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申请/专利权人：西安工业大学

摘要：本实用新型涉及一种双SLED光纤法珀传感器解调装置，其光纤法珀传感器解调装置由两个SLED光源、波分复用器、光纤耦合器、光纤准直器、柱透镜、光楔、线阵CCD、AD转换模块以及信号处理单元构成；两个不同波段SLED光源通过波分复用器与光纤耦合器两入射端口中的一端相连，出射端口与光纤法珀传感器相连，光纤耦合器另一个入射端口与光纤准直器相连，光纤准直器后依次放置柱透镜、光楔、线阵CCD，CCD将所探测的光信号以电信号输出，并经由AD转换模块转换为数字信号以供信号处理单元分析处理，获得腔长值。该解调装置采用两个不同波段的SLED作为光源，显著提高了相关干涉信号的对比度，并且信号波形更便于相关干涉信号峰值位置的提取，从而精确解算腔长。

主权项：1.一种双SLED光纤法珀传感器解调装置，包括光纤耦合器4、光纤法珀传感器5、光纤准直器6、柱透镜7或柱面反射镜、光楔8、线阵CCD9、AD转换模块10以及信号处理单元11，其特征在于，还包括两个不同波段的SLED光源和波分复用器3，所述两个SLED光源分别与波分复用器3的两个输入端口相连，波分复用器3的输出端口与光纤耦合器4两个入射端口中的一个端口相连，光纤耦合器4的出射端口与光纤法珀传感器5相连，光纤耦合器4两个入射端口中的另一个端口与光纤准直器6相连，光纤准直器6后放置柱透镜7或柱面反射镜，柱透镜7或柱面反射镜后设置光楔8，光楔8后设置线阵CCD9，线阵CCD9经AD转换模块10后接信号处理单元11，元器件之间均通过单模光纤连接；所述两个SLED光源发射光谱3dB带宽大于等于20nm，中心波长间隔大于等于100nm；所述光楔8两个表面中的外表面镀双色宽带增透膜，内表面镀一定反射率的双色宽带反射膜，双色宽带增透膜的增透波段以及宽带反射膜的反射波段同时完全覆盖两个SLED光源的发射光谱。

