一種高速大量程光纖法珀解調系統的制作方法
本發明涉及光纖傳感技術領域，具體涉及一種高速大量程光纖法珀解調系統。特別適用于壓水核反應堆蒸汽發生器傳熱管微動損傷監測。
背景技術：
對壓水核反應堆蒸汽發生器傳熱管的微動損傷監測，可以準確獲悉傳熱管微動狀態，預測其使用壽命，有利于優化壓水核反應蒸汽發生器的設計，進而提高壓水核反應堆的安全系數，具有重要意義。傳熱管微動損傷監測的關鍵是利用力傳感器測試傳熱管和管座間的微動磨損，常用的力傳感器因工作溫度和體積的限制無法滿足這一測試要求。光纖法珀傳感器由于其本身特有的優勢，如結構簡單、耐高溫、體積小、無電磁干擾，能夠滿足對壓水核反應堆傳熱管的微動損傷監測的要求，并在航空航天、能源、建筑等工業和軍事領域得到了廣泛的應用。目前針對光纖法珀解調的方法主要包括強度解調和相位解調，相位解調中又包含條紋計數法、傅里葉變換法和相關解調方法。采用光楔取代掃描結構的非掃描式相關解調方法，不僅提高了掃描精度，同時也提高了解調的速度，現已被廣泛應用。如CN106017519A提供了“一種光纖法珀傳感器解調系統及方法”，所述光纖法珀傳感器解調系統包括準直透鏡組、光楔、會聚透鏡、光電探測器陣列及信號處理裝置。光纖法珀傳感器的輸出光信號經準直透鏡組準直后入射到光楔，分別由光楔的上、下表面反射、經會聚透鏡會聚到光電探測器陣列表面發生干涉后形成干涉條紋信號，經光電探測器轉化為電信號。信號處理裝置對該信號進行上凸波峰的分析處理后獲得光纖法珀傳感器的腔長。相對于現有透射式的解調系統，其實施例提供的光纖法珀傳感器解調系統及方法，既能有效提高入射到光電探測器陣列的干涉信號的對比度，又能提升對光纖法珀傳感器的腔長解調分辨力，還能提升腔長解調分辨力的精度。
現行透射式非掃描相關解調儀解調速度較慢，并且固定的光楔厚度限制了解調的量程，不適用于對解調速度和解調量程要求較高的系統。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種高速大量程的光纖法珀解調系統，其能夠適用于不同環境下對光纖法珀解調速度和解調量程較高的需求。
本發明所述的一種高速大量程的光纖法珀解調系統，包括光源、通過第一光纖與光源連接的2×1光纖耦合器、通過第二光纖與光纖耦合器連接的法珀腔傳感器、通過第三光纖與光纖耦合器連接的光纖接頭；還包括與所述光纖接頭對應的柱面鏡、與所述光纖接頭對應的光楔、與所述光楔對應的高速光電探測器陣列和與高速光電探測器陣列連接的信號處理裝置。
進一步，所述光源是超輻射發光二極管(Super Luminescent Diode，SLD)光源或超連續譜光源(Super-continuum Source)。
進一步，所述光楔由上片鍍膜玻璃、下片鍍膜玻璃和設在上片鍍膜玻璃、下片鍍膜玻璃之間左右兩端的壓電陶瓷構成，在所述上片鍍膜玻璃和下片鍍膜玻璃之間有空氣夾層，所述光楔的上片鍍膜玻璃和下片鍍膜玻璃之間的夾角θ，即為光楔的楔角。
進一步，所述柱面鏡的柱面鏡反射面為圓弧凹面。
本發明的光源發射出的光經2×1耦合器到達光纖法珀傳感器，在光纖法珀傳感器的法珀腔發生干涉，反射的光信號經柱面鏡照射在壓電陶瓷作用下可改變厚度的光楔上，發生干涉實現互相關運算，透射光照射到高速光電探測器上產生明顯的干涉條紋，并轉換為電信號，由相應的信號處理裝置解調出法珀腔的腔長值。
一方面，所述光源是超輻射發光二極管光源或超連續譜光源：超輻射發光二極管光源采用寬光譜、高可靠、低相干性的超輻射發光二極管做為核心器件，具有輸出功率大、穩定性高的優點；超連續譜光源是使超短脈沖激光耦合進高非線性光纖(通常為光子晶體光纖)，使得輸出光的脈沖光譜展寬，從而實現超寬的光譜輸出。系統所使用光源能一定程度減弱光譜信號存在毛刺噪聲帶來的影響，提高系統穩定性。
其次，柱面鏡將光纖接頭出射的高斯圓光斑轉變成一維線光斑照射到高速探測器陣列上，充分利用了光信號能量，減少探測器積分時間，進一步提升了系統解調速度；
另一方面，在所述光楔空氣夾層的左右兩端處分別設有壓電陶瓷，當對壓電陶瓷施加電壓，壓電陶瓷則在上片鍍膜玻璃和下片鍍膜玻璃的方向產生機械變形，光楔上片鍍膜玻璃和下片鍍膜玻璃的距離增加，由此可以提高解調系統測量范圍。
附圖說明
圖1是本發明的結構示意圖；
圖2是2×1光纖耦合器示意圖；
