[发明专利]一种振动波形与位置同时测量的光纤传感装置和方法

权利要求书

1.一种振动波形与位置同时测量的光纤传感装置，其特征在于由光源，两个级联型的马赫-曾德尔干涉仪，传感光纤，光电探测器及解调电路组成，光源与第一个马赫-曾德尔干涉仪相连，第一个马赫-曾德尔干涉仪的另一端与传感光纤相连，传感光纤的另一端与第二个马赫-曾德尔干涉仪相连，第二个马赫-曾德尔干涉仪的另一端与光电探测器相连，光电探测器的输出的电信号输出到解调电路；

以上所述的第一个马赫-曾德尔干涉仪包括第一1×2光耦合器、第二1×2光耦合器、第一延迟光纤以及第一压电陶瓷，其组成方式为：第一1×2光耦合器的端口a作为所述第一个马赫-曾德尔干涉仪的输入端口，与第一1×2光耦合器的输出端b连接的光纤均匀的缠绕在第一压电陶瓷上，然后与第二1×2光耦合器的端口d相连；第一1×2光耦合器的输出端c连接定长的第一延迟光纤，再连接到第二1×2光耦合器的输入端e；第二1×2光耦合器的端口f作为所述的第一个马赫-曾德尔干涉仪的输出端口；

以上所述的第二个马赫-曾德尔干涉仪包括第三1×2光耦合器、第四1×2光耦合器，第二延迟光纤以及第二压电陶瓷，其组成方式为：经过传感光纤的光从第三1×2光耦合器输入端g输入，与第三1×2光耦合器的输出端i连接的光纤均匀的缠绕在第二压电陶瓷上，然后与第四1×2光耦合器的端口k相连；第三1×2光耦合器的输出端h连接定长的第二延迟光纤；再连接到第四1×2光耦合器的输入端j，第四1×2光耦合器的端口l作为所述第二个马赫-曾德尔干涉仪的输出端口；

所述的解调电路由预处理电路及数字处理电路组成，所述的预处理电路由放大电路，隔直电路，滤波电路组成，将光电探测器输出的模拟电信号经过放大，消去直流项以及滤波处理后，通过模数转换变成数字信号，在数字处理电路中采用基频混频的反正切-微分自相乘算法解调振动信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的两个马赫-曾德尔干涉仪中，第一压电陶瓷上缠绕的光纤与第二压电陶瓷上缠绕的光纤长度相同，定长的第一延迟光纤与定长的第二延迟光纤长度相同；压电陶瓷分别均位于每一个马赫-曾德尔干涉仪的中间位置；与第一个耦合器的输出端b连接的光纤均匀的缠绕在第一个压电陶瓷上，与第三个耦合器的输出端i连接的光纤均匀的缠绕在第二个压电陶瓷上；信号发生器产生三路电信号载波，分别连接至两个压电陶瓷上以及后续的解调电路中。

3.一种振动波形与位置同时测量的光纤传感的传感方法，包括权利要求1-2任一项所述的装置，其特征在于该方法包括以下步骤：

第1、开启光源，使光在光纤中传导，开启信号发生器，调整到适当的频率ω₀，使其满足此式中c为光速，n为光纤有效折射率，L_t为整个光纤传感装置的长度，L_C1为第一1×2光耦合器与第一压电陶瓷之间的长度，该信号作为载波信号加入到两个马赫-曾德尔干涉仪中；

第2、将待测振动信号源放在传感光纤上，根据基频混频的反正切-微分自相乘算法解调振动波形，该解调算法是将模数转换后的信号分成两路，一路与基频载波cosω₀t混频，通过低通滤波器滤除高频信号，得到信号Ⅰ，另一路信号直接通过低通滤波器，得到信号Ⅱ，将两路信号进行微分自相乘运算后相除，再经过取负和开方运算后，得到信号Ⅲ，将信号Ⅰ和Ⅱ相除、取负，再与信号Ⅲ相除，最后通过反正切运算得到解调信号；

第3、所测振动波形会在时间轴上产生一定的偏移量，该偏移量L,光速c，光纤有效折射率n，延迟光纤长度L_A，第一1×2光耦合器与第一压电陶瓷之间的长度L_C1，缠绕在第一压电陶瓷上的光纤的长度L_P1，满足关系式X＝(L·c-nL_A-2nL_C1-nL_P1)/2n，从此式可以得到振动点位置与第一延迟光纤尾端的距离X。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于同时测量振动波形及其位置时，待测振动信号需采用正弦波，只测量振动波形时，待测振动信号为任意信号，并使待测振动信号的频率ω_s与幅度D，以及载波信号频率ω₀应满足关系式