基于双信号相位差的低频应变检测系统及检测方法

1.本发明涉及光纤传感技术领域，具体的，涉及一种基于双信号相位差的低频应变检测系统及检测方法。


背景技术：

2.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。基于双干涉信号相位差的低频应变检测技术为我们的光纤应变测量领域提供了新的思路，通过椭圆拟合算法，计算出双干涉仪相位差的变化，利用该相位差变化表征外界的应变。
3.上述技术避免了无源移相解调通常存在的限制：首先，初始相位差必须精确地固定在π/2或2π/3；其次，要执行差分交叉乘法(dcm)算法或反正切算法(atan)；然而双干涉信号相位差低频应变检测技术存在相位差测量范围的限制：当相位差超过0到180
°
时，检测系统无法分辨两路干涉信号的相位差变化方向，即增大还是减小，限制了该技术的实用性。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于双信号相位差的低频应变检测系统及检测方法，解决现有技术中的低频应变检测技术存在相位差测量范围限制的问题。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
6.基于双信号相位差的低频应变检测系统，包括激光器、两个干涉仪、两个相位调制器、信号发生器、两个光电探测器及信号解调与调制模块；
7.两个干涉仪共用一个干涉臂，该干涉臂为参考臂，其上设置一个相位调制器；
8.其中一个干涉仪的干涉臂用于感知外部应变，是为传感臂；
9.另一干涉仪的干涉臂，为补偿臂，其上设置一个相位调制器；
10.两个干涉仪由传感臂感知外部应变，而参考臂与补偿臂用于隔绝外部应变干扰；
11.所述信号发生器和参考臂上的相位调制器在两个干涉仪中引入相位调制信号；
12.所述的光电探测器与两个干涉仪连接，光电探测器用于将双路干涉信号转换为双路电信号；
13.所述信号解调与调制模块与两个光电探测器连接，信号解调与调制模块对双路电信号做基于椭圆拟合算法的相位差解调，根据所得相位差，信号解调与调制模块发出电压信号驱动补偿臂上的相位调制器，使双路电信号的相位差趋于一个预设额定值；
14.计算得出双干涉仪相位差变化，进而得出传感臂光纤长度变化。
15.作为本发明的进一步方案，该检测系统的检测方法包括以下步骤：
16.步骤一，两个干涉仪生成双路干涉信号；
17.步骤二，信号发生器对参考臂上的相位调制器进行激励，在两个干涉仪中引入相
位调制信号；
18.步骤三，通过光电探测器将所述的双路干涉信号转换为双路电信号；
19.步骤四，通过信号解调与调制模块对所述的双路电信号做相位差解调；
20.步骤五，根据所得相位差，信号解调与调制模块发出电压信号驱动补偿臂上的相位调制器，使双路电信号的相位差趋于一个预设额定值；
21.步骤六，计算得出双干涉仪相位差变化，进而得出传感臂光纤长度变化。
22.作为本发明的进一步方案，预设额定值为90
°
。
23.作为本发明的进一步方案，步骤四与步骤五的具体步骤为：
24.通过信号解调与调制模块对双路数字信号做基于椭圆拟合算法的数字化解调，得出双干涉仪的相位差βn，得出相位差偏离90
°
的量εn＝β
n-90
°
，信号解调与调制模块中的数据模拟输出器对补偿臂上的相位调制器进行调制δvn，使补偿臂产生εn的相位变化，使双路信号的相位差为90
°
。
25.作为本发明的进一步方案，步骤六中测量双干涉仪的相位差，得出β
n+1
、ε
n+1
，数据模拟输出器对补偿臂上的相位调制器进行调制，使补偿臂产生ε
n+1
＝β
n+1-90
°
的相位变化，相位差单次变化不能超过90
°
，如果超过90
°
，则减小两次测量的时间间隔；根据第n与n+1次的相位差变化ε
n+1
，再进一步计算得出光纤长度变化；根据每次测试得到的εn，绘制出外界应变曲线(αn，tn)，其中
26.本发明的有益效果：
27.本发明通过在干涉信号中引入相位补偿技术，使两路干涉信号的相位差处于90
°
附近，避免了相位差在0或180
°
时出现两信号相位差增大或减小的误判，实现了相位差测量技术的动态范围扩展，提高了双干涉信号相位差低频应变检测技术的实用性。
附图说明
28.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
29.图1是具体实施例中基于双信号相位差的低频应变检测系统的结构示意图；
30.图2是具体实施例中基于双信号相位差的低频应变检测系统的检测方法的相位补偿流程图；
31.图3是具体实施例中基于双信号相位差的低频应变检测系统的检测方法相位补偿时序图。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
33.基于双信号相位差的低频应变检测系统及检测方法，如图1所示，基于双信号相位差的低频应变检测系统包括激光器、两个干涉仪、两个相位调制器、信号发生器、两个光电探测器及信号解调与调制模块；
34.两个干涉仪共用一个干涉臂，该干涉臂为参考臂，其上设置一个相位调制器；
35.所述干涉仪为光纤干涉仪或空间光干涉仪，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；
36.其中一个干涉仪的干涉臂用于感知外部应变，是为传感臂；