圖3是柱面鏡左視圖；
圖4是光楔的正視圖；
圖5是光楔的示意圖；
圖6是信號處理裝置接收到的干涉信號光強分布曲線圖。
圖中：1－光源；
2－2×1光纖耦合器，21－第一光纖，22－第二光纖，23－第三光纖，24－光纖接頭；
3－光纖法珀傳感器；
4－柱面鏡，41－柱面鏡反射面；
5－光楔，51－上片鍍膜玻璃，52－下片鍍膜玻璃，53－空氣夾層，54－壓電陶瓷。
6－高速光電探測器陣列；
7－信號處理裝置。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的描述。
參見圖1、圖2、圖3和圖4所示的一種高速大量程的光纖法珀解調系統，包括光源1、通過第一光纖21與光源連接的2×1光纖耦合器2、通過第二光纖22與光纖耦合器連接的法珀腔傳感器3、通過第三光纖23與光纖耦合器連接的光纖接頭24，其實質性特點是：還包括與所述光纖接頭對應的柱面鏡4、與所述光纖接頭對應的光楔5、與所述光楔對應的高速光電探測器陣列6和與高速光電探測器陣列連接的信號處理裝置7。
所述光源1是超輻射發光二極管光源(如選擇超連續譜光源，即構成另一實施例)。
所述光楔5由上片鍍膜玻璃51、下片鍍膜玻璃52和設在上片鍍膜玻璃51、下片鍍膜玻璃52之間左右兩端的壓電陶瓷54構成，在所述上片鍍膜玻璃51和下片鍍膜玻璃52之間有空氣夾層53，所述光楔5的上片鍍膜玻璃51和下片鍍膜玻璃52之間的夾角θ，即為光楔5的楔角。
所述柱面鏡4的柱面鏡反射面41為圓弧凹面。
光源1發出的光束經第一光纖21、光纖耦合器2、第二光纖22入射至法珀腔傳感器3，由法珀腔端面反射的攜帶法珀腔傳感器3的腔長信息的光信號沿第二光纖22、光纖耦合器2傳輸至第三光纖23，并由第三光纖23端口上的光纖接頭24出射；出射光的高斯圓光斑由柱面鏡4的反射面41整理為一維線光斑，經光楔5的上片鍍膜玻璃51透射入光楔中產生互相光運算，并從光楔下片鍍膜玻璃52透射至高速光電探測器陣列6上產生明顯干涉條紋，高速光電探測器陣列6將所述干涉條紋轉換成電信號，并發送至信號處理裝置7。柱面鏡將光纖接頭出射的高斯圓光斑轉變成一維線光斑照射到高速探測器陣列上，充分利用了光信號能量，減少探測器積分時間，進一步提升了系統解調速度。
信號處理裝置7對所述電信號進行分析處理，得到光纖法珀傳感器3的腔長值。當光纖法珀傳感器3的法珀腔有大范圍的變動時，對壓電陶瓷54施以電壓產生機械變形，使光楔的厚度發生改變，從而使所述解調系統能夠解調出更大量程的法珀腔腔長值。
參見圖5，圖中橫坐表示光楔的長度x，θ為光楔的楔角，縱坐標表示光楔的厚度為x·tanθ。在光纖法珀非掃描式解調方法中光楔5的楔角θ非常小，一般為0.05～0.1度，因此可以用平行平板的多光束干涉模型來分析光楔5。所述光楔5充當了一個連續變化的法珀腔陣列，當光信號經光纖法珀傳感器3反射再照射到光楔5上，在光楔中某處的厚度與所測量光纖法珀傳感器3的腔長值相等時就會出現強度最大的相關信號，實現腔長匹配的互相關運算。
其中，由光纖接頭24出射的光信號，即光纖法珀傳感器3反射的光信號，其強度表達式IR(λ)為：
公式(1)中，[λmin，λmax]為光源1的波長范圍，I0(λ)為入射到法珀腔的光束的光強，R為光纖法珀傳感器3的法珀腔兩端面的反射率，L為法珀腔的腔長值，λ為入射到法珀腔的光束的波長值。
由光楔的下片鍍膜玻璃52透射出的光信號形成的干涉條紋的強度表達式Iout(x)為：
公式(2)中，A(x)為光纖接頭24出射光經過柱面鏡反射到光楔上沿x軸方向的分布函數，[λmin，λmax]為光源1的波長范圍，I0(λ)為入射到法珀腔的光束的光強，R為光纖法珀傳感器3的法珀腔兩端面的反射率，L為法珀腔的腔長值，R1為光楔內表面的反射率，x為光楔5上任意點的橫坐標，θ為光楔5的楔角，λ為入射到法珀腔的光束的波長值。
高速探測器陣列6將出射的光強分布信號Iout(x)轉換成相應的電信號，再傳送至信號處理裝置，對信號的上凸波峰分析處理后獲得光纖法珀傳感器的腔長值。
圖6示出了接收到的信號結果，如圖所示，在20um(微米)附近產生了一個極大信號，表明所測量的法珀腔腔長值約為20um(微米)。
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