全文数据：一种双SLED光纤法珀传感器解调装置技术领域[0001]本实用新型涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种双SLED光纤法珀传感器解调装置。背景技术[0002]光纤法珀传感器由于其重量轻、体积小、灵敏度高、动态响应范围大和抗电磁干扰能力强等特点，已经成为光纤传感领域的重要研究方向之一，尤其是在强电磁干扰、高温、高压等恶劣环境下的应用更是具有传统传感器无法比拟的优势。主要表现在桥梁表面应力监测、涡轮发动机压力监测等领域。目前，针对光纤法珀传感器的解调方法主要有强度解调和相位解调。强度解调法在探测方法和信号处理上更为简单，但测量精度依赖于光强测试精度以及光路系统稳定性，光源的扰动、光路损耗等均会引起光强的波动，精度低、稳定性差。而相位法分为光谱法和相关法。[0003]其中以相关法应用更为广泛，现有的应用相关法的非扫描相关解调系统中多以单个SLED超辐射发光二极管）作为光源输入。而目前市场上SLED光源的带宽均以20nm为主，带宽较窄，输出的相关干涉条纹对比度较低，要想获得较高的解调精度，需要单个SLED光源的带宽做到百纳米以上，但成本设备极为高昂。实用新型内容[0004]针对光纤法珀传感器非扫描相关解调技术所面临的问题，本实用新型提出一种双SLED光纤法珀传感器解调装置，采用两个不同波段的SLED作为光源输入，获取不同于单SLED光源条件下的相关干涉信号，提高了条纹对比度，信号波形也更有利于相关干涉信号峰值的提取，实现高精度、高分辨率的腔长解算，且成本大大降低。[0005]为了达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：[0006]—种双SLED光纤法珀传感器解调装置，包括光纤耦合器、光纤法珀传感器、光纤准直器、柱透镜或柱面反射镜、光楔、线阵CCD、AD转换模块以及信号处理单元，还包括两个不同波段的SLED光源和波分复用器，所述两个SLED光源分别与波分复用器的两个输入端口相连，波分复用器的输出端口与光纤親合器两个入射端口中的一个端口相连，光纤親合器的出射端口与光纤法珀传感器相连，光纤耦合器两个入射端口中的另一个端口与光纤准直器相连，光纤准直器后放置柱透镜或柱面反射镜，柱透镜或柱面反射镜后设置光楔，光楔后设置线阵XD，线阵C⑶经AD转换模块后接信号处理单元，元器件之间均通过单模光纤连接；[0007]所述两个SLED光源发射光谱3dB带宽大于等于20nm，中心波长间隔大于等于IOOnm;[0008]所述光楔两个表面中的外表面镀双色宽带增透膜，内表面镀一定反射率的双色宽带反射膜，双色宽带增透膜的增透波段以及宽带反射膜的反射波段同时完全覆盖两个SLED光源的发射光谱。[0009]进一步的，所述的光纤准直器为组合透镜型大口径光纤准直器。[0010]进一步的，所述光楔紧贴线阵CCD接收面，光楔与线阵CCD接受面位于柱透镜或柱面反射镜焦点处。[0011]相比于现有技术，该实用新型的优点是：[0012]1、本实用新型采用两个不同波段的SLED光源作为光源输入，相比于单个SLED光源，由于两个不同波段光波的使用，相关干涉信号中出现多重振荡，出现多个干涉零点，使得信号对比度更高，另外由于多个干涉零点的存在，也有利于获取相关干涉信号峰值位置，实现高精度、高分辨率的腔长解算。[0013]2、成本低：要想获得较高的条纹对比度，单个SELD光源带宽必须做到150nm，价格在13万左右，而本实用新型用两个SLED光源提高对比度，带宽20nm就可以满足要求，且价格在两万左右，相比之下，成本显著降低。附图说明[0014]图1是本实用新型实施例的结构示意图；[0015]图2是单个SLED光源1输入时，所得到的光楔上不同位置所对应的相关干涉信号的光强分布曲线；[0016]图3是双SLED作为光源输入时，所得到的光楔上不同位置所对应的相关干涉信号的光强分布曲线；[0017]图中，1-中心波长850nm的SLED光源，2-中心波长750nm的SLED光源，3-波分复用器，4-光纤耦合器，5-光纤法珀传感器，6-光纤准直器，7-柱透镜，8-光楔，9-线阵CCD，10-AD转换模块，11-信号处理单元。具体实施方式[0018]为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。[0019]本实用新型将结合附图和实施例对本实用新型进行详细地说明。[0020]本实用新型一种双SLED光纤法珀传感器解调装置解调方法的基本原理是：当外界物理量作用于光纤法珀传感器时，改变法珀腔的腔长，引起光程差的变化。根据腔长匹配原理，采用非扫描元件光楔实现光纤法珀传感器光程差的空间扫描，当光楔厚度与光纤法珀传感器的腔长相等时，相关干涉信号输出光强最大。因此，只需确定相关干涉信号的输出光强最大点，该点对应的光楔厚度即为此刻的腔长值。本实用新型采用两个不同波段的SLED作为光源输入，有效提高相关干涉信号的条纹对比度，从而易获得相关干涉信号峰值处的精确位置。这种双SLED的光纤法珀传感器解调方法具备测量精度高、腔长测量范围大、解调速率高等优点。[0021]如图1所示，实施例提供一种光纤法珀传感器解调装置及方法，具体为:两个中心波长分别为850腹、75011111，带宽均为2011111的31^0光源1和31^0光源2，通过波分复用器3与21光纤親合器4的一个入射端口连接。[0022]2Xl光纤耦合器4的出射端口通过单模光纤与光纤法珀传感器5的尾纤连接，2Xl光纤耦合器4的另一入射端口通过单模光纤与光纤准直器6的尾纤连接。在本实施例中，各个分立光纤元器件通过法兰连接;但在其他实施例中，它们也可以使用熔接的方式连接。[0023]本实施例中采用的柱透镜7设置在光纤准直器6后，柱透镜7采用焦距50mm的平凸柱透镜，边宽35X35X2mm。[0024]光楔8设置在柱透镜7的焦点位置附近，并采用两块平面玻璃搭建，且外表面镀宽带增透膜，内表面镀50%宽带反射膜，宽带增透膜的增透波段以及宽带反射膜的反射波段同时完全覆盖两个SLED光源的发射光谱。[0025]线阵CCD9设置在光楔8后，用来探测相关的干涉光信号，并以电信号输出。[0026]AD转换模块10设置在线阵CCD9后，用来信号采集与转换。[0027]信号处理单元11设置在AD转换模块10后，用来对转换后的数字信号做分析处理，获得此时刻的腔长值。[0028]两个SLED光源1和2输出两组不同波段的宽带光，并通过波分复用器3合束耦合进入一个2X1光纤親合器4的一个输入端口，合束的宽带光由2X1光纤親合器4的输出端口进入光纤法珀传感器5,并发生多光束干涉，携带腔长信息的部分宽带光被反射并沿原光路返回，经过2X1光纤耦合器4后，部分光耦合至光纤准直器6，由光纤准直器6准直之后转换为一定宽度的大尺寸平行光束，该平行光束经由柱透镜7聚焦，转换为线状光斑，该线状光斑穿过光楔8，由于光楔8前后两个反射面的反射而再次发生多光束干涉，经过光楔8后，线状光斑的光强受到调制，调制后的光由线阵CCD9接收，再经过AD转换模块10转换为数字信号后，最后由信号处理单元11分析处理，得到此刻的腔长值。[0029]假设以单个SLED光源1作为输入，由于采用宽带光源，且光源在空间和光谱上具有高斯分布，因此CCD上所探测的输出光强为：[0030][0031]式中，第一项为SLED光源1在空间上的高斯分布，第二项为光纤法珀传感器的反射输出项，第三项为光楔的透射输出项，第四项为SLED光源1在光谱上的高斯分布。其中，R1、R2分别为空气腔近端面、远端面的端面反射率;L为法珀腔的腔长，R3为光楔内表面的反射率；X为光楔短边上的任意位置;Θ为构成光楔两平面的夹角；Io1为SLED光源1光强随心分布的常量;ApiSsled光源1光谱的中心波长;Ba1Ssled光源1光谱带宽所决定的高斯函数半高宽度;Xpl为SLED光源1的中心位置;Bxl为SLED光源1空间带宽所决定的高斯函数的半高宽度。[0032]从数学角度来说，上述公式与互相关函数公式非常相似，当光楔厚度与法珀腔腔长相等时即：当XtanQ=L时，在光楔X位置处将出现相关干涉信号光强最大值。那么，解调时，只需索引相关干涉信号光强最大值对应的光楔厚度，便可获得此刻的腔长值L，实现非扫描式相关解调。[0033]针对此公式，采用Matlab进行仿真。如图2所示，假设光纤法珀传感器法珀腔的端面反射率为4%，腔长L=80μπι，光楔一端厚度为O，另一端125μπι时，SLED光源1的中心波长850nm，带宽20nm，所得到的光楔上不同位置所对应的相关干涉信号的光强分布曲线。[0034]两个SLED作为光源输入时，同理，C⑶上所探测的输出光强为：[0035][0036]式中，Io2为SLED光源2光强随A1分布的常量;ApASLED光源2光谱的中心波长;Βλ2为SLED光源2光谱带宽所决定的高斯函数半高宽度;χρ2为SLED光源2的中心位置;Bx2为SLED光源2空间带宽所决定的高斯函数的半高宽度。其余参量均与上式表示参量一致。[0037]同理，针对该公式，采用Matlab进行仿真，保持与上式条件一致，得到光楔不同位置所对应的相关干涉信号的光强分布曲线，如图3所示。[0038]从两幅图可以看出，在其他条件不变时，采用两个不同波段的SLED为光源输入，其相关干涉信号不同于单个SLED光源输入时的结果，相关干涉信号中出现多个干涉零点（扣除基底信号），造成条纹的对比度显著增强，相关干涉信号的峰值位置更易获得，另外这种波形，也有利于采取新的解算方法，精确获取相关干涉信号峰值位置，从而精确解算光纤法珀传感器的腔长值。[0039]需要说明的是，在本实施例中，光纤耦合器4使用的是2X1耦合器，在其他实施例中，也可以使用2X2光纤耦合器。光纤法珀传感器5可以使用膜片式的非本征型光纤法珀传感器，也可以使用其他结构形式的非本征型以及本征型光纤法珀传感器。光纤准直器6使用组合透镜型大口径光纤准直器。实现互相关运算的光楔8采用两块平面玻璃搭建，外表面镀宽带增透膜，内表面镀50%宽带反射膜，光楔8夹角与厚度均可改变，也可以使用楔块来实现。[0040]以上应用了具体个例对本实用新型进行阐述，只是用于帮助理解本实用新型，并不用以限制本实用新型。对于本实用新型所属技术领域的技术人员，依据本实用新型的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

