本發(fā)明涉及傳感器領域，可用于通信領域，醫(yī)療器械中，特別涉及到一種基于光纖位移傳感系統(tǒng)的位移測量信號分析方法。

背景技術：

傳感器在朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，包括抗電磁和原子輻射干擾的性能，徑細、質(zhì)軟、重量輕的機械性能；絕緣、無感應的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等，它能夠在如高溫區(qū)，如核輻射區(qū)，起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光信號經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導致光的光學性質(zhì)發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號源，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。

目前光纖位移傳感器主要有光纖光柵，光纖法珀和光纖M-Z干涉儀等類型的傳感器?，F(xiàn)有技術中的光纖位移傳感系統(tǒng)存在的技術問題是傳感器的環(huán)境適應性差，光信號的抖動，環(huán)境溫度等因素的變化對傳感器的性能影響很大。因此，提供一種不受環(huán)境因素影響、穩(wěn)定性高的光纖位移傳感系統(tǒng)就很有必要。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是現(xiàn)有技術中存在環(huán)境適應性查、穩(wěn)定性低的技術問題。提供一種光纖位移傳感系統(tǒng)，該光纖位移系統(tǒng)具測量速度快，測量范圍大，并且不受環(huán)境因素的影響等特點。

為解決上述技術問題，采用的技術方案如下：

一種光纖位移傳感系統(tǒng)，所述光纖位移傳感系統(tǒng)包括信號源101、待測物體，與信號源101連接的二等分功分器；所述二等分功分器103第一輸出端連接直調(diào)激光器102；所述直調(diào)激光器102連接光纖位移傳感探頭106；所述光纖位移傳感探頭106與高速光電探測器104連接；所述IQ混頻器105射頻輸入端與所述高速光電探測器104，本振輸入端與二等分功分器第二輸出端連接，輸出端依次連接后處理模塊；所述信號源101用于輸出微波信號，微波信號經(jīng)二等分功分器103分配后通過直調(diào)激光器102調(diào)制為光載波信號；所述高速光電探測器104用于轉(zhuǎn)換所述光纖位移傳感探頭106輸出的光波信號為微波信號；所述IQ混頻器105用于將射頻輸入端信號分為正交的I路信號及Q路喜歡好，I路信號及Q路信號均與本振端輸入信號混頻；所述后處理模塊用于解調(diào)混頻器輸出信號為待測物體位移量。

上述技術方案中，為優(yōu)化，進一步地，所光纖位移傳感探頭106包括套筒301，均固設于套筒301上的光纜302及擴束準直透鏡303；所述光纜302包括光發(fā)射單模光纖203以及貼設于光發(fā)射單模光纖203四周的N芯多模接收光纖204；其中N為正整數(shù)。

進一步地，所述后處理模塊包括信號放大器109，與信號放大器109依次連接的數(shù)據(jù)采集電路201及信號處理及顯示模塊202。

進一步地，所述后處理模塊還包括濾波器108，所述濾波器108連接于混頻器輸出端及信號放大器109；所述濾波器108通帶頻率范圍包括混頻器輸出端工作頻率，所述濾波器108用于消除干擾信號。

