跟着对光纤性质研讨的逐渐深化,发现外界信号可对光纤中传达的光波进行调制,由此诞生了光纤传感技能1现在光纤传感器现已广泛运用于许多范畴, 在地震检测、温度报警等方面广泛运用。各种类型的光纤传感器各有其显着的特色。光相位调制型传感器因其灵敏度高、便于完成全光纤传感等长处而在近年来得到了深化的研讨.
1 相位调制型传感器调制根本原理与干与解调结构
相位调制是指当传感光纤遭到外界机械或温度场的效果时,外界信号通过光纤的力应变效应、热应变效应、弹光效应及热光效应使传感光纤的几许尺度和折射率等参数发生改变,然后导致光纤中的光相位改变,以完成对光相位的调制.在光纤中传达常数为的光波通过长度为l的光纤, 会发生相位推迟：
则
式(2)中Δl为纤长l的改变;Δα为纤芯半径α的改变;Δn为纤芯折射率n的改变;所得即为光相位的改变。
图1 依据2 ×2和3 ×3耦合器的马赫—泽德(Mach – Zehnder)干与仪
图1为依据2 ×2和3 ×3耦合器的马赫—泽德(Mach – Zehnder)干与仪。其间激光器宣布的相干光经3dB耦合器C1分红光强比1∶1的两束光别离进入信号臂和参阅臂光纤,再经3×3对称耦合器C2集合相干构成调制的干与条纹,在终端选用光电勘探器D检测干与光强的改变,在光纤参量根本稳定的条件下,信号臂与参阅臂之间的位相差改变正比于外界信号。
因为现在的光勘探器不能直接勘探或读出光的相位差值,故一般选用干与法将光的相位差信号转化成为相应的干与条纹光强改变1由光束干与原理可知,干与仪发生的干与光强I可记为:
式(3)中I0为干与场的固定直流重量, K0为干与引起的改变峰值(起伏) , p ( t)为外界信号的效果规则,而Φ则为光纤干与臂不等长引起的固定相位差(一般计入p( t)中) .
干与进程是一种非线性调谐效果,因而跟着信号峰值及频率的不同干与波形会发生很大的改变。图2给出了信号p( t) = p0×sin (wt) (其间p0为信号振幅, w为信号频率)时干与波形随信号振幅的改变状况。
图2 原始信号与不同起伏调制信号比较图
由图2可见,和原信号(曲线a)比较,原信号起伏较小(曲线b和c)时,波形失真不大;而原信号起伏较大(曲线d)时,波形失真十分显着1因而在大信号状况下有必要对输出的干与信号进行解调才干康康复始信号的频率和振幅。
2 当时运用的软硬件解调技能
解调不仅是将相位差改变转化为干与条纹改变,其终究意图是从式(3)中解出原信号p( t) 。解调技能是完成信号康复的专一办法,也是相位调制型传感运用的要害和难点现在国内外的解调提取信号办法首要分为硬件和软件两大类。
2. 1 硬件解调提取信号办法特色
硬件解调提取信号办法首要是指彻底依托对电路和光路的设置或调制来完成相位解调的办法1依照信号光和参阅光频率差是否为零,将解调分为零差解谐和外差解调办法。为了完成全光纤化检测以及处理相移和振幅失配或许导致检测阈值下降的问题,现在一般选用零差解调办法。当时比较老练的解调技能,除无源零差解调法之外,还广泛选用沟通相位盯梢零差法( PTAC)和相位载波零差法( PGC)等有源零差解调法。比较而言,硬件解调的结构比较复杂,体系制造周期长,本钱较高。
2. 2 软件解调提取信号办法特色
软件解调提取信号办法是指部分依托PC机和软件完成解调的办法,其根本原理与硬件解调相同。除掉光电勘探转化部分选用的电路和光路之外,信号的处理由微机完成1软件办法省去了一般电路剖析、制造、调试等过程,不含有微分、相乘等易于引进噪声的相关电路。现在已有选用Turbo C成功开发软件解调体系的先例。和硬件比较,软件解调愈加灵敏,本钱较低,开发周期短,易于调试。
2. 3 Labview软件的特色
Labview是美国NI公司开发的一种专门用于数据收集、剖析与仪器操控的图形化软件1依据该软件开发的虚拟仪器可通过软件将核算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体,然后把核算机强壮的核算处理才能和仪器硬件的丈量,操控才能结合在一起1Labview具有革命性的图形化开发环境,摒弃了传统开发工具的复杂性,为用户供给强壮功用的一起还充沛确保了体系灵敏性。
3 试验研讨
3. 1 试验体系原理
本体系运用3×3耦合器对称无源零差办法对相位差进行解调。体系前端选用如图1所示的3 ×3对称无源零差解调结构。依据干与仪3×3耦合器3个相位输出的互补对称特性可知,从C2输出的3路信号在抱负分光比( 1∶1∶1)的状况下,相位别离相差2π/3,即三端勘探器(D0,D1,D2)组件输出勘探电压:
式(4)中D为直流重量I0转化的电压幅值, A 为K0转化的电压幅值, m 为对应耦合器的勘探器序号。
软件解调流程如图3所示:将3项Um 求和后除以3得到信号直流量D;从式(4)的3路Um中别离减去D,使其各自只余下干与信号的改变量Xm;然后别离将Xm 对时刻求导,得到dXm /dt;这以后再将每一路信号Xm与另两路信号求导差相乘;依此处理的3路信号乘积和即可消去式( 4)余弦,仅剩下带系数的导数dp( t) /dt。考虑到此式系数中仍包括有条纹衬比度,故将Xm3路信号的平方和与其相除,再对成果求时刻的积分,即可完好康康复信号函数p( t)。
图3 软件信号解调部分原理框图
3. 2 试验成果
依据上述软件解调结构编写Labview解调程序,完成干与信号的解调功用。试验中对各种状况下原始信号的解调成果进行了模仿和比照。
3. 2. 1 一般正弦信号的解调
当原始信号为Pa ( t) = 3π ×sin (2πf t) , f = 100 Hz时, p( t)可视为抱负的简谐波1图3中各节点a、b、c、d的波形如图4所示。 由图4各要害节点波形图可见,软件解调可勘探到与硬件解调对应方位相同的波形,阐明简谐波Pa ( t)调制信号通过该程序后得到了正确康复。
