光纤双FP复合传感监测设备

本发明涉及光纤复合传感检测，尤其涉及一种光纤双fp复合传感监测设备。

背景技术：

1、光纤fp传感器作为波长、相位调制型光纤传感器，除了具有抗电磁干扰、耐高温耐腐蚀、复用能力强、对压力信号灵敏度高、轻便灵活等优点外广泛应用于航空航天、土木工程、石油石化等领域的温度、应变、位移等多种物理量的监测中。随着光纤传感与解调技术的发展及应用，逐渐衍生出一些问题，具体表现在：1、现有光纤光栅传感器结构复杂；2、现有解调系统体积较大，且多数为光纤光栅解调仪，采用光纤fp解调的装置还较少；3、现有光纤fp解调算法精度较低，较难满足高精度的检测需求；4、光纤传感器解调结果缺乏更直观的人机交互功能以及历史记录调阅功能。

2、上述缺点制约着光纤温度/压力检测系统的应用场景，因此，提供一种光纤双fp温度/压力复合感知的传感监测设备，是非常必要的。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种适用于温度与压力复合采样场合、对压力信号更敏感，且结构更加紧凑的光纤双fp复合传感监测设备。

2、本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了光纤双fp复合传感监测设备，包括光纤双fp复合传感器、光路模块、光环行器模块、光谱仪模块、信号处理模块和触摸显示模块；

3、所述光环行器模块包括第一端口、第二端口和第三端口，第一端口和第二端口单向连通，第二端口和第三端口单向连通；

4、所述光路模块的输出端与光环行器模块的第一端口光路连接，用于产生宽带光信号；

5、光纤双fp复合传感器与光环行器模块的第二端口光路连接，用于接收宽带光信号并将光纤双fp复合传感器的反射光信号送回光环行器模块的第二端口；

6、所述光谱仪模块与光环行器模块的第三端口光路连接，用于接收反射光信号，进行光谱采集并输出光谱信息；

7、信号处理模块分别与光路模块和光谱仪模块信号连接，用于向光路模块提供供电电压，或者接收光谱仪模块输出的光谱信息，进行光纤双fp复合传感器的腔长信息解调；

8、触摸显示模块与信号处理模块通信连接，用于显示输出腔长解调信息或者触摸输入。

9、在以上技术方案的基础上，优选的，所述光纤双fp复合传感器，包括：

10、单模光纤；

11、空心光纤，设置在所述单模光纤轴向延伸方向的一端，并朝着远离单模光纤的方向向外延伸；空心光纤中心处设置有贯通的腔体；

12、填充部，设置在空心光纤内，且设置在单模光纤所在的一侧端部；

13、无芯光纤，设置在空心光纤远离单模光纤的一端，并朝着远离空心光纤的方向向外延伸；

14、其中，单模光纤、填充部和空心光纤的一端形成第一fp腔；填充部、空心光纤未填充段与无芯光纤形成第二fp腔。

15、优选的，当光路模块输出宽带光时，光纤双fp复合传感器的输出光谱 ir0表示为：，其中表示背景光信号的对比度；表示白光干涉信号的对比度；为干涉光谱的相位；为光纤双fp复合传感器的第二fp腔的腔长；为光源波长；为宽带光传播与反射过程中发生的相位变化；故根据不同的光源波长和之间的相位差表示为：，根据干涉光谱中的波长和相位可以求得光纤双fp复合传感器的第二fp腔的腔长。

16、优选的，光纤双fp复合传感器采用如下步骤制成：

17、s1：选取单模光纤、空心光纤和无芯光纤各一段，去除各光纤表面的涂覆层，用无尘纸蘸取酒精擦拭；将单模光纤和无芯光纤的一端切平，空心光纤的两端均切平；

18、s2：将切平后的空心光纤端头浸没在浓度为0.125g/ml的pmma溶液中，溶剂为丙酮溶液，控制进入聚合物段的长度；

19、s3：将填充聚合物溶液后的空心光纤在室温环境下静置一段时间，待丙酮溶液完全挥发后，空心光纤内的聚合物段作为填充部；将填充部所在的空心光纤的一端的与单模光纤的切平端分别置于光纤熔接机中，进行熔接；

20、s4：保留一定未填充聚合物的空心光纤长度，将空心光纤的另一端与无芯光纤的切平的端部进行熔接；

21、s5：将无芯光纤的长度进行切割、研磨，降低无芯光纤的轴向长度即可。

22、优选的，所述光路模块包括sld光源、第一直流降压电路、温度控制电路和恒流驱动电路；第一直流降压电路分别与sld光源、温度控制电路和恒流驱动电路提供电源；温度控制电路用于维持sld光源的工作温度；恒流驱动电路还与信号处理模块通信连接，恒流驱动电路的输出端与sld光源的输入端电性连接，用于为sld光源提供恒定的驱动电流。