進一步地，所述濾波器108為低通濾波器，所述低通濾波器的截止頻率大于混頻器輸出端工作頻率。

進一步地，所述數(shù)據(jù)采集電路201包括多路開關模塊，與多路開關模塊連接的AD采樣模塊。

進一步地，所述信號處理及顯示模塊202包括并聯(lián)連接的2個微處理單元。

進一步地，所述信號處理及顯示模塊包括顯示模塊202為LCD顯示屏。

進一步地，所述信號處理及顯示模塊202還包括并聯(lián)的限流保護模塊及過壓保護模塊。

信號源101輸出的高頻微波信號經(jīng)過功分器103后分為兩路微波信號，一路微波信號進入直調(diào)激光器102中，該激光器將微波信號加載到光域上而得到一光載微波信號，該光載微波信號通過光發(fā)射單模光纖203傳輸?shù)轿灰苽鞲刑筋^106中，該光經(jīng)過擴束準直透鏡303擴束準直后入射到待測量位移量的物體107上，待測物107表面的反射光再次通過準直透鏡303并通過多模接收光纖204接收，多模接收光纖的輸出光載射頻信號經(jīng)高速光電探測器104后變?yōu)槲⒉ㄐ盘枺撐⒉ㄐ盘栠M入IQ混頻器105的射頻輸入端，功分器103的另一路微波信號進入IQ混頻器105的本振輸入端，IQ混頻器I分量和Q分量的直流信號經(jīng)過一低通濾波器108后依次通過信號放大電路109和數(shù)據(jù)采集電路和信號處理模塊后，系統(tǒng)解調(diào)的待測物體的位移量通過顯示模塊顯示。

本發(fā)明還提出一種位移傳感系統(tǒng)的位移測量信號分析方法：假設信號源輸出信號的頻率為f，該信號經(jīng)功分器103后得到兩個相同的微波信號，其中一路作為本振信號直接進入IQ混頻器105的本振輸入端，該信號可表示為：

V_o為信號幅值，為信號的初相位。功分器輸出的另一路信號經(jīng)過直調(diào)激光器調(diào)制后得到光載微波信號，該光載微波信號照射到待測物體后經(jīng)反射入射到高速光電探測器上。假設待測物體的位移量為L，則由于該位移量引起的光載微波信號相位的變化為其中c為光速，由此導致高速光電探測器104輸出的微波信號可表示為：該微波信號進入IQ混頻器后，混頻器將該信號分為兩路，一路信號作為I路輸入射頻信號與本振信號進行混頻，另一路信號經(jīng)過90度相移后作為Q路輸入射頻信號也與本振信號進行混頻，則I路輸出信號可表示為：

Q路輸出信號可表示為：

將混頻器輸出的兩路直流信號相除可得：

由此，可得待測物體的位移量為：

由上式可知，根據(jù)IQ混頻器輸出的兩個直流電壓值就可以得到當前待測物的位移量。并且該位移量與待測信號的幅度無關。這極大地降低了光信號抖動及環(huán)境因素的影響對位移測量結果的影響。IQ混頻器的相位測量精度可達0.050，當微波信號頻率為40GHz時，本發(fā)明提出的位移傳感系統(tǒng)的位移分辨率可達1.05um。由于IQ混頻器能實現(xiàn)跨3600相位周期的測量，同時通過調(diào)節(jié)微波信號的頻率，可是本發(fā)明提出的位移傳感測量范圍達幾十米。本光纖位移傳感系統(tǒng)的工作流程簡單，系統(tǒng)上電后，將信號源打開，將位移傳感探頭固定在待測物前表面，當待測物體發(fā)生移動式，系統(tǒng)的顯示模塊將實時顯示當前物體的位移量。

本發(fā)明的有益效果：

效果一，減小了外界環(huán)境因素的干擾；

效果二，提高了穩(wěn)定性；

效果三，提高了測試靈敏度；

效果四，提高了最高位移分辨率。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1，基于微波鑒相裝置的光纖位移傳感系統(tǒng)示意圖。

圖2，光纖位移傳感探頭示意圖。

圖3，光纜端面示意圖。

圖4，后處理模塊示意圖。

附圖中，101-信號源；102-直調(diào)激光器；103-功分器；104-高速光電探測器；105-IQ混頻器；106-光纖位移傳感探頭；107-待測物體；108-低通濾波器；109-信號放大電路；201-數(shù)據(jù)采集電路；202-信號處理及顯示模塊；203-光發(fā)射單模光纖-204-多模接收光纖，1031-功分器第一輸出端，1032-功分器第二輸出端。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實施例1：