37.另一干涉仪的干涉臂，是为补偿臂，其上设置一个相位调制器；
38.两个干涉仪由传感臂感知外部应变，而参考臂与补偿臂用于隔绝外部应变干扰；
39.所述信号发生器和参考臂上的相位调制器在两个干涉仪中引入相位调制信号；
40.所述的光电探测器与两个干涉仪连接，光电探测器用于将双路干涉信号转换为双路电信号；
41.所述信号解调与调制模块与两个光电探测器连接，信号解调与调制模块对双路电信号做基于椭圆拟合算法的相位差解调，根据所得相位差，信号解调与调制模块发出电压信号驱动补偿臂上的相位调制器，使双路电信号的相位差趋于一个处于0-180
°
之间的额定值，该额定值通常设为90
°
，能够为两侧留下充裕的调整空间；
42.计算得出双干涉仪相位差变化，进而得出传感臂光纤长度变化。
43.上述的基于双信号相位差的低频应变检测系统的检测方法，包括以下步骤：
44.步骤一，两个干涉仪生成双路干涉信号；
45.步骤二，信号发生器对参考臂上的相位调制器进行激励，在两个干涉仪中引入相位调制信号；
46.优选幅值大于π/2弧度的相位调制信号；
47.步骤三，通过光电探测器将所述的双路干涉信号转换为双路电信号；
48.步骤四，通过信号解调与调制模块对所述的双路电信号做基于椭圆拟合算法的相位差解调；
49.步骤五，根据所得相位差，信号解调与调制模块发出电压信号驱动补偿臂上的相位调制器，使双路电信号的相位差趋于一个额定值，该额定值通常设为90
°
；
50.步骤六，计算得出双干涉仪相位差变化，进而得出传感臂光纤长度变化。
51.实施例：
52.如图1所示，基于双信号相位差的低频应变检测系统，包括激光器、光分束器、信号解调与调制模块、两个相位调制器、两个光电探测器、三个光耦合器及信号发生器；
53.数据处理模块包括数据采集卡、数据模拟输出器及计算机软件计算；
54.下面结合图1至图3对本发明基于双信号相位差的低频应变检测系统的检测方法进行详细说明，该检测方法包括如下步骤：
55.第一步，所述激光器经光分束器后分为三路光束信号，第一光束信号经光耦合器1到达光电探测器1；第二光束信号经相位调制器1、光耦合器2后分别注入光耦合器1和3；第三光束信号经相位调制器2、光耦合器3到达光电探测器2；第一光束信号与第二光束信号在光耦合器1处相干涉、第三光束信号与第二光束信号在光耦合器3处相干涉，形成两路干涉信号；
56.整个光路所用光纤及光器件均为保偏的。
57.第二步，信号发生器对相位调制器1进行激励，在双干涉仪中引入相位调制信号；
58.步骤三，通过双路光电探测器将所述的双路干涉信号转换为双路电信号；
59.其中两路电信号的初始强度可以表示为：
[0060][0061]
其中，a1和a2为初始信号的直流值，b1和b2为条纹可见度，n为光纤的有效折射率(对于sm光纤，n＝1.46)，λ为激光器的波长，l1和l2分别为干涉仪1和干涉仪2的传感臂长度，φ1和φ2分别为干涉仪1和干涉仪2的初始相位差，为便于分析，设φ1等于φ2，β为φ1和φ2之差，同时也是双干涉仪的相位差，由传感臂1和2的光纤长度差引起，θs为参考臂的光纤长度变化s
t
引起的相位变化，其幅值大于π/2；
[0062]
步骤四，通过信号解调与调制模块中的数据采集卡将所述的双路电信号转换为双路数字信号；
[0063]
步骤五，通过信号解调与调制模块中的计算机对所述的双路数字信号做基于椭圆拟合算法的数字化解调，得出双干涉仪的相位差βn，得出相位差偏离90
°
的量εn＝β
n-90
°
信号解调与调制模块中的数据模拟输出器对补偿臂上的相位调制器进行调制δvn，使补偿臂产生εn的相位变化，使双路信号的相位差为90
°
。
[0064]
步骤六，继续测量双干涉仪的相位差，得出β
n+1
、ε
n+1
，数据模拟输出器对补偿臂上的相位调制器进行调制，使补偿臂产生ε
n+1
＝β
n+1-90
°
的相位变化，另外相位差单次变化不能超过90
°
，如果超过90
°
，则减小两次测量的时间间隔；
[0065]
步骤七，根据第n与n+1次的相位差变化ε
n+1
，再进一步计算得出光纤长度变化；
[0066]
步骤八，根据每次测试得到的εn，绘制出外界应变曲线(αn，tn)，其中
[0067]
具体的，将椭圆拟合算法引入到相位解调技术中，可以使用椭圆拟合算法实时计算出双干涉仪的相位差β，在椭圆方程的一般形式下，式1可表示为：
[0068][0069][0070]
设两个常数v1和v2，用最小二乘拟合法计算出椭圆函数的系数a、b、c、d、e，然后计算出椭圆修正参数β；
[0071][0072]
根据得到的相位差的变化，可以直接计算传感臂的光纤长度差δl。
[0073]
δl可以表示为
[0074]
δl＝(δβ
×
λ)/(180
×4×
n)，
[0075]
其中δβ是相位差β的变化值。
[0076]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。此外，“第一”、“第二”仅由于描述目的，且不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0077]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0078]
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。