23、优选的，所述温度控制电路包括负温度系数的热敏电阻、精密电阻、半导体制冷片tec和模数转换器，热敏电阻设置在sld光源的表面，用于获取sld光源表面的温度信号；热敏电阻的一端与参考电压电性连接，热敏电阻的另一端分别与精密电阻的一端和模数转换器的输入端电性连接，模数转换器的输出端与信号处理模块通信连接，精密电阻的另一端接地；半导体制冷片tec的冷端贴合在sld光源的表面，信号处理模块驱动半导体制冷片tec工作，稳定sld光源的温度。

24、优选的，所述信号处理模块包括硬件电路子模块和解调算法子模块；硬件电路子模块包括第二直流降压电路、mcu、spi接口电路、触摸屏接口电路、tf卡存储电路、程序烧录电路和usb串口电路；所述第二直流降压电路用于将输入电压转换为不同的供电电压，供mcu、spi接口电路、触摸屏接口电路、tf卡存储电路、程序烧录电路或者usb串口电路使用；mcu分别与spi接口电路、触摸屏接口电路、tf卡存储电路、程序烧录电路和usb串口电路电性连接；spi接口电路还与恒流驱动电路通信连接；触摸屏接口电路还与触摸屏电性连接；tf卡存储电路用于保存解调信息；程序烧录电路用于烧录和固化程序；usb串口电路用于与光谱仪模块通信连接，接收光谱仪输出的光谱信息；解调算法子模块获取光谱仪输出的光谱信息后进行算法解调。

25、优选的，所述解调算法子模块获取光谱仪输出的光谱信息后进行算法解调，具体包括如下步骤：

26、1）采集光谱数据：光纤双fp复合传感器（1）对输入的宽带光产生反射光信号，光谱仪模块（4）接收到反射光后，对反射光进行光电转换、放大、滤波和模数转换处理，将得到的数据通过串口通信发送到上位机，由上位机进行接收解析后获取光纤双fp复合传感器（1）的反射光谱数据，光纤双fp复合传感器（1）的干涉光信号的传感模型为：，其中为fp腔端面处的反射率；为fp腔中介质的折射率； l1和 l2分别是光纤双fp复合传感器（1）的第一fp腔和第二fp腔的腔长；为光强，当光源为宽带光源时，光强的表达式为，令为高斯分布的宽带光源的峰值半宽，频率参数为， c为光速； 为光波频率； 为高斯分布的宽带光源中心波长的光波频率；高斯分布的宽带光源的中心波长；对的指数部分进行泰勒展开取一阶近似，得到，其中参数，，代入干涉光信号的表达式中，得到：；

27、2）干涉光谱信号快速傅里叶变换：将干涉光信号 i r进行快速傅里叶变化，得到频域上的表达式为：， k为波数； j为虚数单位； n为光谱傅里叶变换点数，且；令取值最大时的波数 k记为 k l；根据频率公式和角频率公式，，求解得到光纤双fp复合传感器（1）的第二fp腔的腔长 l2为：；

28、3）利用全相位信息求解 k l：光谱信号傅里叶变换后 k l处相应的相位为：，为实数；为宽带光传播与反射过程中的相位变化； k1和 k0分别为光谱的起始波数和终止波数，将上式改写得到的表达式为：，将取整后代入上式，改写后得到 k l的表达式为：，为取整运算；

29、4）腔长计算：将获取的 k l的值，代入步骤2）中的光纤双fp复合传感器（1）的第二fp腔的腔长公式中，即可求得腔长。

30、优选的，所述信号处理模块与光路模块的恒流驱动电路通信时，还获取恒流驱动电路所用芯片的结温：，为检测电压，如果结温超过预设温度，恒流驱动电路输出故障告警信息。

31、优选的，所述触摸显示模块用于对信号处理模块解调获取的光纤双fp复合传感器的第二fp腔的腔长的历史数据和当前数据进行展示。

32、本发明提供的光纤双fp复合传感监测设备，相对于现有技术，具有以下有益效果：

33、（1）本技术通过构建了包括光纤双fp复合传感器，并与外围的光路模块、光谱仪模块和信号处理模块进行了集成，共同组成了复合传感监测设备，对于压力感知敏感的同时，结构紧凑，体积小巧，适用于更加复杂的工况环境；

34、（2）通过对单模光纤、空心光纤和无芯光纤进行有机的组合，并进一步生成聚合物填充部，构建抗电磁干扰、抗腐蚀的光纤双fp复合传感器，能够很好的实现对温度-压力的高精度、敏感的复合测量；

35、（3）本技术采用基于快速傅里叶变换与全相位信息相结合的高精度腔长解调算法，相较于现有解调算法精度更高，且可通过tf卡读写机制存储光谱信息以及解调结果信息，方便长时间检测与分析；并进一步通过触摸显示模块与用户进行数据交互。