如圖1，本實施例提供一種的光纖位移傳感系統(tǒng)，所述光纖位移系統(tǒng)包括信號源101、待測物體，與信號源101連接的二等分功分器；所述二等分功分器103第一輸出端連接直調(diào)激光器102；所述直調(diào)激光器102連接光纖位移傳感探頭106；所述光纖位移傳感探頭106與高速光電探測器104連接；所述IQ混頻器105射頻輸入端與所述高速光電探測器104，本振輸入端與二等分功分器第二輸出端連接，輸出端依次連接后處理模塊；所述信號源101用于輸出微波信號，微波信號經(jīng)二等分功分器103分配后通過直調(diào)激光器102調(diào)制為光載波信號；所述高速光電探測器104用于轉(zhuǎn)換所述光纖位移傳感探頭106輸出的光波信號為微波信號；所述IQ混頻器105用于將射頻輸入端信號分為正交的I路信號及Q路喜歡好，I路信號及Q路信號均與本振端輸入信號混頻；所述后處理模塊用于解調(diào)混頻器輸出信號為待測物體位移量。

其中，如圖2及圖3，光纖位移傳感探頭106包括套筒301，依據(jù)均固設于套筒301上的光纜302及擴束準直透鏡303；所述光纜302包括光發(fā)射單模光纖203以及貼設于光發(fā)射單模光纖203四周的多芯多模接收光纖204。探頭有利于最大限度的收集待測移動物體發(fā)射回來的光信號，提高整個位移傳感系統(tǒng)的靈敏度。

根據(jù)IQ混頻器輸出的兩個直流電壓值就可以得到當前待測物的位移量。并且該位移量與待測信號的幅度無關。這極大地降低了光信號抖動及環(huán)境因素的影響對位移測量結果的影響。IQ混頻器的相位測量精度可達0.050，當微波信號頻率為40GHz時，本發(fā)明提出的位移傳感系統(tǒng)的位移分辨率可達1.05um。由于IQ混頻器能實現(xiàn)跨3600相位周期的測量，同時通過調(diào)節(jié)微波信號的頻率，可是本發(fā)明提出的位移傳感測量范圍達幾十米。

其中，后處理模塊包括信號放大器109，與信號放大器109依次連接的數(shù)據(jù)采集電路201及信號處理及顯示模塊202。后處理模塊通過將混頻信號進行放大，便于數(shù)據(jù)采集電路采集信號供信號處理及顯示模塊進行數(shù)據(jù)解調(diào)，通過解調(diào)及算法運算，計算出待測物體的位移量。

所述數(shù)據(jù)采集電路201包括多路開關模塊，與多路開關模塊連接的AD采樣模塊。數(shù)據(jù)采集模塊通過多路開關模塊能夠在時序上間歇啟動數(shù)據(jù)采集模塊，能夠降低模塊功耗，實現(xiàn)低功耗的光纖位移傳感系統(tǒng)，降低成本。

所述信號處理及顯示模塊202包括并聯(lián)連接的2個微處理單元。通過使用并聯(lián)的2個微處理單元，能夠減小單個微處理單元的負荷，提高光纖位移傳感系統(tǒng)的容量。

所述信號處理及顯示模塊包括顯示模塊202為LCD顯示屏，該LCD顯示屏能夠通過觸摸屏進行相關設置或操作，能夠減少按鍵操作，提高結構空間利用率。所述信號處理及顯示模塊202還包括并聯(lián)的限流保護模塊及過壓保護模塊，通過添加過流保護及過壓保護模塊，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小故障率。

本實施例中光纖位移傳感系統(tǒng)的工作原理：信號源101輸出的高頻微波信號經(jīng)過功分器103后分為兩路微波信號，一路微波信號進入直調(diào)激光器102中，該激光器將微波信號加載到光域上而得到一光載微波信號，該光載微波信號通過光發(fā)射單模光纖203傳輸?shù)轿灰苽鞲刑筋^106中，該光經(jīng)過擴束準直透鏡303擴束準直后入射到待測量位移量的物體107上，待測物107表面的反射光再次通過準直透鏡303并通過多模接收光纖204接收，多模接收光纖的輸出光載射頻信號經(jīng)高速光電探測器104后變?yōu)槲⒉ㄐ盘?，該微波信號進入IQ混頻器105的射頻輸入端，功分器103的另一路微波信號進入IQ混頻器105的本振輸入端，IQ混頻器I分量和Q分量的直流信號經(jīng)過后處理模塊解調(diào)出待測物體的位移量，通過顯示模塊顯示。