权利要求：1.一种双SLED光纤法珀传感器解调装置，包括光纤耦合器4、光纤法珀传感器5、光纤准直器6、柱透镜⑺或柱面反射镜、光楔8、线阵CCD9、AD转换模块10以及信号处理单元（11，其特征在于，还包括两个不同波段的SLED光源和波分复用器（3，所述两个SLED光源分别与波分复用器⑶的两个输入端口相连，波分复用器⑶的输出端口与光纤耦合器4两个入射端口中的一个端口相连，光纤耦合器4的出射端口与光纤法珀传感器5相连，光纤耦合器⑷两个入射端口中的另一个端口与光纤准直器⑹相连，光纤准直器⑹后放置柱透镜⑺或柱面反射镜，柱透镜⑺或柱面反射镜后设置光楔⑻，光楔⑻后设置线阵CXD9，线阵CCD9经AD转换模块（10后接信号处理单元（11，元器件之间均通过单模光纤连接；所述两个SLED光源发射光谱3dB带宽大于等于20nm，中心波长间隔大于等于IOOnm;所述光楔8两个表面中的外表面镀双色宽带增透膜，内表面镀一定反射率的双色宽带反射膜，双色宽带增透膜的增透波段以及宽带反射膜的反射波段同时完全覆盖两个SLED光源的发射光谱。2.根据权利要求1所述的双SLED光纤法珀传感器解调装置，其特征在于，所述的光纤准直器6为组合透镜型大口径光纤准直器。3.根据权利要求1所述的双SLED光纤法珀传感器解调装置，其特征在于，所述光楔8紧贴线阵CCD9接收面，光楔8与线阵CCD9接受面位于柱透镜⑺或柱面反射镜焦点处。

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