断裂产生到系统判定为断裂事件产生之间金属压槽的位移，扣除这一部分位移即得到光纤断裂瞬间的金属压槽之间的间距。步进电机位移台与压槽连接，通过脉冲信号控制产生位移，活动压槽与压槽配合调整光纤的弯曲半径。

本发明产生的有益效果是：(1)提升了系统的抗干扰能力，一般对光纤断裂信号进行检测的方案中，是对声发射传感器输出的电压信号幅值进行阈值判断，当超过某一个门限值时系统认为检测到光纤断裂信号。在实践中，这种方式会受到周围环境噪音和振动的干扰：即使光纤没有断裂，但是当某些原因导致周围环境的振动或噪音被耦合到声发射传感器，且强度超过设定阈值时，系统会被误触发。而对断裂信号进行频域分析之后，系统具有了窄带滤波的能力，只有振动符合光纤断裂的频域特征的信号才会触发系统。

(2)通过数字信号处理设备内部的多级流水线架构使得fft的计算时间精确，提高了断裂应力计算的准确度。

(3)增加了数据分析的途径。光纤断裂是光纤所受应力、光纤石英纤维强度、光纤涂覆层材料强度、光纤石英材料水解程度这几个因素发生综合作用的结果，通过对断裂音频进行频谱分析有助于更好的区别不同条件造成的断裂情况。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例光纤动态疲劳测试设备的结构框图。

图2为fft耗时与驱动脉冲个数之间的关系示意图。

图3为数字信号处理设备内部主要功能模块的说明。

图4为对光纤断裂信号进行频域分析的结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：图1为本发明实施例中装置的结构框图，固定金属压槽1中夹持一段处于弯曲状态的光纤2，声发射传感器3紧密安装在金属压槽1上。数字信号处理设备4发出驱动脉冲，经导线5驱动步进电机位移台6，使得步进电机位移台6发生匀速位移，使得安装在步进电机位移台上的活动金属压槽7与固定金属压槽1之间的间距越来越小，光纤被挤压弯曲的局部产生的应力就越大。在光纤所受应力、光纤石英纤维强度、光纤涂覆层材料强度、光纤石英材料水解程度这几个因素的综合作用之下，当金属压槽的间距到达某个位置之时，这一段光纤所能承受的应力达到极限，光纤发生断裂。使用数字信号处理设备输出脉冲信号控制步进电机，并在同一个数字信号处理设备中对光纤断裂过程中释放的超声信号进行频域分析。

光纤断裂时，伴随着应力的快速释放会同步产生一个高频的振动信号，这个信号通过金属压槽的传导作用，被声发射传感器3检测到。

在声发射传感器3内部，由于压电陶瓷的压电效应，振动信号被转换为电压信号。信号转换电路8的输入通过一段电缆9连接到采集声发射传感器3的输出端，通过采集声发射传感器的输出电压信号，电路输出一组与电压幅值成正比的数字量。

实施例二：本实施例中，光纤动态疲劳测试信号处理方法包括以下步骤，声发射传感器将振动信号转换为电压信号，信号转换电路将声发射传感器输出的电压信号进行模数转换，并将转换后的数字量输出；数字信号处理设备接收数字量，将数字量对应的时域信号转换到频域进行分析，并由该数字信号处理设备输出驱动脉冲信号，控制步进电机转动。步进电机位移台与压槽连接，通过脉冲信号控制产生位移。

对控制脉冲信号和数字信号的频域处理进行独立进程控制和计时：处理设备在内部通过两个各自独立的进程控制脉冲信号的产生(记为进程a)和数字信号的频域处理(记为进程b)。当光纤发生断裂时，进程a发出控制脉冲的间隔为t1，进程b将信号处理完毕并判定为一次光纤断裂事件的耗时为t2。

对信号进行快速傅里叶变换(fft)，并对fft的耗时进行精确控制，在采样点数和采样频率固定的情况下，在数字信号处理设备可通过采用多级流水线的技术手段使得t2为一定值。

对fft之后的结果进行频域分析，仅响应符合光纤断裂频域特征的幅频信号。在测试现场，有各种环境噪声，多数为设备运行的低频噪声。经实测，光纤断裂的音频信号，其频率峰值约在20khz附件。因此可针对这一频谱范围进行窄带滤波处理，提高系统的抗干扰能力。

计算光纤断裂时的断裂应力：光纤断裂瞬间的断裂应力可由此时金属压槽之间的间距计算得到。而金属压槽之间的间距由步进电机位移台控制，由步进电机的控制原理可知，计算在t2时间间隔内产生脉冲的个数n(n＝t2/t1，取整数部分)，即可换算出从断裂产生到系统判定为断裂事件产生之间金属压槽的位移，扣除这一部分位移即得到光纤断裂瞬间的金属压槽之间的间距。

实施例三：数字信号处理设备4与信号转换电路8通过数字io口10连接，数字信号处理器将数字量进行快速傅里叶转换，计算对应的频域谱。典型的采样速率是100ksps，对1秒的采集数据，即100000个数据点进行了fft计算。通过配置数字信号处理设备，本实施例中选用fpga(现场可编程门阵列)内部的时钟和乘法器、存储器资源，可将每次fft计算的时间精确控制为500毫秒，误差小于10纳秒。500毫秒的取值是经过充分考虑的：为了便于计算，t2最好是1秒的整数倍或是1秒的1/2或者1/5,这样可以不经过n＝t2/t1的计算，直接用位移台的位移速率乘以t2即得到一个整数的位移距离。当t2过长时，由于机械件之间的配合余量，位移台并不一定是严格匀速的，t2越长，这个误差越有可能累积；当t2很小时，又对fpga的性能提出了很高的要求，增加了硬件成本。所以综合考虑之后，将t2控制为500毫秒。

图2为从断裂信号(时域)产生到数字信号处理设备完成fft计算(频域)的总耗时t2，脉冲间隔t1与脉冲个数n之间的关系示意图。

图3为数字信号处理设备4内部的主要功能模块框图。数据缓存区41接收通过数字io口传输的数字量45，在乘法器模块42内完成fft计算，计算结果通过接口46输出。脉冲同步延时模块43根据乘法器完成计算的耗时计算脉冲同步的延迟时间，并通过脉冲发生模块44产生对应的驱动脉冲47输出。

fft完成后的效果为图4所示意的频谱图。

由图4可以看出，此段光纤在测试条件下，所产生的断裂信号振幅约为20mv，振幅最大的信号频率为21.756khz。

所选用的步进电机位移台每步的步距为0.1um。以下按实际测试时步进电机位移台的速率和脉冲间隔t1、fft耗时t2的数据讨论：

在标准测试中，需要以三个不同的速率进行测试，分别是10um/s、100um/s、1000um/s。由于所选用步进电机位移台的步距较小，因此在三个速率条件下，t1都是远小于t2的。按位移速率换算的驱动脉冲频率是：100hz、1000hz、10000hz。由于t1已经精确控制为500毫秒，因此三种速率之下，计算得到n＝50、n＝500、n＝5000。需要扣除的位移是5um、50um和500um。本实施例中，所抽取的合格光纤经测试nd值为22，与之前的测试结果一致。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。