本光纖位移傳感系統(tǒng)的工作流程簡單，系統(tǒng)上電后，將信號源打開，將位移傳感探頭固定在待測物前表面，當待測物體發(fā)生移動式，系統(tǒng)的顯示模塊將實時顯示當前物體的位移量。

實施例2

本實施例在實施例1的基礎上進一步改進后處理模塊，能夠進一步減小外界因素對光纖位移傳感系統(tǒng)的干擾。

所述后處理模塊還包括濾波器108，所述濾波器108連接于混頻器輸出端及信號放大器109；所述濾波器108通帶頻率范圍包括混頻器輸出端工作頻率，所述濾波器108用于消除干擾信號。所述濾波器108為低通濾波器，所述低通濾波器的截止頻率大于混頻器輸出端工作頻率。

通過濾波器來對混頻器工作頻率外的干擾信號進行濾除，能夠進一步減小干擾，特別是環(huán)境因數(shù)的干擾。能夠提高本實施例中的光纖位移傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈敏度。

本發(fā)明還提出一種位移傳感系統(tǒng)的位移測量信號分析方法：假設信號源輸出信號的頻率為f，該信號經(jīng)功分器103后得到兩個相同的微波信號，其中一路作為本振信號直接進入IQ混頻器105的本振輸入端，該信號可表示為：

V_o為信號幅值，為信號的初相位。功分器輸出的另一路信號經(jīng)過直調(diào)激光器調(diào)制后得到光載微波信號，該光載微波信號照射到待測物體后經(jīng)反射入射到高速光電探測器上。假設待測物體的位移量為L，則由于該位移量引起的光載微波信號相位的變化為其中c為光速，由此導致高速光電探測器104輸出的微波信號可表示為：該微波信號進入IQ混頻器后，混頻器將該信號分為兩路，一路信號作為I路輸入射頻信號與本振信號進行混頻，另一路信號經(jīng)過90度相移后作為Q路輸入射頻信號也與本振信號進行混頻，則I路輸出信號可表示為：

Q路輸出信號可表示為：

將混頻器輸出的兩路直流信號相除可得：

由此，可得待測物體的位移量為：

由上式可知，根據(jù)IQ混頻器輸出的兩個直流電壓值就可以得到當前待測物的位移量。并且該位移量與待測信號的幅度無關。這極大地降低了光信號抖動及環(huán)境因素的影響對位移測量結果的影響。IQ混頻器的相位測量精度可達0.050，當微波信號頻率為40GHz時，本發(fā)明提出的位移傳感系統(tǒng)的位移分辨率可達1.05um。由于IQ混頻器能實現(xiàn)跨3600相位周期的測量，同時通過調(diào)節(jié)微波信號的頻率，可是本發(fā)明提出的位移傳感測量范圍達幾十米。本光纖位移傳感系統(tǒng)的工作流程簡單，系統(tǒng)上電后，將信號源打開，將位移傳感探頭固定在待測物前表面，當待測物體發(fā)生移動式，系統(tǒng)的顯示模塊將實時顯示當前物體的位移量。

盡管上面對本發(fā)明說明性的具體實施方式進行了描述，以便于本技術領域的技術人員能夠理解本發(fā)明，但是本發(fā)明不僅限于具體實施方式的范圍，對本技術領域的普通技術人員而言，只要各種變化只要在所附的權利要求限定和確定的本發(fā)明精神和范圍內(nèi)，一切利用本發(fā)明構思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護之列。